上海國際航運服務中心（東塊）B01樓中庭22m跨幕墻系統四性測試方法設計

徐雁

（上海杰思工程實業有限公司　上海　盧灣　200020）

上海國際航運服務中心（東塊）B01樓中庭22m跨幕墻系統四性測試方法設計

徐雁

（上海杰思工程實業有限公司上海盧灣200020）

B01樓為辦公建筑，位于虹口北外灘的東部，為統一規劃建設的上海國際航運服務中心的一部分。地上總建筑面積64328m2。

需要做測試方案的B系統分區位于2～35層大堂立面，橫隱豎明框架式玻璃幕墻，幕墻區格橫梁兩端與立柱鉸接連接，立柱兩端與支撐鋼結構桁架鉸接連接，幕墻及構件自重通過每層立柱傳遞到鋼桁架，并通過桁架上的拉桿傳遞到頂層主結構上。

此系統中，由于靠近桁架部位的幕墻面板采用了與鋼桁架直接相連的做法，幕墻面板，幕墻構件及面板與結構的連接會因鋼桁架變形的受到影響，幕墻四性測試將包括近22m的大跨度鋼桁架，導致無法作為可行的測試方法予以實行。

本文針對這種情況的幕墻四性測試方法進行探究，設計出一種比較合理的測試方法，并對使用方法必要的條件及對可能產生的影響進行分析。最后就這類方法與一般幕墻四性測試予以比較。并談談此種方法在實際工程中可行度及測試方法的發展的趨勢。

主結構對幕墻結構影響；支座位移；附加應力；測試模擬；工程模型；荷載傳遞；間接測試

1　幕墻系統介紹及測試方法應考慮的因素

B系統分區位于2～35層大堂區域立面，最大標高187.5m，為橫隱豎明框架式玻璃幕墻，最大玻璃面板分格為：2900mm（寬）×1500mm（高），面板為8+1.52PVB+6+16A+8中空夾膠玻璃，幕墻區格支撐立柱為口250×100×12矩形鋼管，橫梁為口200×100×12的矩形鋼管。橫梁兩端與立柱鉸接連接，立柱兩端與支撐鋼結構桁架鉸接連接，幕墻及構件自重通過每層立柱傳遞到鋼桁架，并通過桁架上的拉桿傳遞到頂層主結構上。

幕墻外表面到建筑主結構中共分為三個層次：第一個層次為幕墻面板（包含于幕墻連接的鋁合金副框），這個層次屬于維護結構面板，第二個層次為與面板直接相連的支撐骨架，主要包括口200×100×12的矩形鋼管橫梁和口250×100×12立柱，這個層次屬于維護結構支承構件，第三個層次是用來支撐維護支承結構的鋼桁架，這部分鋼架系統所屬的范疇比較含糊，因為它即可屬于維護結構的支撐體系，也可以屬于主體結構體系，這主要看這部分結構是由誰設計，如果是主體結構考慮設計的范圍，那么這部分屬主結構，如果這部分是由外圍護結構公司負責的，那么這部分內容就屬于維護支撐結構范疇。

本系統鋼桁架由與設計院合作的鋼結構公司設計和施工，故屬主體結構，由于外維護結構不承受主體結構傳遞的荷載，這樣幕墻的四性測試方案設計就非常簡單，只需要做一個較小的包含了完整維護結構面板和在桁架間的維護結構橫梁和立柱的幕墻板塊系統。

不過由于在幕墻方案設計過程中，與桁架相連部分的幕墻面板并未做成與幕墻橫梁連接，再通過橫梁與桁架連接的方法，而是直接把面板連到鋼桁架上（見圖2），這樣就使得原本結構體系清晰的系統變得復雜起來，幕墻設計的基本原則是面板不能直接與主結構相連的，直接相連意味著外維護體系將受到主結構傳遞過來的荷載影響，這樣就必須把整個跨約22m的鋼桁架作為維護結構的支撐體系一體考慮，鋼桁架屬于四性測試的對象。

圖1　B系統分區平立剖面圖及選取計算結構部位

圖2　幕墻面板與鋼構桁架連接節點圖

2　滿足現實條件測試方法設計思路

對于橫向跨度達到約22m的鋼桁架，受測試場地限制無法提供這樣大的場地，且中庭幕墻立面系統本身面積不大，按上述思路最少要做3榀桁架之間9m高度的幕墻區域，測試面積近200m2，包括材料，設施等價格費用更是不菲。

