關于鏤空雙層幕墻對高層建筑結構風響應的影響分析

高 博 重慶市設計院有限公司

1 前言

鏤空幕墻具有良好的外觀，應用范圍較為廣泛，尤其是高層建筑，可以增加建筑的美觀性，使建筑符合現代化設計的要求。風響應是影響幕墻安全性的重要因素，需要做好幕墻風響應分析工作，使幕墻具有較強的抗風特性，降低風力對幕墻的影響，使幕墻的結構更加地穩定。幕墻風響應需要以試驗的方式進行分析，使分析過程更加地具有根據性，使幕墻風響應影響得到有效驗證。

2 鏤空雙層幕墻概述

鏤空雙層幕墻具有保溫、美觀等特點，在高層建筑中被廣泛應用，可以對建筑墻體結構進行完善。幕墻鏤空層對氣流具有引導作用，可以將風力進行分散，使幕墻結構受力能夠被分散，可以防止幕墻受力過于集中，導致幕墻結構風響應較大，影響幕墻結構的穩定性。

通常情況下，橫向風對幕墻的影響較大，需要通過試驗的方式確定影響范圍，使風力對幕墻的影響能夠得到控制，保障幕墻能夠安全地投入使用。通過鏤空雙層幕墻，可以有效實現風荷載的降低，使幕墻可以更好地適應風力環境，使其具有更高的抗風能力，防止幕墻承受風荷載多高而出現損耗。為了保證幕墻的安全性，需要對幕墻進行風響應試驗，對幕墻的氣動力、風載荷等進行分析，以此來對幕墻風響應特性進行判斷，使幕墻能夠在風力環境下穩定工作，使風響應影響能夠得到有效的控制，消除幕墻使用中存在的安全隱患。

3 鏤空雙層幕墻風振控制分析

3.1 控制方案

為了降低風響應對幕墻的影響，需要對幕墻的風振控制進行分析，使幕墻在高層建筑中更加地穩定，保障幕墻控制方案更加地具有作用。通常情況下，高層鏤空雙層幕墻需要采用能耗方案進行控制，使其具有良好的受力特征，對幕墻結構的穩定性提供重要保證。例如：可以采用內置式粘彈性阻尼器進行風振控制（如圖1），使幕墻具有良好的結構剛度，對風響應形成有效地控制，讓幕墻能夠對風力進行削弱，進而降低風力對幕墻結構的影響。

阻尼器一般安裝在幕墻結構內，對其內表面形成作用，隨著風力的增加，阻尼力會隨之增大，對幕墻的位移進行有效的限制，保障幕墻結構的穩定性。受到外界環境的影響，阻尼器容易發生老化現象，需要對其采取防老化措施，降低高溫、雨水等對阻尼器的影響，保障阻尼器能夠穩定工作。因此，制定有效的幕墻控制方案較為重要，可以使幕墻結構表現出良好的穩定性，增強幕墻對風響應的抗性[1]。

圖1粘彈式阻尼器

3.2 基本原理

風振控制可以降低風響應對幕墻的影響，使幕墻具有穩定結構特征，能夠更好地發揮抗風效果。粘彈性阻尼器是提高幕墻抗風能力的關鍵性結構，可以對幕墻起到良好的支撐作用，提高幕墻自身結構的穩定性。幕墻風振控制原理如下：在阻尼器的作用下，幕墻將會產生脈動分力，使其形成風振加速度響應，對風力起到一定的阻礙作用，使風響應影響得到控制。在脈動風力與阻尼器的作用下，幕墻的風振控制效果將會增強，能夠對風力形成較強的阻礙作用，進而充分發揮風振控制的優勢。風振控制效果可由風振系數進行衡量，風振系數=風壓/靜壓，符合風荷載計算的標準。通過風振系數可以有效地對風響應進行分析，使幕墻的強度符合要求，保障幕墻具有較強的荷載特性，使其結構更加地穩定。在風響應作用下，幕墻將會產生一定量的位移，一旦位移量過大或不能及時恢復，將會對幕墻結構的穩定性造成影響，因而對其進行風振控制非常重要。

4 鏤空雙層幕墻風洞試驗

4.1 試驗模型

鏤空幕墻風響應需要通過風洞試驗進行分析，這樣可以保障分析結果更加地精確，實現良好的分析效果。風洞試驗需要以高層建筑幕墻模型作為依據，為此，需要對幕墻模型進行構建，通過模型來模擬幕墻實際受力狀況，使風影響能夠得到有效的分析，保障分析結果的有效性。以某建筑幕墻為例，建筑物高為86m，屬于辦公樓項目，采用鏤空雙層幕墻結構設計。為了對幕墻進行模擬，需要以工程作為依據，構建比例為1∶300的模型，通過該模型進行風洞試驗，以此來對風響應效果進行評估，保障幕墻具有良好的風響應特性。系統內外墻間距為5m，墻體結構較為封閉，外墻處于鏤空狀態，對幕墻結構具有較大的影響。對幕墻進行測試，鏤空率約為41.64%，幕墻受到的風響應影響較大。為了降低幕墻的鏤空率，需要對鏤空進行封堵，使幕墻具有良好的抗風效果，進而保障幕墻結構的合理性，使幕墻能夠更好地應對風力環境。

