某異形空間曲面耐候鋼磚幕墻結(jié)構(gòu)體系設(shè)計*

鄭曉清, 葉靈鵬, 林 巍, 朱浩川

(1 浙江大學(xué)建筑設(shè)計研究院有限公司，杭州 310028；2 浙江大學(xué)平衡建筑研究中心，杭州 310028)

0 引言

磚是一種古老的建筑材料,它在整個建筑的發(fā)展進(jìn)程中有著至關(guān)重要的作用。隨著建筑技藝的不斷發(fā)展,磚從最初的承重結(jié)構(gòu)屬性過渡到了非承重的維護(hù)及表皮屬性,這一演變過程體現(xiàn)了磚的功能性逐漸減弱,表現(xiàn)性逐漸加強(qiáng)［1-3］。參數(shù)化的建模技術(shù)在建筑表皮領(lǐng)域的深入應(yīng)用,使得磚幕墻可以實現(xiàn)更靈活的扭轉(zhuǎn)、漸變和旋轉(zhuǎn)等建筑效果,進(jìn)一步打破了磚的材料和構(gòu)造等方面的一些禁錮,促進(jìn)了各類磚幕墻在現(xiàn)代建筑表皮中的應(yīng)用。

磚幕墻體系可根據(jù)建筑效果選用清水黏土磚、玻璃鋼磚和耐候鋼磚等不同材質(zhì)的模數(shù)磚。近年來,工業(yè)遺址改造建筑中,蘊(yùn)含豐富的參數(shù)化技術(shù)的耐候鋼磚幕墻不斷涌現(xiàn),給幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來了巨大的挑戰(zhàn)［4-5］。本文將結(jié)合某歷史建筑的耐候鋼磚幕墻項目,介紹其結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)成和精細(xì)化的力學(xué)分析過程,以期為類似項目提供參考。

1 工程概況

某歷史建筑外側(cè)面耐候鋼磚幕墻由330×180×135×5(45°和135°斜置磚)和360×210×135×5(0°和90°放置磚)兩種不同規(guī)格的耐候空心鋼磚通過疊砌焊接形成,墻體高度約7.6m,長度約23.5m。耐候鋼磚幕墻中心曲面采用不同族的正(余)弦函數(shù)曲線沿高度和長度方向共同放樣,形成復(fù)雜的空間曲面造型。結(jié)合建筑功能需要,于幕墻左下角設(shè)置1個拱形門洞,幕墻的基本模型和實景圖見圖1和圖2。

圖1 鋼磚幕墻布置圖

圖2 鋼磚幕墻實景圖

2 結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成

為確保幕墻結(jié)構(gòu)有一個較為明確的傳力路徑,在確保耐候鋼磚幕墻建筑效果的前提下,結(jié)合墻體曲面造型及場地條件,提出了“空間框架”的幕墻結(jié)構(gòu)體系。即在幕墻的空間曲面內(nèi)設(shè)置1榀“框架”,異形曲線框架柱由封閉鋼磚疊砌焊接組成,梁為側(cè)面局部帶封板與加勁肋的工字鋼梁。耐候鋼磚幕墻由于其曲面內(nèi)、外傾的空間造型,不能保持自身的平面外穩(wěn)定,需在幕墻側(cè)面設(shè)置垂直墻面的支撐。為保護(hù)原有歷史建筑,在幕墻后方靠近歷史建筑外墻一側(cè)增設(shè)若干獨立的鋼立柱,鋼立柱與幕墻內(nèi)置鋼框架柱之間采用鋼梁拉結(jié),從而形成垂直墻面方向的若干榀空腹桁架,以此來保證曲面鋼磚幕墻在荷載作用下的平面外穩(wěn)定。

2.1 內(nèi)置框架

結(jié)合耐候鋼磚幕墻的建筑造型,在墻體高度方向間隔設(shè)置六道曲線工字鋼梁和直線鋼梁,在墻體長度方向設(shè)置五道由六面封閉鋼磚疊砌焊接而成的曲線等代鋼柱。鑒于建筑使用要求,下部拱形門洞位置僅在門洞以上高度設(shè)置鋼磚柱,其可與上部五層鋼梁拉結(jié),形成類似空間空腹桁架的受力構(gòu)件。除內(nèi)置框架以外,幕墻其余鋼磚均采用兩面空心的方磚,并作為荷載分層作用于內(nèi)置框架上。鋼磚幕墻內(nèi)置框架如圖3所示。

