滑動式天窗屋蓋開合的數(shù)值模擬及現(xiàn)場監(jiān)測研究

何 曦

(四川大學(xué)建筑與環(huán)境學(xué)院， 四川成都 610065)

隨著社會的進(jìn)步和生活水平的提高，人們對居住生活環(huán)境的要求越來越高，綠色、環(huán)保成為了當(dāng)代建筑的發(fā)展趨勢。滑動式屋蓋是人們以向往大自然空氣、陽光和天空為動機，將不斷發(fā)展的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計理念和機械設(shè)備安裝技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，它是集建筑、結(jié)構(gòu)、機械、控制等諸多領(lǐng)域于一體的綜合技術(shù)的體現(xiàn)。開合式屋蓋建筑已然成為一個越來越重要的發(fā)展趨勢，我國著名建筑大師馬國馨院士更把開合屋蓋建筑稱之為第三代建筑[1-2]。在歐美、日本等發(fā)達(dá)國家，開合式屋蓋建筑的研究取得了輝煌的成就[3]。隨著我國綜合國力的增強以及體育的發(fā)展，也不斷涌現(xiàn)出大型的開合式屋蓋體育場[7-10]。國內(nèi)現(xiàn)已建成的大型開合屋蓋建筑有2000年建成的浙江黃龍體育場、2005年建成的上海旗忠網(wǎng)球館、2006年建成的南通體育會展中心以及2011年建成的鄂爾多斯東勝體育場。文章將結(jié)合貴陽市西南國際商貿(mào)城工程，對該工程某一區(qū)域的滑動式玻璃天窗屋蓋進(jìn)行數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測，確定玻璃天窗屋蓋是否具有良好的安全性和穩(wěn)定性。

1 工程概況

貴陽西南國際商貿(mào)城，位于貴陽市觀山湖區(qū)西南部，規(guī)劃面積約10 km2，總建筑面積約1 420×104m2，是一個集市場經(jīng)營、國際貿(mào)易、現(xiàn)代物流、電子商務(wù)、次級CBD于一體的大型綜合性商業(yè)集群，工程效果見圖1。該項目商業(yè)步行街采用開合屋蓋結(jié)構(gòu)，其上安裝可以整體平動開合的滑動玻璃天窗。玻璃天窗屋蓋采用鋼化夾膠玻璃作為防水層，與型鋼梁網(wǎng)架組合成獨立板塊，型鋼梁網(wǎng)架設(shè)置6組12個滑輪，并擱在下部主承重鋼梁上的軌道系統(tǒng)上，通過齒條傳動機構(gòu)和消防聯(lián)動系統(tǒng)自動啟閉，滿足采光、封閉、消防排煙要求；下部主承重構(gòu)件為伸臂式箱型鋼梁。屋蓋采用雙坡屋頂?shù)男问剑科_合屋蓋為(10.8×10.8) m2的正方形，由42塊鋼化夾膠玻璃作為防水層，每片鋼化夾膠玻璃重量為250 kg，防水層自重較大。每片開合屋蓋都由屬于自己的驅(qū)動設(shè)備控制其開閉運行，操作控制互不影響。

文章將以貴陽西南國際商貿(mào)城一期工程2#地塊為例對該區(qū)域的滑動式玻璃天窗屋蓋進(jìn)行數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測。2#地塊的玻璃天窗覆蓋面積為11 691.11 m2，玻璃天窗主骨架設(shè)計為鋼結(jié)構(gòu)，以相鄰單體的鋼筋混凝土柱作為下部傳力構(gòu)件，設(shè)計和施工考慮了地震、溫度等引起的水平位移。

