UHPC新材料在幕墻設計中的結構應用

葉玉卿

摘? ? 要：本文簡要介紹一種UHPC超高性能混凝土建筑外裝飾結構，此種工程設計應用的工程背景為三沙文體館幕墻項目實際情況，其表皮自承重受力，融建筑幕墻、泛光照明為一體，對大尺寸外裝飾結構設計有一定的借鑒意義。

關鍵詞：UHPC超高性能混凝土;自承重受力; 大尺寸UHPC材料

1? 前言

建筑本身位于海南省三沙市永興島港口東側，客運碼頭大樓南側，文體館建筑占地面積約 2646.9m2。包括活動室、天光展廳、圖書室、球類館等。

當地屬熱帶海洋性季風氣候，具有“三強”（日照強、臺風強、降雨強）和 “三高”（高溫、高濕、高鹽）特點。所以對于材料的選擇非常重要，不僅需要有效抵抗外界有害物質滲透和侵蝕，而且對材料受到干濕交替，溫度上升和下降時的尺寸穩(wěn)定性要求較高，并且自身強度要大，需要抵抗住遭受臺風影響。需要考慮到建筑的外觀穿孔需求。綜上所述，我們進行了材料的比選，并最終選擇了UHPC超高性能混凝土板。

2? 方案比選

在方案設計初期，采用20mm厚UHPC板材，間隔800mm距離設置幕墻連接件，并且在板材連接處局部加厚，采用背附耐候鋼架，支座形式為入槽式連接，保證安裝便利性的同時使得鋼架與主體的連接更為可靠（如圖2）。

由于穿孔率比較大，采用這種方式無法讓讓背附鋼架避開前部的鏤空位置，在可視區(qū)能看見部分鋼架，顯得厚重且雜亂，缺少美感 。

作為在三沙地區(qū)的文體館，服務于永興島居民及常駐人員的體育，休閑娛樂中心? ，它不僅是建筑立面，更是祖國的大好河山的建筑化寓意，經多方面考慮后采用新型的設計理念：UHPC材料自支撐結構體系。

3? 材料方案優(yōu)點

本項目采用大鏤空率超大尺寸穿孔板，無法進行配筋，完全靠材料自身優(yōu)異的力學實現建筑設計意圖，UHPC的優(yōu)異抗彎性能保證了實現這種異形大鏤空率構件的同時，構件具有長期的耐久性。

本項目所處環(huán)境具有強烈的日曬和臺風影響，干濕及溫度變化較大，對材料受到干濕交替，溫度上升和下降時的尺寸穩(wěn)定性要求較高，普通混凝土或者GRC由于吸水率大，彈性模量較小，導致隨環(huán)境溫濕度變化產生較大的體積變形，在約束條件下造成較大的開裂和變形風險。UHPC吸水率極低，體積穩(wěn)定性好，在溫濕度變化較大的環(huán)境條件下出現開裂變形的風險大大降低。

本項目位于南海三沙，常年處于較為強烈的鹽霧侵蝕環(huán)境中，混凝土受到氯離子的滲透作用較大，氯離子和空氣中的其他侵蝕介質可以通過混凝土的毛細孔滲透到內部，對鋼筋形成腐蝕作用。普通鋼筋混凝土無法常年抵御這種侵蝕，UHPC致密性高，耐久性為普通混凝土的數倍，可以有效抵抗外界有害物質滲透和侵蝕。

本項目所處環(huán)境具有強烈的日曬和臺風影響，干濕及溫度變化較大，對材料受到干濕交替，溫度上升和下降時的尺寸穩(wěn)定性要求較高，普通混凝土或者GRC由于吸水率大，彈性模量較小，導致隨環(huán)境溫濕度變化產生較大的體積變形，在約束條件下造成較大的開裂和變形風險。UHPC吸水率極低，體積穩(wěn)定性好，在溫濕度變化較大的環(huán)境條件下出現開裂變形的風險大大降低。

UHPC相對GRC而言，致密度高，吸水率大大降低，不易變形，材料性能幾乎不隨使用時間延長而降低，其體積的穩(wěn)定性保證了在環(huán)境中產生開裂和變形的風險大為降低。這比GRC材料存在易老化，性能衰減有很大的優(yōu)勢。UHPC較高的致密度使得表面孔隙大大減少，外界的污染物不易滲透到構件內部，其抗污性能顯著提升。

4? UHPC 面板的穿孔選擇及連接計算

4.1? 基本參數

基本風壓：1.8kPa，陣風系數：1.57，風壓高度變化系數：1.41，體形系數：1.6，風荷載標準值：6.37kPa。

4.2? 計算說明

一般情況下，對幕墻起控制作用的是風荷載。幕墻面板本身必須具有足夠的承載能力，避免在風荷載作用下破碎。沿海地區(qū)經常受臺風的襲擊，設計中應考慮有足夠的抗風能力。鑒于設計風荷載對玻璃幕墻設計的重要性，對UHPC幕墻進行風洞試驗和風力測試分析，更有利于保證幕墻的安全性。

