傾斜玻璃幕墻結(jié)構(gòu)對大型場館鋼結(jié)構(gòu)屋蓋力學(xué)性能的影響

吳忠峰

浙江大東吳集團建設(shè)有限公司 浙江 湖州 313000

玻璃幕墻作為一種美觀新穎的建筑墻體裝飾方案，對建筑起到美化和圍護的作用，近年來被越來越多的大型場館所采用。在常規(guī)的場館結(jié)構(gòu)設(shè)計中，一般僅將其作為荷載考慮，常忽略其作為附屬結(jié)構(gòu)對整體結(jié)構(gòu)力學(xué)特性的影響[1-2]。其主要原因是玻璃幕墻結(jié)構(gòu)自身的結(jié)構(gòu)性不強、剛度小，對主體結(jié)構(gòu)（一般為混凝土結(jié)構(gòu)）的力學(xué)特性影響較小。例如，某游泳館原設(shè)計采用垂直玻璃幕墻方案，僅將幕墻作為荷載考慮進行鋼結(jié)構(gòu)屋蓋設(shè)計。后玻璃幕墻調(diào)整為傾斜幕墻結(jié)構(gòu)，考慮到傾斜玻璃幕墻結(jié)構(gòu)豎向構(gòu)件截面大且數(shù)量眾多，對整體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能的影響不可忽略。

本文采用將玻璃幕墻和鋼結(jié)構(gòu)屋蓋及下部看臺混凝土結(jié)構(gòu)共同建模的方法，研究傾斜幕墻結(jié)構(gòu)對大跨空間鋼結(jié)構(gòu)屋蓋力學(xué)性能的影響，并針對揭示的結(jié)構(gòu)薄弱節(jié)點提出相關(guān)加固技術(shù)。

1 工程概況

某游泳館由鋼結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)兩部分組成，其中屋蓋及其支撐立柱為鋼結(jié)構(gòu)，內(nèi)部泳池及看臺為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)（圖1）。

圖1 建筑剖面示意

游泳館屋蓋鋼結(jié)構(gòu)采用弧線形箱形鋼梁，梁弧度依建筑造型確定，屋面呈現(xiàn)中部凹陷的形狀。屋蓋結(jié)構(gòu)由落地鋼柱支承，鋼柱柱腳與地面剛接（圖2）。

圖2 鋼結(jié)構(gòu)屋蓋三維示意

屋蓋入口處高度約23 m，然后逐漸降低，尾部高度約3 m，與混凝土柱連接。除入口處左右斜柱為圓管柱外，其余各處鋼柱均為方鋼管立柱，沿中心線對稱布置。主梁GL1—GL8沿y向布置，最大跨度為56.3 m，x向也設(shè)置2道主梁GL11，主梁從柱頂外伸至檐口的懸挑段均為變截面。屋面荷載主要通過y向主梁傳遞至鋼柱。

2 數(shù)值模型

結(jié)構(gòu)主要包括鋼結(jié)構(gòu)屋蓋、看臺和玻璃幕墻3個部分。為考慮玻璃幕墻的影響，需對這3個部分進行模擬，其中，鋼結(jié)構(gòu)屋蓋采用梁單元模擬，看臺采用板殼單元模擬，玻璃幕墻結(jié)構(gòu)采用梁單元和膜單元模擬，玻璃不考慮剛度貢獻。

整個模型如圖3所示。

圖3 有限元模型

為研究幕墻結(jié)構(gòu)對鋼結(jié)構(gòu)屋蓋力學(xué)特性的影響，分別對帶有幕墻結(jié)構(gòu)的模型和將幕墻按荷載考慮的模型進行計算分析，并對兩者的結(jié)果進行比較。

3 數(shù)值分析結(jié)果

3.1 自振振型與周期

圖4為計入幕墻影響的游泳館結(jié)構(gòu)前3階自振振型。

圖4 計入幕墻影響的前3階自振振型

不計入和計入幕墻影響的結(jié)構(gòu)前6階振型自振周期對比如表1所示。

通過對比可以看出：

1）兩者前3階振型一致，表明結(jié)構(gòu)動力力學(xué)特性沒有根本性改變。

2）兩者前2階振型基本接近，計入幕墻影響的第3至第6階振型自振周期較短，剛度較大，這表明幕墻提高了屋蓋結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度。

