單層超高玻璃幕墻技術(shù)研究

張志剛

（珠海興業(yè)綠色建筑科技有限公司，廣東 珠海 519000）

我國生產(chǎn)和應(yīng)用了大量的幕墻產(chǎn)品，在生產(chǎn)、使用中積累了豐富的經(jīng)驗，在建筑幕墻技術(shù)開發(fā)上有了新進展。但針對單層超高幕墻的研究，從理論到實踐并不多見。

1 單層超高幕墻特點

受力結(jié)構(gòu)跨度大，跨中結(jié)構(gòu)體系絕對變形大，結(jié)構(gòu)支座反力大，與建筑效果匹配難

2 單層超高幕墻的主要結(jié)構(gòu)形式

鋼桁架、鋼格構(gòu)、自平衡體系、預應(yīng)力索桿體系、預應(yīng)力單層索網(wǎng)體系

3 以某火車站單層超高幕墻為對象進行分析

3.1 基本情況

火車站玻璃幕墻主要以大跨度的鋼結(jié)構(gòu)玻璃幕墻為主，其最高處位于站房中部出入口處，混凝土柱距87.0m,從±0m到站房屋架下方，高度33.5m，在主入口處形成一個87.0mX33.5m巨大而通透的幕墻立面，這個巨幅幕墻結(jié)構(gòu)的處理是個難題，也是直接關(guān)系到整個建筑幕墻外立面效果的關(guān)鍵因素。

3.2 選用材料的力學性能

鋼材：彈性模量 2.06×105N/mm2，泊松比 0.3，線膨脹系數(shù)1.2×10-5/℃。

材料重力體積密度：建筑玻璃：25.6kN/m3，鋼材：78.5kN/m3。

3.3 結(jié)構(gòu)荷載取值

3.3.1 幕墻部分自重荷載

玻璃采用10T+12A+10T中空玻璃，玻璃自重面荷載標準值：GK=20×10-3×25.6=0.512kN/m2，考慮玻雨篷體系的其它附屬構(gòu)件，雨篷自重面荷載標準值取：0.8kN/m2。

3.3.2 雨篷部分自重荷載

玻璃采用10T+1.52PVB+10T夾膠玻璃。玻璃自重面荷載標準值：GK=20×10-3×25.6=0.512kN/m2，考慮玻雨篷體系的其它附屬構(gòu)件，雨篷自重面荷載標準值取：0.8kN/m2。

3.3.3 幕墻風荷載

采用100年重現(xiàn)周期的風荷載進行幕墻計算，幕墻計算高度取33m。

a、地面粗糙度類別：B類

b、基本風壓：0.40kN/m2

c、瞬時分壓陣風系數(shù)：βgz=1.63

d、風壓高度變化系數(shù)：μz＝1.47

e、風荷載體型系數(shù)：1.0

Wk=1.63×1.0×1.47×0.4＝0.958kN/m2

因 為 Wk≤1.0kN/m2，取 Wk=1.0kN/m2，按 JGJ102-2003 第5.3.2條采用。

3.3.4 雨篷風荷載

采用100年重現(xiàn)周期的風荷載進行計算，雨篷計算高度取9m。

a、地面粗糙度類別：B類

b、基本風壓：0.40kN/m2

c、瞬時分壓陣風系數(shù)：βgz＝1.80

d、風壓高度變化系數(shù)：μz＝1.00

e、風荷載體型系數(shù)：1.44

Wk=1.80×1.44×1.00×0.4＝1.037kN/m2

因為 Wk≥1.0kN/m2，取 Wk=1.037kN/m2，按 JGJ102-2003 第5.3.2條采用。

3.3.5 雨篷雪荷載

采用100年重現(xiàn)周期的雪荷載進行計算。

a、基本雪壓：0.25kN/m2

b、屋面積雪分布系數(shù)：μr＝1.00

Sk=1.00×0.25＝0.25kN/m2

3.3.6 雨篷施工及檢修荷載

取施工及檢修荷載Lk=1.0kN/m，加載于雨篷最不利位置。

3.3.7 地震作用

抗震設(shè)防烈度：7度,設(shè)計基本加速度：0.10g

3.3.8 荷載組合

3.3.8.1 正常使用極限狀態(tài)下的計算

荷載組合一：1.0×恒（幕墻）+1.0×風載（幕墻）+1.0×恒（雨篷）+0.7×施工（雨篷）+0.5×地震；荷載組合二：1.0×恒（幕墻）+1.0×風載（幕墻）+1.0×恒（雨篷）+0.7×雪（雨篷）+0.5×地震；荷載組合三：1.0×恒（幕墻）+1.0×風載（幕墻）+1.0×恒（雨篷）+1.0×風（雨篷）+0.5×地震