圖1 貴陽西南國際商貿(mào)城項目一期工程效果

2 數(shù)值模擬

2.1 模型建立與荷載取值

為了了解滑動式天窗屋蓋在開閉過程中的受力情況，將滑動屋面與底部支承結(jié)構(gòu)分開，采用單獨分析方法，利用有限元軟件Midas 建模并進(jìn)行結(jié)構(gòu)受力分析，計算模型如圖 2所示。作用在鋼梁上的移動荷載可分為間距保持不變的幾個集中力和均布荷載，為了簡化問題，先分析單個移動荷載，再根據(jù)疊加原理分析多個荷載以及均布荷載作用的情況。由于移動荷載的作用位置是變化的，使得結(jié)構(gòu)的支座反力、截面內(nèi)力、應(yīng)力、變形也是變化的。因此，在移動荷載作用下，通過分析結(jié)構(gòu)內(nèi)力、反力或變形隨荷載位置移動而變化的的影響線來研究滑動天窗在開合運行狀態(tài)時的動力響應(yīng)。

圖2 Midas模型

2.2 結(jié)果分析

限于篇幅，僅給出部分雙拼工字型鋼梁各個控制截面的位移和彎矩的影響線(圖3～圖5)。分析各個控制截面及梁單端的內(nèi)力影響線計算結(jié)果，得出最大位移為0.002 mm，最大彎矩僅為2.62 kN·m。由以上數(shù)值模擬結(jié)果可以看出，玻璃天窗在開合運行過程中，對屋蓋鋼梁內(nèi)力和變形的影響很小。

圖3 雙拼工字型鋼梁單元i節(jié)點的位移影響線

圖4 雙拼工字型鋼梁單元i節(jié)點的彎矩影響線

圖5 雙拼工字型鋼梁單元1/2處的彎矩影響線

3 現(xiàn)場監(jiān)測

3.1 監(jiān)測內(nèi)容及設(shè)備

對滑動式天窗屋蓋施工過程及使用階段關(guān)鍵部位構(gòu)件進(jìn)行監(jiān)測，跟蹤結(jié)構(gòu)構(gòu)件施工過程中的內(nèi)力變化，可以確保屋蓋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。本項目通過對滑動玻璃天窗的鋼梁主要控制截面應(yīng)力、振動數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)測，分析其在玻璃天窗運動至不同位置時的應(yīng)力變化情況以及在不同受力狀態(tài)下振動信號和振動頻率的變化情況。本次監(jiān)測的設(shè)備如表1所示。

表1 試驗儀器及設(shè)備一覽

3.2 監(jiān)測方法及測點布置

(1)應(yīng)力監(jiān)測。根據(jù)2#地塊玻璃天窗的實際布置，選取A-B樓的屋頂為監(jiān)測對象，在A-B樓軸線為AK、AL的兩榀鋼梁上布置相應(yīng)的應(yīng)力測點。每榀鋼梁上各布置7個應(yīng)力測點(1#～14#)，分布在21.6 m跨鋼箱梁及10.8 m跨工字鋼梁的1/4、1/2、3/4等分點處。同時為明確AK、AL兩榀鋼梁之間的相互作用，在AK、AL兩榀鋼梁中跨跨中的系梁上布置2個應(yīng)力測點(15#、16#)，受現(xiàn)場測點安裝的條件限制，將布置在AK、AL兩榀鋼梁中跨跨中系梁上的15#、16#測點調(diào)整為AM、AN兩榀鋼梁邊跨跨中工字鋼之間的系梁上。應(yīng)力測點平面布置如下圖6所示。

圖6 應(yīng)力測點平面布置示意

應(yīng)力監(jiān)測工況分別為：①工況I：AK、AL兩榀鋼梁上的滑動天窗從邊跨工字鋼上(即天窗處于完全打開狀態(tài))滑移至中跨鋼箱梁上(即天窗處于完全閉合狀態(tài))。當(dāng)滑動天窗移動至相應(yīng)等分點且靜止穩(wěn)定后，采集相應(yīng)狀態(tài)下測點(1#～14#)的應(yīng)力數(shù)據(jù)。②工況II：AK、AL兩榀鋼梁上的滑動天窗從中跨鋼箱梁上滑移至邊跨工字鋼上，數(shù)據(jù)采集同工況I。③工況III：AM、AN兩榀鋼梁上的滑動天窗從中跨鋼箱梁上滑移至邊跨工字鋼上，當(dāng)滑動天窗移動至相應(yīng)等分點且靜止穩(wěn)定后，采集相應(yīng)狀態(tài)下測點(15#、16#)的應(yīng)力數(shù)據(jù)。

