合肥新橋國際機場航站樓索支承點支式玻璃幕墻的動力性能分析

舒 暢，王元清，馬冬霞

(1 中國五洲工程設計集團有限公司， 北京 100053；2 清華大學土木工程安全與耐久教育部重點實驗室， 北京 100084)

0 研究背景

玻璃幕墻設計時應參照相關規范或規程[1-3]中的相關規定，但其中玻璃幕墻支承體系設計計算相對獨立，沒有考慮其與主體結構的耦合作用。目前，國內有少數學者通過簡單的參數模型分析了玻璃幕墻與主體結構在地震和風振作用下的相互影響，但對實際工程中兩者相互影響的研究卻很少[4-7]。本文分析計算了合肥新橋國際機場航站樓3區在考慮索支承點支式玻璃幕墻時整體結構的地震動力響應，及索支承點支式玻璃幕墻在地震和風振作用下的動力性能，并與靜力分析結果進行對比。

1 工程概況

合肥新橋國際機場是4E級樞紐干線機場，其航站樓縱向長度801m，橫向寬度159m，建筑最大高度30m，總建筑面積約111 862m2。整個結構劃分為5個溫度區段，如圖1所示，其中3區由11榀高度和跨度均不同的剛架縱向連接構成，剛架組成如圖2所示，3區陸側采用索支承點支式玻璃幕墻，如圖3所示。

圖1 航站樓結構分區示意圖

圖2 剛架構件組成示意圖

圖3 3區陸側索支承幕墻立面示意圖

結構設計標準:建筑物安全等級一級,重要性系數1.1,設計使用年限50年,耐久性100年,抗震設防類別重點設防類(乙類)，抗震設防烈度7度，設計基本地震加速度0.1g，設計地震分組第一組，建筑場地類別Ⅱ類，地面粗糙度類別B類。

2 建立模型

2.1 結構材料及截面尺寸

采用12mm+1.52pvb+12mm+12A+12mm的中空夾膠鋼化玻璃，預應力索采用不銹鋼鋼絞線，拉索截面及力學性能如表1所示，結構構件截面尺寸按工程設計實際選用。

拉索截面及力學性能 表1

2.2 模型單元選擇

采用ANSYS有限元軟件建模，各構件單元類型選擇如下：梁柱為Beam44單元，轉換節點梁為Beam188單元，混凝土樓板為Shell181單元，玻璃幕墻面為Shell63單元，拉索為Link10單元，撐桿為Link8單元，質量單元采用Mass21單元。單元連接均采用共節點剛接，轉換節點處建立殼單元和梁單元，通過耦合實現連接，鋼材、混凝土、玻璃等材料均被視為彈性材料，整體結構有限元模型如圖4所示。

圖4 整體結構有限元模型

2.3 計算說明

(1)荷載代表值

計算地震作用時，建筑的重力荷載代表值應取結構及構配件自重標準值和各可變荷載組合值之和[8]。其中，雪荷載組合值系數取0.5，按實際計算的樓面活荷載組合值系數取1.0；屋面恒荷載取1.0kN/m2，樓面恒荷載取5.0kN/m2，樓面活荷載取3.5kN/m2，雪荷載取0.7kN/m2，屋面活荷載不計入。將以上荷載等效為質量單元添加在相應節點處,結構和構配件自重由軟件自行計算。

(2)計算模型處理

進行模態分析時，由于索支承玻璃幕墻剛度小、阻尼小，自振頻率較低，對有限元模型進行了簡化處理：將玻璃幕墻單元和拉索的質量設置為零，將其質量等效為節點質量添加在主體結構上。這樣既能準確地分析玻璃幕墻和主體結構的耦合作用，同時又可避免前幾階振型出現玻璃幕墻的局部自振，無法得到整體結構的自振特性[9]。

3 自振特性分析

表2列出了整體結構前6階的自振周期及頻率，圖5為整體結構前6階振型圖。低階振型均發生在鋼結構部分，由圖5可以看出：1)在整體結構前6階振型中，既存在單榀剛架的整榀扭轉振動(第3～5階)，也存在沿縱向的局部振動(第1，2階)，還存在一榀或數榀剛架的局部振動(第6階)；2)由于結構的兩向跨度及剛度相當，出現沿兩個方向的振動交叉，同時由于結構受力不均，局部荷載較大，出現了屋面小范圍局部振動的振型；3)部分相鄰階的自振頻率比較接近，這表明兩階振型之間的耦合程度較大。

結構自振頻率及周期 表2

圖5 整體結構前6階振型圖

4 地震時程分析

4.1 地震波選取

按建筑場地類別和設計地震分組選用不少于兩組的實際強震記錄和一組人工模擬的加速度時程曲線，對結構進行多遇地震下的時程分析[10-12]。

本工程抗震設防烈度為7度，對應多遇地震峰值加速度為0.35m/s2，設計地震分組為第一組，建筑場地類別Ⅱ類，場地特征周期為0.35s。根據場地類別和設計地震分組，選用三組地震波，一組為人工波，由規范反應譜合成，另外兩組為實際地震記錄：1940年El Centro地震記錄水平180°地震波(El Centro波)、 1952年Taft地震記錄水平111°地震波(Taft波)。

三條地震波的加速度峰值均調整為0.35m/s2，加速度時程持續時間取20s。

4.2 整體鋼結構地震響應

對含索網玻璃幕墻與不含索網玻璃幕墻的整體結構分別施加兩個水平方向的三組地震波，提取鋼結構屋蓋的平動和扭轉響應，比較航站樓3區兩種情況下整體鋼結構地震響應的異同。其中，提取GJ3-1(邊跨)中部節點2828的X,Y向位移，GJ3-6(中跨)中部節點2570的X,Y向位移，為考察GJ3-1的扭轉，提取其端部節點4710,6226的Y向位移，兩節點位移差除以跨度101.8m即為其轉角。其中X向為橫向，Y向為縱向，節點號為模型中的節點編號。