3.3.8.2 承載能力極限狀態(tài)下的計算

荷載組合一：1.0×1.2×恒（幕墻）+1.0×1.4×風載（幕墻）+1.0×1.35×恒（雨篷）+0.7×1.4×施工（雨篷）+0.5×1.3×地震；荷載組合二：1.0×1.2×恒（幕墻）+1.0×1.4×風載（幕墻）+1.0×1.35×恒（雨篷）+0.7×1.4×雪（雨篷）+0.5×1.3×地震；荷載組合三：1.0×1.2×恒（幕墻）+1.0×1.4×風載（幕墻）+1.0×1.0×恒（雨篷）+1.0×1.4×風（雨篷）+0.5×1.3×地震

3.4 幕墻結(jié)構(gòu)數(shù)值模型的建立與計算

3.4.1 方案一：空間鋼桁架結(jié)構(gòu)

3.4.1.1 結(jié)構(gòu)模型描述

結(jié)合玻璃幕墻立面分格，桁架間距按8.4m布置,桁架寬度2.1m與玻璃分格對應(yīng)，桁架矢高2.1m,雨篷懸挑10m,結(jié)構(gòu)支撐于主桁架結(jié)構(gòu)上，橫向設(shè)置三道剛性平面外支撐，整個結(jié)構(gòu)的支座約束分為兩種，與下部基礎(chǔ)采用鉸接，基礎(chǔ)承受由鋼桁架所傳遞的豎直方向幕墻自重以及水平方向的風荷載等，和上部屋面鋼結(jié)構(gòu)采用一個搖臂裝置，釋放了由幕墻鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎直方向作用力，直承受幕墻鋼結(jié)構(gòu)水平推力，并且保證屋面在豎直方向的變形，不影響整個幕墻結(jié)構(gòu)。整個結(jié)構(gòu)采用有限元線性分析方法。

3.4.1.2 正常使用極限狀態(tài)下的計算

正常使用極限狀態(tài)驗算結(jié)果：撓度控制指標：L/400;結(jié)構(gòu)最大變形由荷載組合二產(chǎn)生，為79.7mm＜33000mm/400=82.5mm。

3.4.1.3 承載能力極限狀態(tài)下的計算

承載能力極限狀態(tài)：采用Q345鋼，設(shè)計強度小于310N/mm2;結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力由荷載組合二產(chǎn)生，應(yīng)力需求比為0.746，位于桁架中部。

3.4.2 方案二：平面自平衡體系

3.4.2.1 結(jié)構(gòu)模型描述

結(jié)合玻璃幕墻立面分格，8.6m標高以下采用桁架，間距按8.4m布置,并設(shè)置兩道拉索平衡雨篷所產(chǎn)生的傾覆力，雨篷懸挑10m采用H型鋼，并在懸挑6.0m的位置設(shè)置撐桿；8.6m標高到27.1m標高以上采用索結(jié)構(gòu)自平衡體系，間距按幕墻玻璃分格2.1米布置，桁架寬度與玻璃分格對應(yīng)，桁架矢高1.6mm采用直徑14mm的不銹鋼拉索和直徑50mm鋼撐桿，主鋼管采用直徑152mm的圓管，平面外設(shè)計兩道拉索，每道由三根直徑12mm不銹鋼拉索組成，保證整個體系的平面外穩(wěn)定。27.1m處設(shè)計三角桁架，豎直方向矢高2.5m,水平方向矢高1.5m，承載由索桁架所傳遞的水平推力和上部幕墻的所有荷載。整個結(jié)構(gòu)的支座約束分為兩種，與下部基礎(chǔ)采用鉸接，基礎(chǔ)承受由鋼桁架所傳遞的豎直方向幕墻自重以及水平方向的風荷載等，和上部屋面鋼結(jié)構(gòu)采用一個搖臂裝置，釋放由幕墻鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎直方向作用力，直承受幕墻鋼結(jié)構(gòu)水平推力，并且保證屋面在豎直方向的變形，不影響整個幕墻結(jié)構(gòu)。整個結(jié)構(gòu)采用有限元非線性分析方法。結(jié)構(gòu)模型：