由此看來，要制作22m跨1：1的測試模型是存在很大的困難的，如果按縮小比例建立測試模型是否可行呢？建立比例縮小模型，在大型建筑，橋梁工程的結構設計中被廣為使用，但是作為幕墻四性測試，當前很少能看到有這樣的完整測試方法。通過仔細分析，我們發現縮小比例模型對于幕墻測試主要存在以下問題：①需要對構件截面進行縮小，縮小到什么程度，理論縮小后型材截面，無論是鋼型材，還是鋁型材，是否有對應的截面型材，對于鋁型材可能需要額外開模。②縮小后的截面型材構件之間的連接與原模型有著很大的差異，連接是否也要，縮小后連接能否反映原來的連接形式都很難證實。④縮小后的模型玻璃面板大小也縮小了，所以其面板的厚度也要適當縮小，這樣就存在玻璃面板厚度如何縮小，縮小后面板的測試還能是實際情況的真實反映？⑤縮小比例后，施加的荷載也需要按模型比例適當放大，由于水平方向風荷載與豎直方向荷載對結構影響是不一致的，這會導致兩者荷載增加比例不一致，特別是重力方向，需要增加額外自重荷載，這將對整個模型體系的繼承性帶來很大的問題。⑤由于跨度縮小，桿件變形也將以4次方比例縮小，模型結構構件變形很小，對測試精度要求大為提高，稍微不精準將會對結果產生很大的偏差。

綜上分析，縮小比例模型是一種適合對單一結構構件測試的方法，而幕墻四性測試需要對面板，構件，面板與構件連接，構件與構件連接等這些承載力，以及玻璃面板，構件變形撓度這一系列做整體測試，還要對幕墻的水密性，平面位移性能進行測試，所以一個縮小比例的模型無法完整的完成所有項次測試，需要對不同項次做針對性的獨立設計測試項次。這樣就背離了簡化測試設計的初衷，所以就目前而言，縮小模型比例做為幕墻四性測試完整解決方法并不成熟，我們需要的是一種能夠在一個模型中完成所有項次的測試方法。

現在回過頭來，由于是靠近桁架部位的面板板塊底部直接連到鋼桁架上，造成了幕墻結構與主體結構沒有適當的位移釋放，從而造成主體結構的位移對維護結構面板，桿件及連接產生局部影響，好在鋼桁架結構與建筑主結構之間是有位移釋放的（通過鋼結構設計中適當的構造措施設置予以實現），換言之，鋼桁架只承受維護結構和桁架結構本身的荷載，并不承受真正主體結構的影響，所以對鋼桁架在外荷載作用下分析計算，把鋼桁架在與維護結構直接相連的部位影響分析清楚后，只要把其影響作為維護結構的作用效應予以考慮，對于維護結構測試，就無需再建近22m跨的桁架模型，只需建兩個樓層高度，在鋼桁架中受到影響最大的分格區域圍護結構作為測試模型，并施加一系列附加效應作用的測試，從而模擬出鋼桁架對維護結構的影響，從而完成整個測試過程。

3　測試方法設計實施步驟及幕墻結構承載力分析

通過上述設計思路，我們設計的B系統測試是針對面板，維護支撐結構，連接件承載力及性能做的測試方法，并考慮因部分玻璃面板通過壓塊直接到鋼桁架上，導致鋼桁架由風荷載產生的變形反過來玻璃面板產生的不利影響。此方法并不包含對視作主結構一部分的鋼桁架及拉桿系統的測試。

設計方案取4.5m跨，分格寬度為2.9m×2（共兩個玻璃面板板塊），作為測試的模型，立柱頂底各用一根矩形鋼管連接到兩邊試驗結構上，用來模擬鋼結構桁架，因為測試模型只是屬于兩榀鋼桁架中局部區域的維護結構，試驗時單單施加風荷載不能讓模擬桁架的鋼橫梁產生足夠的變形量，達到實際工程中鋼桁架對玻璃面板影響的效果，故除了施加風荷載外，需要另外在底部鋼梁一端施加一個支座位移，模擬鋼桁架實際的變形撓曲線，使得鋼梁變形對直接相連面板產生等值或更大的效應，從而達到模型測試目的。