限于篇幅，本文僅列出Taft波作用時上述部分節點位移及GJ3-1轉角的時程響應對比，如圖6所示，由于實際工程結構復雜，計算結果表現出較大的隨機性，歸納可看出：1)發生X向的地震作用時，索網幕墻對主體結構響應影響較大，含索網幕墻與不含索網幕墻所列節點最大位移比值范圍為1.40～2.85，所列剛架轉角比值范圍為1.54～1.71；2)發生Y向的地震作用時，索網幕墻對主體結構X向位移影響較大，含索網幕墻與不含索網幕墻所列節點最大位移比值范圍為1.84～2.27，對Y向位移和轉角影響較小，所列節點最大位移比值范圍為0.93～1.11，所列剛架轉角比值范圍為0.88～1.01。

圖6 整體結構Taft地震波響應對比(部分)

4.3 幕墻結構地震響應

提取幕墻具有代表性節點和單元的平動位移及內力，以考察地震作用下幕墻結構的變形及內力變化情況。具體選取節點和單元為：邊跨GJ3-1與GJ3-2區間索網節點30579，橫索單元18705，豎索單元18955。各節點和單元在幕墻中的位置見圖7。

圖7 索網幕墻代表節點和單元位置(部分)

圖8為上述部分代表節點的水平位移響應及拉索單元的內力響應，與文獻[13]中所述靜力性能分析對比可見：1)幕墻位移隨X向地震作用的響應周期較長，而隨Y向地震作用的響應周期較短；2)靜力分析時，最大索內力53.8kN，最大索位移0.125m；動力時程分析時最大索內力49.9kN，最大索側移0.159m；3)無論是位移還是內力，都在規范允許的范圍內波動，玻璃幕墻支承設計安全可靠。

圖8 幕墻結構Taft地震波響應對比(部分)

5 風振時程分析

5.1 風壓時程模擬方法

對于自然風，當其作用于結構物上時，氣流受到建筑物的影響，依據準定常假設，結構物某位置處的風壓可表示為：

(1)

脈動風速時程和平均風速確定之后，根據風速和風壓的關系式(1)，確定結構各點處風壓的時程曲線。根據結構上各點荷載作用面積，可將風壓時程轉化為各點處的集中荷載時程。

5.2 風壓時程模擬結果

地面粗糙度類別B類，粗糙度系數α取0.16，計算可得地表阻力系數K為0.004 14，基本風壓取0.4kN/m2，空氣密度取1.226 3kg/m3。陸側索網幕墻共951個節點，面積約為4 263m2，計算得到每個節點覆蓋的風壓面積約為8.66m2。風振響應計算時代表節點位置見圖9。

圖9 風振響應代表節點位置

模擬風壓激勵時間為300s，時間間隔為0.1s，模擬節點的風壓時程曲線如圖10所示。由于幕墻與地面夾角約為120°，所得風壓方向為幕墻法向，因此當施加荷載時應對上述所得風壓進行分解，分為X向和Z向進行施加。

圖10 代表節點風壓時程曲線(部分)

5.3 索網幕墻風振動力響應

提取代表節點的平動位移和拉索內力，以考察風振作用下幕墻結構的變形及內力變化情況[15-17]。具體選取的節點見圖9，選取的單元同地震作用見圖7。

圖11、圖12分別給出了代表節點和拉索的風振響應及幕墻結構部分時間點的變形云圖，與文獻[13]中所述靜力性能分析對比可見：1)在模擬風振作用下，拉索的節點平面位移及拉索內力的波動幅度隨時間逐漸減小，并趨于平穩；2)幕墻變形較大區域主要集中在結構中部偏上的位置，隨時間變化，變形較大區域的位置沒有明顯改變；3)靜力分析時，最大索內力59.5kN，最大索側移0.130m；動力時程分析時最大索內力51.5kN，最大索側移0.128m；4)無論是側移還是內力，都在規范允許的范圍內波動，說明設計是安全可靠的。

圖11 幕墻結構風振響應(部分)

圖12 幕墻結構風振位移響應/m

6 結論

(1)從自振特性來看，整體結構的基本周期為2.375s，基本頻率為0.421Hz，低階振型的振動多發生在鋼結構部分。在前幾階振型中，既存在單榀剛架的整榀扭轉振動，也存在沿縱向的局部振動，還存在一榀或數榀剛架的局部振動。

(2)通過對含幕墻和不含幕墻的整體結構進行對比分析可知，當發生X向的地震作用時，幕墻對主體結構的地震響應有影響；當發生Y向的地震作用時，幕墻對主體結構X向的位移響應有影響，在設計時應考慮兩者之間的耦合作用。

(3)通過地震時程分析，并與靜力分析結果對比可知，幕墻的位移和內力，都在規范允許的范圍內波動。在考慮水平地震作用時，幕墻滿足變形與承載性能要求，滿足“小震不壞”的要求。

(4)通過風振時程分析，并與靜力分析結果對比可知，幕墻的位移和內力，都在規范允許的范圍內波動，幕墻變形較大的區域主要集中在結構中部偏上部分。

(5)計算結果表明，合肥新橋國際機場3區航站樓索支承點支式玻璃幕墻的結構動力性能良好，在地震和風荷載作用下，其設計滿足承載能力和正常使用的要求,其計算結果與靜力分析結果吻合較好。