3.4.2.2 正常使用極限狀態(tài)下的計算

正常使用極限狀態(tài)驗算結(jié)果：撓度控制指標：鋼桁架L/400，自平衡索結(jié)構(gòu)L/400。結(jié)構(gòu)最大變形由荷載組合二產(chǎn)生：鋼桁架為 61.9mm＜44000mm/400=110.0mm；自平衡索結(jié)構(gòu)(138-52)=86mm＜185000mm/200=92.5mm；

3.4.2.3 承載力極限狀態(tài)下的計算

承載能力極限狀態(tài)：采用Q345鋼，設(shè)計強度小于310N/mm2;結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力由荷載組合二產(chǎn)生：自平衡索結(jié)構(gòu)，拉索應(yīng)力需求比zu最大為0.420，拉索最大允許應(yīng)力比為1/1.8=0.55，位于索桁架中部。

3.4.3 方案三：單層索網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系

3.4.3.1 結(jié)構(gòu)模型描述

結(jié)合玻璃幕墻立面分格，8.6m標高以下采用鋼框架，間距按8.4m布置,并設(shè)置交叉拉索平衡控制鋼框架的變形，雨篷懸挑10m采用H型鋼，并在懸挑6.0m的位置設(shè)置撐桿；8.6m標高到27.1m標高以上采用單層索網(wǎng)體系，垂直間距按幕墻玻璃分格2.1米布置，水平間距按幕墻玻璃分格1.5米布置，豎索為主受力索，單根長度18.5m,采用直徑30mm的不銹鋼拉索，橫索維輔助索，單根長度42.0m,采用直徑16mm的不銹鋼拉索。27.1m處設(shè)計三角空間桁架，豎直方向矢高5.0m,采用雙層設(shè)計，在第一層2.5高采用空間桁架，水平方向矢高1.5m，在第二層2.5高采用平面桁架，整個桁架承載由索所傳遞的水平力豎向拉力及上部幕墻的所有荷載。整個結(jié)構(gòu)的支座約束分為兩種，與下部基礎(chǔ)采用鋼結(jié)支座，基礎(chǔ)承受由鋼桁架所傳遞的豎直方向幕墻自重以及水平方向的風荷載等，27.1m處空間鋼桁架與兩側(cè)采用滑動支座，釋放水平力。和上部屋面鋼結(jié)構(gòu)設(shè)置兩個搖臂裝置，釋放由幕墻鋼結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎直方向作用力，直承受桁架產(chǎn)生的水平推力，并且保證屋面在豎直方向的變形，不影響整個幕墻結(jié)構(gòu)。整個結(jié)構(gòu)采用有限元非線性分析方法。結(jié)構(gòu)模型：

3.4.3.2 正常使用極限狀態(tài)下的計算

正常使用極限狀態(tài)驗算結(jié)果：撓度控制指標：鋼桁架L/400，索網(wǎng)結(jié)構(gòu)L/50。

荷載組合一：1.0×預應(yīng)力+1.0×恒（幕墻）+1.0×風載（幕墻）+1.0×恒（雨篷）+0.7×施工（雨篷）+0.6×溫度（+25）+0.5×地震；；荷載組合二：1.0×預應(yīng)力+1.0×恒（幕墻）+1.0×風載（幕墻）+1.0×恒（雨篷）+0.7×雪（雨篷）+0.6×溫度（+25）+0.5×地震；荷載組合三：1.0×預應(yīng)力+1.0×恒（幕墻）+1.0×風載（幕墻）+1.0×恒（雨篷）+1.0×風（雨篷）+0.6×溫度（+25）+0.5×地震。