(2)振動監(jiān)測。 將拾振器布置于鋼箱梁和工字鋼的跨中位置，在滑動玻璃天窗處于打開、關(guān)閉兩個靜止?fàn)顟B(tài)下，測試鋼梁靜止?fàn)顟B(tài)下的固有頻率；在滑動玻璃天窗移動至鋼梁各個1/8等分點處，待鋼梁在相應(yīng)位置靜止穩(wěn)定時，分別測試各位置鋼梁相應(yīng)的脈動頻率。此外，在滑動玻璃天窗從完全關(guān)閉至完全打開以及從完全打開至完全關(guān)閉的滑移運動過程中，測試鋼梁的實時受迫振動豎向加速度值及頻率。

3.3 監(jiān)測結(jié)果及分析

3.3.1 應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果及分析

限于篇幅，僅給出在工況I下部分測點(8#～14#)的應(yīng)變數(shù)據(jù)如表2所示。根據(jù)表2，測點9#、12#的實測數(shù)據(jù)有較明顯的變化趨勢，選取以上典型測點繪制相應(yīng)的天窗位移—應(yīng)變圖，如下圖7、圖8所示。

表2 工況I實測應(yīng)變數(shù)據(jù)

圖7 測點9#工況I天窗位移-應(yīng)變曲線

圖8 測點12#工況I天窗位移-應(yīng)變曲線

分析監(jiān)測結(jié)果，當(dāng)天窗位于滑移軌道不同位置時，中跨鋼箱梁的實測應(yīng)變范圍為-101.9～118.0 με，邊跨工字鋼實測應(yīng)變范圍為-110.5～103.6 με，鋼箱梁間的連系梁及玻璃天窗網(wǎng)架的應(yīng)變并不隨滑移位置變化而產(chǎn)生變化，可忽略不計。結(jié)果表明，現(xiàn)場監(jiān)測的應(yīng)變范圍均在鋼材的彈性應(yīng)變范圍，其應(yīng)力范圍也小于鋼材的屈服強度，能保證滑動式天窗鋼梁的結(jié)構(gòu)安全運行條件，即使滑動天窗頻繁開合，其往復(fù)荷載也不易使鋼結(jié)構(gòu)箱梁和雙拼工字梁到達(dá)疲勞極限。

3.3.2 振動監(jiān)測結(jié)果及分析

(1)脈動頻率實測數(shù)據(jù)。在工況I測試過程中，僅考慮天窗位置的改變而不考慮天窗的運動效應(yīng)，天窗處于不同位置時均為靜態(tài)不動，實測鋼梁的頻率即為脈動頻率(一階豎向固有頻率)。對工況I各不同狀態(tài)進(jìn)行測試，得到各工況下脈動實測頻率數(shù)據(jù)，如表3所示。在脈動狀態(tài)下，鋼梁由脈動引起的豎向加速度極小(<0.005 m/s2)，故表中未列出相應(yīng)狀態(tài)下拾振器的實測加速度值。由于脈動頻率測試狀態(tài)較多，僅示出中跨跨中脈動實測波形及頻譜分析，如下圖9、圖10所示。

表3 各工況脈動頻率測試數(shù)據(jù)

