基于數值分析的曲面玻璃幕墻支撐體系設計

周桂香，周 寅

（1.泰州職業技術學院建筑工程系，江蘇泰州 225300；2.中國江蘇國際經濟技術合作公司，江蘇南京 210008）

基于數值分析的曲面玻璃幕墻支撐體系設計

周桂香1，周 寅2

（1.泰州職業技術學院建筑工程系，江蘇泰州 225300；2.中國江蘇國際經濟技術合作公司，江蘇南京 210008）

梅花形曲面玻璃幕墻的設計為無錫新區科技交流中心工程項目的難點之一。采用0-4評分法綜合評分選定“剛性挑梁支撐體系”為曲面玻璃幕墻的支撐體系實施方案。應用SAP 2000有限元分析軟件，進行7種工況條件下的數值分析，依據內力和變形的分析結果，進一步進行幕墻節點和面板系統的設計，確保曲面玻璃幕墻的支撐結構體系順利實現。

曲面玻璃幕墻；支撐體系；SAP 2000軟件；內力；變形

1 工程背景

無錫新區科技交流中心位于無錫市新區震澤路以北，科技北路以南，科技西路以東，科技東路以西的中心地塊上，是地標性、大空間的公共建筑，總建筑面積約3.6萬㎡。該建筑主體為鋼筋混凝土框架結構，地下一層，地上三層，局部四層，檐口標高最矮處為12.9m，最高處為31.2m。屋面結構層為鋼結構單層網殼和索穹頂，裝飾層為連續起伏的雙曲面鋁合金表面，建筑外觀設計為梅花（圖1），造型獨特，象征無錫市花，富有時代感和科技特色。建筑的周邊裹以晶瑩剔透的梅花形體點支式玻璃幕墻[1]，其展開面積近10000㎡，在9m標高的景觀走廊處將弧形玻璃幕墻分成上下兩段：9m標高以上的幕墻部分挑出主體結構5m左右；9m標高以下的幕墻部分向內縮進2-3m。梅花形曲面玻璃幕墻的設計為本工程的特色和難點之一。

圖1 建筑效果圖

2 曲面玻璃幕墻支撐體系的比選

由于沿建筑周邊設計了懸挑的景觀走廊，科技交流中心的曲面玻璃幕墻支撐體系的方案設計是一個技術難點。由設計院、業主、項目管理公司先后共提出過4種傳力體系設計方案，針對曲面點支式玻璃幕墻支撐體系的4種設計方案，著重對比分析建筑效果（A）、結構傳力（B）、幕墻變形（C）、施工難度（D） 和工程造價（E） 5項內容。采用0-4評分法確定5項內容的權重系數。然后，組織專家評委對4個方案的5項內容進行分析并且評分，最終選用的實施方案為剛性挑梁支撐體系，如圖2所示，將景觀走廊的徑向挑梁設計為實腹式鋼梁，而且將根部剛節點按鋼結構框架的剛性節點設計，使剛性挑梁同時承擔景觀走廊、上部幕墻和下部幕墻的荷載。

圖2 曲面幕墻的結構剖面圖

3 數值分析

通過前述的0-4評分法綜合評分確定的最優方案為“剛性挑梁支撐體系”，這種曲面玻璃幕墻的支撐體系為超靜定結構，景觀走廊的懸挑鋼梁和其下方的鋼管柱是重要的受力構件，其變形將影響整個體系的受力和變形，由于懸挑梁和鋼管柱沿梅花形周邊布置，簡化的平面計算模型無法準確計算各構件的受力和變形，因此，采用SAP 2000有限元分析軟件建立空間三維模型（圖3） 進行整體分析[2]。

圖3 梅花形三維計算模型

（1）三維建模主要考慮的因素

模型總節點數為2288個，模型總單元數為3449個，9m以下立柱按照柱單元模擬（Column），9m平臺梁按照梁單元模擬（Beam），9m以上立柱按照柱單元模擬（Column），空間環梁按照梁單元模擬（Beam），空間支撐單系桿按照支撐單元模擬（Brace），交叉支撐按照壓彎構件梁（Beam） 考慮。梁單元（Beam） 均考慮按照壓彎構件選項。鋼材的應力限值，按板厚不同分別取205Mpa和215Mpa。