4.2 流場設置

為了更好地模擬實際風力情況，需要做好模型的流場設置工作，合理地對流場參數進行配置，提高風洞試驗的有效性。流場設置流程如下：需要對風洞環境進行構造，提高試驗環境與實際風力情況的匹配度，使風洞試驗效果更加地真實。本試驗將風速控制在8m/s～10m/s之間，對風力條件進行模擬，使風速能夠實際情況最大化匹配，使風響應對幕墻影響得到有效分析。在自然因素影響下，風向存在著多變性，需要在不同風向條件下對建筑幕墻模型進行試驗，從0°～90°之間選擇10個風向角進行測試，對風向變化進行全面的模擬，使風洞試驗結果更加地可靠。為了保證分析過程便于描述，需要對風洞試驗坐標進行建立，由于風洞試驗對象為建筑幕墻，可以將建筑底部中心作為坐標原地，建立x軸、y軸、z軸三個方向的坐標系，這樣便可以使風洞試驗描述、計算等更加地方便，提高幕墻模型分析的效率[2]。

5 鏤空雙層幕墻風響應分析

5.1 鏤空雙層幕墻氣動力影響

為了對幕墻氣動力影響進行分析，需要對剪力系數進行求解，計算公式如下：

由于風向具有不確定性，需要對不同方向建立系數進行計算，方向角范圍在0°～90°之間，為了保障求解的準確性，需要將不同方向角下的剪力系數求解5次，再對平均值進行計算，進而確定剪力系數的值，保障建立系數求解的精度。以CFx求解為例，當風向角為20°時，可得到5次求解結果（如表1），可以將1.27作為CFx的最終結果。當方向角為其他值時，求解同理。每10°進行一次求解，可得到對應的CFx的值如表2所示。以風向角為x軸，CFx為y軸，可以繪制兩者的關系曲線（如圖2）。對其進行探究，可得到如下結論：第一，當風向角為0°時，CFx最大；當風向角為80°時，CFx最小；當風向角為90°時，CFx為0。第二，當風向角為90°時，風振影響較為劇烈，幕墻受到氣動力的影響較大。

表1求解結果（風向角20°）

表2求解結果（風向角其他值）

5.2 鏤空雙層幕墻氣動力頻譜

為了對氣動力的影響進一步分析，需要建立幕墻氣動力圖譜，對氣動力進行更加確切地分析。首先，建立x軸，通過公式fB/UH進行求解。然后建立y軸，通過公式fS進行求解。最后得出氣動力的圖譜，對圖譜進行分析。其中，fB/UH為約化頻率，fS為功率譜。由氣動力頻譜可以得到如下結論：第一，當約化頻率小于0.10時，橫向傾覆力矩譜值降低，且下降趨勢較大。順風向圖譜隨著約化頻率的增大，fS值將逐漸減小，下降的速率較快。建筑橫向氣動力受到氣流旋渦的影響，將會導致氣動分離的現象發生，需要由外層鏤空層進行過濾，使氣動力的影響能夠控制在較低水平，保障幕墻能夠處于穩定的工作狀態，使幕墻的氣動力頻譜具有良好的特性。

圖2風向角與CFx（均值）關系曲線

5.3 鏤空雙層幕墻風響應特性

風力對幕墻的影響可以通過風響應特性進行分析，風響應表達式如下：

風響應特性需要通過上式進行分析，確定幕墻的響應變化規律，使幕墻受到的風力影響研究更加地透徹。幕墻對順風向響應效果較弱，可以降級順風向影響對幕墻的損害，使幕墻能夠在順風向響應中保持平穩的狀態。幕墻對橫風向響應效果較強，對幕墻的危害較為嚴重，會引起幕墻發生較大的位移變化，需要降低橫風向響應對幕墻的影響，使幕墻具有良好的風振特定。為了解決橫風向響應問題，需要風響應減振效率進行分析，使風振能夠得到有效的控制，降低位移對幕墻的影響，使幕墻能夠具有穩定的結構。當約化風速大于10.5m/s，風振折減率在0.5～0.6，使風振效率得到有效的控制。需要減少橫風向風振效率，使幕墻能夠具有穩定的結構。

5.4 鏤空雙層幕墻結構荷載分析

結構荷載對幕墻穩定性具有較大的影響，需要對其進行分析，保障幕墻結構的受力穩定性，使幕墻能夠更好地投入使用。在風響應作用下，幕墻結構的穩定性將會發生變化，一旦幕墻位移較為嚴重，將會對幕墻結構造成破壞。順風向約化荷載的影響不夠顯著，對幕墻的影響較低。但橫風向荷載影響具有顯著影響，一旦風響應作用力超出幕墻荷載范圍，將會對幕墻結構造成損害，因而需要對橫向風荷載進行抑制，使幕墻荷載結構更加地穩定，提高幕墻的風響應特性。當約化頻率較低時，順風向對幕墻荷載影響較大；當約化頻率較高時，橫風向對幕墻荷載影響較大。在橫風向條件下，幕墻剪力折減率為0.49，具有較為明顯的影響。

6 結束語

綜上所述，幕墻是高層建筑墻體的重要材料，合理地進行應用，降低風響應對幕墻的影響，使幕墻結構更加地穩定。需要嚴格地進行對幕墻進行試驗，對幕墻的風響應特性進行分析，判斷幕墻能否對風力環境進行適應，保障幕墻能夠正常進行使用，保障幕墻結構具有良好的安全特征。