結(jié)構(gòu)最大變形由荷載組合二產(chǎn)生：下部鋼框架雨篷：鋼框架最大位移在8.6m標高處中間位置橫梁上，雨篷位移最大位移在雨篷中部橫桿，為絕對位移。

鋼框架：（Joint，704；U1=-41.34，U2=-0.02，U3=8.48）；雨篷：（Joint，2610；U1=-46.37，U2=-0.02，U3=-87.13）；中部索網(wǎng)結(jié)構(gòu)（絕對位移）：（Joint，130；U1=-416.38，U2=-0.00，U3=-31.75）；中部索網(wǎng)結(jié)構(gòu)（相對位移）：（Joint，130；U1=-352.42，U2=3.53，U3=40.34）；中上部桁架結(jié)構(gòu)：（Joint，244；U1=-64.10 ，U2=-3.54，U3=-85.52）。

3.4.3.3 承載能力極限狀態(tài)下的計算

承載能力極限狀態(tài)：鋼材采用Q345鋼，設(shè)計強度小于310N/mm2，拉索采用不銹鋼，設(shè)計強度小于1320N/mm2。

荷載組合一：1.0×預應(yīng)力+1.0×1.2×恒（幕墻）+1.0×1.4×風載（幕墻）+1.0×1.35×恒（雨篷）+0.7×1.4×施工（雨篷）+0.6×1.4溫度（-25）+0.5×1.3×地震；；荷載組合二：1.0×預應(yīng)力+1.0×1.2×恒（幕墻）+1.0×1.4×風載（幕墻）+1.0×1.35×恒（雨篷）+0.7×1.4×雪（雨篷）+0.6×1.4溫度（-25）+0.5×1.3×地震；；荷載組合三：1.0×預應(yīng)力+1.0×1.2×恒（幕墻）+1.0×1.4×風載（幕墻）+1.0×1.0×恒（雨篷）+1.0×1.4×風（雨篷）+0.6×1.4溫度（-25）+0.5×1.3×地震。

結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力由荷載組合二產(chǎn)生：索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，拉索應(yīng)力需求比最大為0.420，拉索最大允許應(yīng)力比為1/1.8=0.55。

4 研究結(jié)論

通過對以上三種結(jié)構(gòu)形式的計算機模擬分析，對于單層超高玻璃幕墻鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計可以得出以下結(jié)論：

4.1 如果采用大跨度鋼結(jié)構(gòu)，最好選用空間桁架，不然很難保證鋼桁架的平面外穩(wěn)定性。鋼桁架的缺點空間尺寸會很大，桿件截面也較大，對整個玻璃幕墻的外觀果影響較大。鋼桁架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是對邊界支座的要求較低，加工和施工難度也較低；

4.2 如果采用索桁架，索桁架的跨度不能太大，最好在15m以內(nèi)，否則索桁架自平衡體系的矢高會較大，假如索桁架跨度超出15m則桁架矢高會超出2m。索桁架的缺點是桁架布置要和玻璃分格對應(yīng)，不能象鋼桁架那樣隔跨布置，外觀桿件比較多，加工施工難度大。索桁架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)外觀較通透輕盈，與玻璃可以有機的結(jié)合成一體，同樣結(jié)構(gòu)對邊界支座的要求較低；

4.3 如果采用索網(wǎng)結(jié)構(gòu)，索跨度不能太大，最好在20m以內(nèi)，否則索的絕對變形和撓度很大，撓度最好控制在0.5m之內(nèi)。索桁架缺點是需要施加預應(yīng)力，所以對邊界要求很高，邊界桿構(gòu)件需要很強，同時加工施工難度都較大。索桁架結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)外觀通透輕盈，纖細的索作為結(jié)構(gòu)，它對玻璃效果的影響幾乎可以忽略，可以完美的和玻璃融為一個整體；

以上分析結(jié)論是建立在計算機模擬的條件下，一些節(jié)點連接、支座構(gòu)造和預應(yīng)力施加方案等都需要通過實驗的手段檢驗。

[1]《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ 133-2001

[2]《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB 50009-2012

[3]《索結(jié)構(gòu)玻璃幕墻用索桁架的設(shè)計與質(zhì)量控制》王德勤

[4]《懸索結(jié)構(gòu)設(shè)計》沈世釗等

[5]《CSI分析參考手冊》