支座連接形式模擬：

1）底層立柱：因立柱頂端基本上附屬于整個混凝土結構上，側向變形均<5mm，不考慮上下支座的嵌固作用，均采用鉸支座模擬。

2）平臺主挑梁與混凝土立柱連接采用剛接支座，平臺次梁與混凝土梁連接采用鉸接支座。

3）三層立柱下支座與平臺梁采用鉸接支座，上支座與空間環梁因考慮施工中穩定的穩定性采用半剛接連接，結構計算采用鉸接連接形式，計算差別不大沒有影響。

4）空間環梁與空間環梁之間采用剛接連接。

5）空間交叉支撐采用剛接連接，與支座采用鉸接支座。

（2） 荷載的輸入

1）結構的靜荷載G桿件的自重、玻璃自重（包括配件自重）部分等效為線荷載；

2）結構活荷載雨棚取0.50K N/㎡；三層走廊取2.50KN/㎡（局部入口取3.5KN/㎡）

風荷載（計算主構件時βg z按照βz按照鋼結構規范根據《建筑結構荷載規范》取，μs按照μs 1=-2.0考慮）

3） 風荷載計算公式：WK=βgz×μz×μs×

W0

其中：WK——作用在幕墻上的風荷載標準值 （K N/㎡）

βgz——瞬時風壓的陣風系數，按《建筑結構荷載規范》 GB 50009-2001（2006版） 取定。

μZ——風壓高度變化系數，按《建筑結構荷載規范》 GB 50009-2001（2006版） 取定，根據不同場地類型，按以下公式計算：

μS——風荷載體形系數，按《建筑結構荷載規范》 GB 50009-2001（2006版） 及概率統計理論的最大值（見湖南大學風工程試驗研究中心之無錫新區科技交流中心風荷載試驗研究報告）

W0——基本風壓，取為0.45K N/㎡

設計風壓不利值三層以下取1.00K N/㎡、三層以上1.53K N/㎡

4） 溫度荷載取40度。

（3） 荷載組合

考慮7種主要控制工況進行強度驗算：

（4） 變形驗算控制

剛度驗算時，按上述7種主要控制工況，分項系數均按1.0取用，恒載有利可取0.9。結構位移限值：懸挑梁△

（5） 空間穩定措施

為了確保梅花形玻璃幕墻的結構體系空間穩定，在景觀走廊上空的混凝土環梁處設置水平鋼結構支撐Z C 1和Z C 2（圖4），由于“梅花”的花瓣尖端附近結構受力復雜，因此在該處采取密布水平支撐的構造措施。

圖4 幕墻鋼結構的水平支撐

（6）數值分析的主要結果

表1 內力分析主要結果表

限于篇幅，僅給出最大軸力（圖5）和最大彎矩（圖6）的內力圖。依據數值分析的內力結果，進一步對連接節點進行設計，確保鋼結構支撐體系與混凝土結構的連接安全可靠。

圖5 底層柱DL+WL軸力圖（最大420KN）

圖6 三層走廊DL+WL彎矩圖（最大894KN.m）

表2 變形分析主要結果表

限于篇幅，僅給出最大變形（圖7）。依據數值分析的變形結果，進一步對玻璃面板系統進行設計。

圖7 上層柱DL+WLx最大變形圖（40.52mm）

4 結語

應用SAP 2000有限元分析軟件，進行多工況條件下的數值分析，確保梅花形曲面玻璃幕墻的支撐結構體系受力狀態和變形控制在結構安全限制范圍內。

[1]蔣鳳昌.點支式玻璃幕墻的結構計算與優化研究[D].鎮江:江蘇大學,2003.

[2]北京金土木軟件技術有限公司.SAP 2000中文版使用指南[M].人民交通出版社,2008.

Design of the Support System for Curved Glass Curtain Wall Based on Numerical Analysis

ZHOU Gui-xiang1,ZHOU Yin2
（1.Taizhou Polytechnic College,Taizhou Jiangsu 225300,China;2.China Jiangsu International Economic Technical Cooperation Corp.,Nanjin Jiangsu 210008,China）

It is very difficult to design the plum blossom-shaped curved glass curtain wall for Wuxi New District Science&Technology Communication Center.The 0-4grade method has been adopted to choose the rigid cantilevered beam supported system as an executive project.The SAP2000software is applied to analyze the support system under seven work conditions so as to obtain analysis results of internal force and distortion for further design of curtain wall detailing and plate system.Well-off realization of the support system for curved glass curtain wall is based on numerical analysis.

curved glass curtain wall;support system;SAP2000software;internal force;distortion

TU 242文獻標設碼：A

1671-0142（2011）02-0052-03

周桂香（1965-）,女,江蘇泰興人,副教授,高級工程師,工程碩士.

（責任編輯劉 紅）