表1 不計入和計入幕墻影響的結(jié)構(gòu)自振周期 單位：s

3.2 結(jié)構(gòu)整體反力

不計入和計入幕墻影響下結(jié)構(gòu)自重的對比如表2所示。可以看到，計入幕墻影響時恒載工況下結(jié)構(gòu)整體反力增加10.5%，達到53 792 kN。

表2 結(jié)構(gòu)整體反力對比 單位：kN

3.3 構(gòu)件變形

不計入和計入幕墻影響的構(gòu)件變形對比如表3所示。由于幕墻桿件計入計算，結(jié)構(gòu)整體豎向承載力增大并為懸挑梁提供豎向支撐，減小了懸挑長度，使得構(gòu)件變形較不計入幕墻影響的構(gòu)件變形值大幅度減小。

表3 構(gòu)件變形對比 單位：mm

3.4 構(gòu)件應(yīng)力

計入幕墻影響的構(gòu)件應(yīng)力比如圖5所示。除少數(shù)構(gòu)件的應(yīng)力比在0.9～1.0范圍內(nèi)，其余均低于0.8；主梁應(yīng)力比基本控制在0.9以內(nèi)，較不計入幕墻影響的模型略小；主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件均小于1.0，構(gòu)件應(yīng)力比均滿足要求。

圖5 計入幕墻影響的構(gòu)件應(yīng)力比統(tǒng)計

3.5 支座反力

在屋蓋尾部通過GL11、GL13和GL14與混凝土柱連接，如圖6紅圈處所示。

圖6 屋蓋尾部鋼梁與混凝土柱連接

不計入與計入幕墻剛度的支座反力對比如表4所示，由于幕墻向外傾斜且桿件自重較大，造成的彎矩使得節(jié)點支座拉力增加，2號支座最大拉力由1 204 kN增加到1 331 kN，增幅達到11%。

表4 支座反力對比 單位：kN

4 屋蓋尾端節(jié)點加固施工

在原有設(shè)計中，尾蓋尾端的6處鋼梁通過預(yù)埋鋼板和15φ22 mm膨脹螺栓與混凝土柱相連接（圖7）。采用考慮幕墻的支座反力結(jié)果（見表4）對節(jié)點進行驗算復(fù)核。復(fù)核結(jié)果表明，支座2采用15φ22 mm膨脹螺栓不能滿足受力的要求，由于結(jié)構(gòu)施工已經(jīng)完成，故需要對該連接節(jié)點進行加固。

圖7 原設(shè)計屋蓋尾端節(jié)點

屋蓋尾端節(jié)點加固過程如下：

首先，使用千斤頂將鋼梁頂高并在梁下設(shè)置鋼管作為永久豎向支撐，鋼管支撐底部植入鋼筋；然后，在節(jié)點兩側(cè)安裝鋼板，并在鋼板上焊接加勁板；最后，對連接兩側(cè)鋼板的φ40 mm穿梁螺桿采用張拉千斤頂進行對稱張拉（圖8）。

圖8 屋蓋尾端節(jié)點加固施工

5 結(jié)語

通過計入幕墻與不計入幕墻剛度的對比分析，可以得出以下結(jié)論：

1）計入幕墻剛度后，鋼結(jié)構(gòu)屋架結(jié)構(gòu)的動力力學(xué)特性沒有根本性改變，但結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度增加，相應(yīng)的自振周期減小。

2）計入幕墻剛度后，構(gòu)件變形值均減小。懸挑構(gòu)件由于有幕墻的支撐，減小了懸臂長度，使得構(gòu)件變形值大幅度減小。

3）計入幕墻剛度后，屋蓋尾部鋼梁與混凝土柱連接節(jié)點拉力增加11%。對比分析表明，計入幕墻剛度后，屋蓋尾端節(jié)點原設(shè)計難以滿足要求，需對節(jié)點進行加固，以保證結(jié)構(gòu)安全。

[1] 郭浩,李茹,郝開全.論玻璃幕墻對結(jié)構(gòu)影響的分析[J].城市建設(shè)理 論研究(電子版),2012(29):1-5.

[2] 錢鵬,王建,周建龍.某工程中玻璃幕墻結(jié)構(gòu)對主體結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響 [J].結(jié)構(gòu)工程師,2010,26(4):26-30.