本部分選取東西立面UHPC系統進行分析，采用130mm厚UHPC板，面板自承重，保證建筑效果。

分析校核的構件包括掛件、UHPC面板荷載的強度（包括UHPC后面部分玻璃幕墻自重荷載、風荷載、地震荷載）。采用有限元計算軟件sap2000 V15進行建模分析。

4.3? 荷載說明

（1）計算說明。

UHPC 面板幕墻面板承受水平風壓，自身重力荷載。

（2）負風荷載：荷載標準值：

Wk=7.96kPa

組合設計值：

qk=8.74kPa

水平地震荷載：荷載標準值：

qck=1.56kPa

4.4? 材料屬性及其截面參數

UHPC板具有超強力學性能，高韌性，抗疲勞性，超高耐久性及耐候性，耐高溫性能，及優(yōu)異的抗?jié)B性，絕緣性，和優(yōu)良澆筑及成型性能。超高性能混凝土通過選用優(yōu)質水泥和其他高活性的微細材料，采用最緊密堆積和纖維增強技術配制而成。所有原材料均不含有對人體和環(huán)境有害的成分及物質，為環(huán)境友好型的環(huán)保無機材料。

本項目中基本分格：

寬×高=2200mm×5150mm

4.5? 面板強度校核

東西立面的UHPC板通過軟件計算得出uhpc的最大應力如圖3。

面板強度設計值：

σ= 13.8MPa

強度設計值：

fg=15MPa

面板強度設計值與允許值比值：

k1=σ/fg=0.92≤1

抗彎強度滿足規(guī)范要求。

采用有限元計算軟件ansys進行復核，不同穿孔面板的應力，得出不同板塊的最大局部應力分布在支座附近及孔邊緣位置，分別為：28.3MPa，35.5MPa，27.2MPa，33.0MPa.大面區(qū)域面板應力均小于13MPa。UHPC材料可通過改變纖維種類及含量改變面板強度，孔邊及支座附近可通過局部增配鋼筋加強來提高強度。

4.6? 面板的位移

主體結構最大層間位移比為1/998，因主體結構位移導致面板平面內水平位移為5150×3/998=15.5mm，面板轉接件之間預留空隙為6mm，面板變形能力計算值為23.39mm>15.5mm，故面板間隙可完全吸收此主體結構變形引起的位移。

4.7? UHPC背部玻璃幕墻面板強度校核

UHPC后部玻璃幕墻立柱跨度不大，考慮到本地高風壓的氣候特性，我們選用鋼龍骨作為幕墻支撐，龍骨外包鋁合金型材，保證建筑外觀效果的同時，提高龍骨的耐腐蝕性。立柱吊掛簡支梁，采用200×80×8mm鍍鋅矩形鋼管，Q355B鋼材，外包鋁合金型材。

立柱最大應力為209.6MPa<305MPa，立柱最大撓度為18.9mm，撓跨比1/272<[1/250]。荷載規(guī)范中西沙島上年溫差為17[℃]，考慮島內溫差變化大、急的特點，設計時我們按升降30度溫差考慮，立柱升溫變形量為2.35[×]4700[×]30/100000=3.33mm，考慮施工誤差等4mm，立柱總變形量為7.33mm<20mm（立柱預留變形量）

4.8? 掛件選擇與分析

為確保型材的固定件、連接件不外露，具有較高的工藝觀賞性，充分展現機械創(chuàng)造的美感。我們在掛件的連接方式上，初步構思三種方案：

第一種，為減少預埋件的數量，采取集中連接，把四塊UHPC板通過連接件和螺栓固定在鋼型材上，鋼型材與幕墻預埋件焊接（見圖4）。

第二種，采取兩塊UHPC板集中連接，減小連接板的厚度與加勁肋，使整體性能提高，分別與對應的兩個預埋件連接（見圖5）。

第三種，采取每塊UHPC板獨立連接的形式。每塊板設置4個單獨的預埋件。在層間梁的位置處，對于梁的高度和寬度都有所要求（見圖6）。

由于“三強”和“三高”的特點，并且風壓大，經多方論證分析，前兩種方案的連接形式剛度和強度余量較小，選擇第三種獨立的連接形式。

第三個方案單個面板四點支撐，采用140×140×10的方管與埋件焊接，并開長圓孔，采用M27的不銹鋼螺栓與轉接件進行可調節(jié)連接。

水平反力：

Fh=q[×]A1[×]B1/4=36.71.kN

豎向反力：

Fv=1.3Gk[×]（A1B1）/2=28.72kN

螺栓型號為M27，螺栓材質為不銹鋼70，掛件材質316不銹鋼，剪切面為2個，螺栓直徑：

de1=27mm

采用四點連接。螺栓所受剪力與抗拉承載力比值：

k9=Flsv/Nv=0.19≤1

螺栓抗剪承載力滿足規(guī)范要求。

5? 結束語

根據項目自身情況，結合建筑需求，根據材料特性做出結構優(yōu)化，三沙文體館的UHPC板在保證安全的前提下，滿足了建筑設計的要求，體現了建筑設計的理念，并在連接方式的選擇上面，提供多種方案可供其他工程借鑒，本設已達到受力與工藝觀賞性上的完美呈現。

本次三沙文體館的UHPC板不僅在結構形式上做出了創(chuàng)新，并實現了多土建專業(yè)的協同設計，節(jié)省了造價并節(jié)約了項目建造時間。同時，也是一次材料科學、建筑美學、結構力學、工程建造等多學科的一次有效探索。本次的UHPC材料在自支撐結構體系中的應用也為可持續(xù)優(yōu)化設計、多學科綜合提供一種新思考。

參考文獻：

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