首先對實際工程中，對維護結構及鋼桁架整體建模計算，對鋼桁架在水平方向荷載作用下變形形態進行分析，大跨度橫向鋼梁桁架由鋼管口280×150×12與中間支撐桿件鋼管口150× 150×10焊接而成，跨度為21.5m，連接鋼梁桁架之間由豎向拉桿連接（拉桿φ40），幕墻結構荷載通過鋼梁桁架之間幕墻鋼立柱（鋼管口25×100×12）連接，幕墻鋼立柱間為幕墻鋼橫梁（鋼管口200×100×12），鋼梁之間均為鉸接，鋼結構桁架桁架兩端支座為鉸接。選取中間三跨鋼桁架部位區域作為幕墻支撐結構進行計算（區域見圖1）。計算模型見圖3。

使用有限元分析軟件Autodesk Robot Structural Analysis Professional 2014對中間跨鋼桁架在強度校核組合荷載設計值下的變形見圖4。

圖3　包含桁架結構的工程計算模型及邊界條件

圖4　包含桁架結構的工程計算模型中間跨變形

其中撓度變化最大的區域見圖5。

圖5　包含桁架結構的工程計算模型中間跨變形（變化最大局部區域）

所以測試方法中，在測試強度的時候（最大荷載設計值下），對底部模擬鋼桁架的鋼管一段施加一個大小大于等于25.5mm的位移，與風荷載方向一致的位移，從而間接模擬主鋼桁架結構的變形對幕墻體系的影響效果。

設計的測試方法大樣圖見圖6。

圖6　四性測試大樣圖

設計的測試方案計算模型見圖7。

圖7　四性測試計算模型及邊界條件

注意，此方法中并不包含桁架部分的測試，測試中的頂底鋼梁只是用來模擬桁架局部變形的一個替代構件。模擬與鋼桁架接近的撓曲線變形，替代鋼梁的一端與測試站結構連接為固接，另外一端為鉸接，測試方法絕大部分與普通測試方式一樣，只是在最后需要增加一個步驟，即在幕墻承載力測試最大設計荷載作用下，替代鋼梁需施加一個與風荷載方向一致的26mm的支座位移，從而模擬桁架結構變形對幕墻結構的影響，通過計算分析得到，在選用口220×100×8方管為替代鋼梁的情況下，在最大組合荷載和支座位移下，該區域的變形與實際模型的變形比較接近，可以作為驗證實際模型影響效應的替代方法。測試模型的變形見圖8～9。

圖8　測試模型桿件在最大組合荷載設計值下的變形

圖9　變化最大局部區域變形圖

與實際模型該區域圖6相比較，變形曲線及大小差不多，受力條件相對實際模型基本一致，可以視為實際模型的替代試驗模型。

使用上述模型計算，桿件的最大應力見圖10。

圖10　測試模型桿件在最大組合荷載設計值下的應力

從圖10可以看出，桿件最大應力為150MPa，按此方案測試各桿件能夠滿足強度要求，方案本身結構安全性沒有問題。

圖11　測試模型桿件在最大組合荷載設計值下的支座反力圖

由圖11看出，支座部位需要施加18.66kN的作用力，才能讓支座處產生26mm的支座位移，固接處的最大支座反力為：Ry= 36.68kN，Mz=52.24kN·m

頂底替代鋼梁與測試站結構連接節點需要滿足計算模型的要求，即一端固結，一端鉸接，鉸接部位應能承受26mm的附加位移，設計的節點見圖12。

圖12　鉸接點部位連接節點設計詳圖

圖13　固接點部位連接節點設計詳圖

固結部位所有連接要能承受上述剪力和彎矩作用，設計節點見圖13。

其他性能測試步驟與一般幕墻基本一致，這里就不再闡述。

4　測試方法附加位移對玻璃面板影響承載力分析

使用有限元分析軟件Autodesk Algor Simulation Professional 2011分析鋼梁變形對玻璃面板產生的附加應力。

計算模型中，首先設置玻璃面板與鋼梁為粘合狀態（面板與桿件連接部位不釋放任何方向位移和彎矩），以此用來放大鋼桁架變形對玻璃面板產生的附加應力（尤其是接觸邊緣），其次，模擬實際工程中對玻璃面板影響最大區域鋼桁架結構變形，玻璃面板使用鋼梁一體的有限元計算模型頂底的橫向主鋼梁采用懸臂梁模式，并在懸臂端施加一集中力，使頂底橫梁在懸臂端的變形達到規定要求的26mm左右。