圖3 鋼磚幕墻內(nèi)置框架

2.2 面外支撐

為保證耐候鋼磚幕墻在荷載作用下的平面外穩(wěn)定,應(yīng)設(shè)置平面外的支撐體系。平面外的支撐體系不僅需要為墻體提供平面外的支撐,還應(yīng)盡可能減小對其后面歷史建筑的影響。因此,優(yōu)化方案中在墻體后面增設(shè)一排獨立的鋼立柱,并在鋼立柱與幕墻空間曲面內(nèi)的框架之間增加鋼梁進(jìn)行拉結(jié),如圖4所示。

圖4 鋼磚幕墻面外支撐

2.3 耐候鋼磚幕墻體系

內(nèi)置異形鋼框架、面外支撐體系和各層空心方磚,可組成穩(wěn)定的耐候鋼磚幕墻體系,如圖5所示。

圖5 耐候鋼磚幕墻體系

3 模型構(gòu)建

耐候鋼磚幕墻計算模型的主要結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示。鋼磚幕墻內(nèi)置框架的工字形鋼梁截面尺寸為工135×210×5×5;耐候鋼磚兩種不同規(guī)格見第1節(jié),耐候鋼磚均采用鋼板拼接焊接構(gòu)成;等代鋼柱處的耐候鋼磚均采用閉口;側(cè)向拉結(jié)鋼梁以及新增鋼立柱之間連接的橫梁均采用工字鋼梁,截面尺寸為工135×210×5×5;增設(shè)鋼立柱為方鋼管,截面尺寸為□200×200×10×10。

采用ABAQUS通用有限元軟件,建立精細(xì)化有限元模型。模型中,由于各構(gòu)件的板件厚度均遠(yuǎn)小于構(gòu)件其他方向的尺度(板件厚度/長或?qū)捇蚋?均遠(yuǎn)小于1/10)［6］,故本項目中模擬分析中各單元均采用S4R殼單元。為保證分析精度,單元網(wǎng)格尺寸取為25mm,幕墻底部設(shè)置為鉸接,面外支撐立柱的底部設(shè)為剛接。鋼材的強(qiáng)度等級為Q355B?？紤]材料的塑性,取鋼材的彈性極限強(qiáng)度為305MPa［7］。圖6為采用ABAQUS軟件建立的耐候鋼鋼磚幕墻體系的精細(xì)化有限元模型。

圖6 耐候鋼磚幕墻有限元模型

耐候鋼磚幕墻體系主要荷載為豎向自重以及垂直墻面的風(fēng)荷載。幕墻內(nèi)置鋼框架以及平面外支撐的自重由程序自動計算,其余部位的各層空心耐候鋼磚的自重則轉(zhuǎn)換為荷載作用于橫梁上表面,等效線荷載為3.57kN/m。所處場地的基本風(fēng)壓為0.45kN/m2,并根據(jù)風(fēng)向的不同,考慮風(fēng)壓與風(fēng)吸兩種不同的風(fēng)荷載工況［8］,如圖7所示。風(fēng)壓工況下計算的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.234kN/m2,風(fēng)吸工況下計算的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為0.146kN/m2。風(fēng)荷載根據(jù)其作用從屬面積折算成等效荷載作用于相應(yīng)的工字鋼梁上。

圖7 風(fēng)荷載作用示意圖

4 分析結(jié)果

4.1 靜力荷載分析

分別對耐候鋼磚幕墻在自重、風(fēng)吸和風(fēng)壓三種荷載工況下進(jìn)行靜力分析。分析結(jié)果表明,在自重荷載作用下幕墻呈現(xiàn)為外傾變形。自重荷載疊加風(fēng)壓荷載工況下的分析結(jié)果表明,風(fēng)壓荷載對結(jié)構(gòu)變形有利。因此以下僅考慮最不利荷載工況,即自重恒荷載標(biāo)準(zhǔn)值+風(fēng)吸荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用工況。圖8～10分別為耐候鋼磚幕墻在最不利荷載工況下結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)力與塑性應(yīng)變情況。