圖9 中跨跨中拾振器實測時程曲線

圖10 中跨跨中拾振器頻譜分析

(2)強迫振動實測數(shù)據(jù)。當(dāng)滑動天窗開始運動，鋼梁受天窗滑移影響產(chǎn)生強迫振動，振動頻率及幅值均明顯與脈動測試不同。天窗從完全打開至完全閉合以及從完全閉合至完全打開兩個過程中，實測鋼梁的強迫振動頻率及豎向加速度值如表4所示。限于篇幅，僅給出滑動天窗從完全打開至完全閉合過程中，中跨的拾振器實測時程曲線及相應(yīng)的頻譜分析圖如下圖11、圖12所示。

表4 移動過程中實時振動測試數(shù)據(jù)

圖11 中跨跨中拾振器實測時程曲線

圖12 中跨跨中拾振器頻譜分析

分析監(jiān)測結(jié)果，當(dāng)天窗位于滑移軌道不同位置時，中跨鋼箱梁實測脈動振動頻率范圍為10.74～14.65 Hz，邊跨工字鋼實測脈動振動頻率范圍為10.16～11.13 Hz。在天窗滑移過程中，中跨鋼箱梁由滑動引起的最大豎向加速度為0.304 m/s2，實測強迫振動頻率為13.87 Hz；邊跨工字鋼由滑動引起的最大豎向加速度為0.089 m/s2，實測強迫振動頻率為8.98 Hz。結(jié)果表明，玻璃天窗由于構(gòu)件安裝誤差導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)次生應(yīng)力很小，玻璃天窗運行過程中的豎向加速度也控制在安全范圍內(nèi)，能確保玻璃天窗安全開合運行。

3.4 數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測對比分析

通過數(shù)值模擬得到屋蓋鋼結(jié)構(gòu)箱梁和雙拼工字梁隨玻璃天窗滑動的影響線。表5所示為兩根鋼箱梁連接處(節(jié)點20)的影響線控制節(jié)點位移數(shù)值。以滑動天窗在(0/8)×L處的豎向位移為基準(zhǔn)，按照現(xiàn)場監(jiān)測的分段方式，求出滑動天窗每行走(1/8)L距離時，節(jié)點20處的相對位移(單位力作用下的位移值，單位mm)，如圖13所示，分析發(fā)現(xiàn)其與圖8所示的現(xiàn)場監(jiān)測應(yīng)變結(jié)果有著相似的變化規(guī)律。同時，分析表5可知，當(dāng)滑動天窗運行至(8/8)×L時，節(jié)點20處的相對位移最大，這和現(xiàn)場測試結(jié)果類似。

表5 節(jié)點20影響線控制節(jié)點位移數(shù)值

圖13 鋼箱梁節(jié)點20處滑動天窗豎向位移曲線

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬和現(xiàn)場監(jiān)測分析了滑動式天窗屋蓋在開合過程中的受力變形和振動情況，得出以下結(jié)論：

(1)數(shù)值計算所得的屋蓋鋼結(jié)構(gòu)箱梁和雙拼工字鋼梁隨著玻璃天窗滑動時的位移影響線曲線和現(xiàn)場監(jiān)測的位移-應(yīng)變曲線有著相似的變化規(guī)律。

(2)數(shù)值模擬的最大位移和最大彎矩均很小，可見玻璃天窗得開合運動對屋蓋鋼梁內(nèi)力和變形的影響很小；現(xiàn)場監(jiān)測的應(yīng)變遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于鋼材的彈性應(yīng)變，應(yīng)力也遠(yuǎn)小于所用鋼材的屈服強度，可見即使滑動天窗頻繁開合，其往復(fù)荷載也不易使鋼結(jié)構(gòu)箱梁和雙拼工字梁到達(dá)疲勞極限。

(3)天窗滑移過程中屋蓋鋼梁的實測脈動振動頻率較小，能滿足構(gòu)件安全運行的限制。且當(dāng)樓蓋結(jié)構(gòu)的豎向自振頻率大于3.3 Hz時，其人致振動舒適度一般能滿足要求。

(4)滑動天窗運行時的振動加速度很小，能夠滿足安全和舒適度要求。