計算模型見圖14。

鋼梁框架圖，其中三角形部分為固結點，圓形的為桿件間鉸接釋放點。頂底鋼橫梁施加的作用力，使得在懸臂端產生26mm的位移量。

鋼梁和面板一體示意計算模型，其中玻璃面板按等效合度10.206mm輸入。

圖14　面板單元與桿單元耦合在支座位移荷載作用下計算模型示意圖

圖15　支座部位施加產生26.04mm位移的荷載后桿件和面板的變形圖

面板由于桿件變形產生的應力云圖如圖16。

圖16　支座部位施加產生26.04mm位移的荷載后桿件和面板的Von-mises應力圖

從圖16看出，由桿件變形使得玻璃面板的最大附加應力最大約為9.62MPa。

玻璃面板在水平方向組合設計值3.94193kPa作用下的計算模型：

計算模型同上，改懸臂端為鉸接，改節點荷載為玻璃面荷載（圖略）。

變形圖如圖17。

玻璃面板應力圖如圖18。

圖17　面板單元與桿單元耦合在水平荷載作用下桿件和面板的變形圖

圖18　面板單元與桿單元耦合在水平荷載作用下桿件和面板的Von-mises應力圖

由于面板與結構構件沒有釋放，玻璃在面板邊緣出現最大應力，最大應力約為34.5MPa，基本與公式計算約為33.78MPa接近。

當在上述荷載作用下，再加上支座位移26mm產生的附加應力9.62MPa，偏保守簡單疊加計算后，玻璃面板的最大應力為：34.5+9.62=44.12MPa<56MPa（半鋼化玻璃），玻璃的強度滿足設計要求，玻璃面板的強度滿足設計要求，測試設計方案玻璃承載力沒有問題。

5　設計方法總結和對測試方法拓展及發展探討

此測試方法最初打算按近22m跨1：1模型設計，后曾考慮按微縮比例模型進行設計，但考慮到比例模型設計的復雜性和需設計多個測試內容才能完成要求，故放棄這樣的設計理念，但是作為一種測試手段，微縮模型測試也是今后幕墻的單項測試發展方向，尤其是結合計算機模擬技術，可以非常有效的對大尺寸維護結構承載力模擬并用試驗的方式進行校核。

本測試方法設計尚有不少細節內容值得深入研究，如鋼桁架變形對結構膠的影響，玻璃副框與鋼桁架的連接在主結構位移作用下能夠消化多大比例的影響，完善這些內容研究將有助于這種設計思路在廣大幕墻工程中的推廣，如單索幕墻，索結構變形的不一致對玻璃面板及連接會產生什么影響，采用何種技術措施來避免這種不利的影響，都應可以通過測試手段來予以檢驗。

從這個幕墻測試方法設計及制定的過程中，我們可以發現，幕墻的四性測試已經不完全是傳統測試與實際工程完全一致的模型測試，部分項次采用了間接測試的手段用以模擬了因條件限制而不可能達到的邊界條件，測試是一種用來校核工程安全性，可靠性的手段，在任何形式維護結構系統都是在不斷優化的過程中得以完善的情況下，測試方法，手段乃至測試精度的提高都是今后發展的方向，雖然我們這個模擬不是非常復雜，本文在測試方法制定思路并不復雜，但是作為有類似狀況的維護結構系統的測試提供了一個新的思路，如何在更廣泛的場合下運用，這些都是我們今后研究的方向。

表1　一般維護直接抗風壓性能測試與間接抗風壓測試比較

[1]中華人民共和國國家標準《建筑幕墻》（GB/T21086-2007）.北京：中國標準出版社，2008，2.

[2]中華人民共和國行業標準.《玻璃幕墻工程技術規范》（JGJ-2003）.北京：中國建筑工業出版社，2003，12.

[3]中華人民共和國國家標準.《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）.北京：中國建筑工業出版社，2012，9.

[4]上海市工程建設規范.《建筑幕墻工程技術規范》（DGJ108-56-2012）.上海市建筑建材市場管理總站，2011，8.

[5]建筑結構靜力計算手冊（第二版）.北京：中國建筑工業出版社，1998，9.

[6]建筑結構試驗.上海：同濟大學出版社，1996，1.

TU767+.5

A

1673-0038（2015）19-0134-05

2015-4-12

徐雁（1972-），男，工程師，本科，主要從事幕墻工程結構設計工作。