圖8 耐候鋼磚幕墻的變形云圖/mm

從圖8可以看出,耐候鋼磚最不利荷載工況下變形往背離歷史建筑的一側(cè)發(fā)展,最大位移為門洞上方的幕墻頂,其值為31.5mm。從圖9可以看出,在最不利荷載工況下耐候鋼磚的應(yīng)力較小,除了局部上下層耐候磚疊壓位置由于應(yīng)力集中,其應(yīng)力值約達(dá)到305MPa外,其余部位的應(yīng)力均未超過180MPa。從圖10可以看出,耐候鋼磚在自重荷載作用下未產(chǎn)生塑性應(yīng)變。

圖9 耐候鋼磚的應(yīng)力云圖/MPa

圖10 耐候鋼磚的塑性應(yīng)變云圖

圖11、12為面外支撐鋼立柱在最不利荷載工況的應(yīng)力云圖和塑性應(yīng)變云圖。從圖9和圖10可以看出鋼立柱在最不利荷載工況下的應(yīng)力最大值約為89.0MPa,應(yīng)力較小,且未發(fā)生塑性應(yīng)變。

圖11 面外支撐立柱的應(yīng)力云圖/MPa

圖12 面外支撐立柱的塑性應(yīng)變云圖

4.2 極限承載能力分析

為了解結(jié)構(gòu)的極限承載能力,本文對耐候鋼磚幕墻結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行了非線性的極限承載能力分析［9-10］。分析中通過增加結(jié)構(gòu)的附加恒載3.57kN/m作用于內(nèi)置框架的鋼梁上,計算結(jié)構(gòu)的變形與應(yīng)力。圖13為耐候鋼磚幕墻水平位移和豎向位移隨著附加恒載增加的關(guān)系曲線。

圖13 結(jié)構(gòu)荷載-位移曲線

從荷載-位移關(guān)系曲線圖13可以看出,當(dāng)恒載增加到約1.5倍附加恒荷載時,耐候鋼磚幕墻下部鋼磚疊加位置出現(xiàn)應(yīng)力集中產(chǎn)生局部塑性變形,結(jié)構(gòu)開始進(jìn)入非線性。當(dāng)荷載增加到4.1倍附加恒荷載時,結(jié)構(gòu)的最大水平位移達(dá)到約140mm,最大豎向位移達(dá)到約85mm,荷載無法繼續(xù)增加,結(jié)構(gòu)發(fā)生整體失穩(wěn)破壞。最終的應(yīng)力及塑性應(yīng)變情況如圖14、15所示。從圖中可以看出結(jié)構(gòu)發(fā)生整體失穩(wěn)時,等代鋼柱腳部應(yīng)力較大,最大應(yīng)力為305MPa,達(dá)到鋼材的彈性極限強(qiáng)度,最大塑性應(yīng)變?yōu)?.130 4。

圖14 極限荷載作用下結(jié)構(gòu)的應(yīng)力云圖/MPa

圖15 極限荷載作用下結(jié)構(gòu)的塑性應(yīng)變云圖

5 結(jié)論

(1)本文所提出的內(nèi)置異形鋼框架、面外支撐可組成幕墻的主受力骨架。將內(nèi)置于異形鋼框架的各層空心鋼磚作為荷載施加于幕墻主受力骨架的各層水平鋼梁上對幕墻主受力骨架進(jìn)行有限元數(shù)值模擬分析的技術(shù)路線是可行的。

(2)耐候鋼磚幕墻體系在恒荷載+風(fēng)吸荷載作用下發(fā)生外傾變形,最大外傾位移為31.5mm。在荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下,結(jié)構(gòu)應(yīng)力整體較小,除了局部應(yīng)力集中情況外,其余位置的應(yīng)力基本未超過150MPa,未出現(xiàn)明顯的塑性。最不利荷載工況下,結(jié)構(gòu)整體仍基本處于彈性范圍內(nèi)。

(3)通過非線性極限承載能力分析可知,耐候鋼磚幕墻結(jié)構(gòu)在1.5倍附加恒荷載作用下,結(jié)構(gòu)產(chǎn)生局部塑性變形,開始進(jìn)入非線性;耐候鋼磚幕墻結(jié)構(gòu)在4.1倍附加恒載作用下,結(jié)構(gòu)發(fā)生整體失穩(wěn)。

(4)內(nèi)置異形鋼框架、面外支撐體系和空心鋼磚組成的耐候鋼磚幕墻體系,整體受力性能好,結(jié)構(gòu)傳力途徑明確,在自重荷載和風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力和變形可滿足結(jié)構(gòu)承載要求和正常使用要求。