高層建筑中外掛墻板的抗風(fēng)性能分析

文／萬(wàn)山河、者田陌、梅立欣 華商國(guó)際工程有限公司 北京 100069

引言：

高層建筑一直以來(lái)都是城市發(fā)展中的焦點(diǎn)和亮點(diǎn)，隨著城市人口的增長(zhǎng)和土地資源的有限性，高層建筑成為了解決住宅和商業(yè)需求的有效途徑。然而，隨著建筑高度的增加，建筑所受到的風(fēng)荷載也顯著增加，這對(duì)高層建筑的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和外墻系統(tǒng)提出了更高的要求。外掛墻板是高層建筑外立面的關(guān)鍵組成部分之一，它不僅具有裝飾性功能，還承擔(dān)著保溫、隔熱、聲學(xué)隔離和抗風(fēng)等多重功能，外掛墻板的性能直接影響到高層建筑的整體質(zhì)量和安全性，因此，研究外掛墻板在高層建筑中的抗風(fēng)性能成為了一項(xiàng)緊迫的任務(wù)。

1.高層建筑外掛墻板抗風(fēng)性能基本概述

高層建筑的外掛墻板抗風(fēng)性能是確保建筑在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下安全穩(wěn)定的重要因素之一，外掛墻板作為建筑外立面的一部分，不僅要承擔(dān)美觀和隔熱等功能，還需要能夠抵御風(fēng)力對(duì)建筑的影響，高層建筑外掛墻板的抗風(fēng)性能設(shè)計(jì)涉及多個(gè)方面，從材料選擇到結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，都需要充分考慮風(fēng)載荷對(duì)建筑的影響，以確保建筑在惡劣風(fēng)環(huán)境下的安全穩(wěn)定。

外掛墻板的抗風(fēng)性能設(shè)計(jì)通常遵循國(guó)家和地區(qū)的建筑標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，如ASCE 7、GB50009 等。這些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了不同風(fēng)區(qū)和建筑高度下所需的抗風(fēng)能力，同時(shí)，設(shè)計(jì)過程中，工程師會(huì)根據(jù)建筑的高度、形狀、風(fēng)區(qū)等因素計(jì)算所受的風(fēng)載荷，這些載荷將用于確定外掛墻板及其支撐結(jié)構(gòu)的尺寸、材料和連接方式。外掛墻板的材料選擇需要考慮其抗風(fēng)性能，常見的材料包括金屬、玻璃、石材等。這些材料需要具備足夠的剛度和強(qiáng)度，以抵御風(fēng)力對(duì)墻板的壓力和擺動(dòng)，外掛墻板的支撐結(jié)構(gòu)也是抗風(fēng)性能的關(guān)鍵部分，支撐系統(tǒng)通常由鋼架、鋁合金等材料構(gòu)成，其穩(wěn)定性和連接方式必須足夠強(qiáng)固，以確保外掛墻板不會(huì)因風(fēng)力而脫落或受損，外掛墻板與支撐結(jié)構(gòu)之間的連接方式必須經(jīng)過精心設(shè)計(jì)，以確保連接牢固且能夠承受風(fēng)載荷帶來(lái)的壓力和沖擊。

在研究高層建筑外掛墻板抗風(fēng)性能時(shí)，學(xué)術(shù)界采用了多種研究方法和模擬技術(shù)。數(shù)值模擬方法在這方面得到廣泛應(yīng)用，如有限元分析和計(jì)算流體力學(xué)模擬，可以模擬風(fēng)荷載下墻板的受力情況。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)室風(fēng)洞試驗(yàn)也是評(píng)估外掛墻板抗風(fēng)性能的重要手段，通過模擬實(shí)際風(fēng)場(chǎng)情況，獲取墻板在不同風(fēng)速下的響應(yīng)數(shù)據(jù)。

2.研究方法

2.1 建筑結(jié)構(gòu)的選取

選擇一個(gè)適當(dāng)?shù)慕ㄖY(jié)構(gòu)作為研究對(duì)象，這個(gè)結(jié)構(gòu)應(yīng)該代表一般建筑中使用的外掛墻板系統(tǒng)，例如高層建筑的幕墻結(jié)構(gòu)，將考慮結(jié)構(gòu)的尺寸、材料、幾何形狀等因素，以確保研究結(jié)果的泛化性和適用性，通過合理的建筑結(jié)構(gòu)選取、風(fēng)荷載計(jì)算、模擬軟件或?qū)嶒?yàn)設(shè)備的運(yùn)用，以及多方面的準(zhǔn)確性和可靠性驗(yàn)證，將能夠模擬外掛墻板在風(fēng)荷載下的響應(yīng)情況，并為實(shí)際工程應(yīng)用提供有價(jià)值的信息。

2.2 風(fēng)荷載的計(jì)算方法

在研究外掛墻板的響應(yīng)時(shí)，風(fēng)荷載是一個(gè)重要的考慮因素。將采用適當(dāng)?shù)娘L(fēng)荷載計(jì)算方法，例如按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)（如ASCE7 或歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN1991-1-4）來(lái)計(jì)算風(fēng)壓。這些標(biāo)準(zhǔn)提供了結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下所受壓力的計(jì)算方法，考慮了建筑的高度、形狀、地理位置等因素。

2.3 模擬軟件或?qū)嶒?yàn)設(shè)備的使用

為了模擬外掛墻板在風(fēng)荷載下的響應(yīng)，可以選擇使用結(jié)構(gòu)分析的計(jì)算機(jī)模擬軟件，如ANSYS、ABAQUS 等，這些軟件可以基于所選建筑結(jié)構(gòu)的幾何模型和材料特性，對(duì)結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載作用下的行為進(jìn)行模擬。如果條件允許，還可以考慮進(jìn)行物理實(shí)驗(yàn)，使用風(fēng)洞設(shè)備來(lái)模擬真實(shí)的風(fēng)場(chǎng)情況，并觀察外掛墻板的響應(yīng)。

2.4 響應(yīng)模擬

在模擬過程中，將首先導(dǎo)入建筑結(jié)構(gòu)的幾何模型和材料特性，然后施加適當(dāng)?shù)娘L(fēng)荷載，根據(jù)風(fēng)荷載的大小、方向和位置，模擬軟件將計(jì)算出外掛墻板所受的應(yīng)力、變形等響應(yīng)，觀察墻板的撓度、位移、應(yīng)力分布等情況，以評(píng)估其在風(fēng)荷載下的性能。

2.5 方法的準(zhǔn)確性和可靠性

驗(yàn)證與驗(yàn)證：將使用已有的理論計(jì)算、數(shù)值模擬結(jié)果或?qū)嶒?yàn)數(shù)據(jù)來(lái)驗(yàn)證我們的模擬結(jié)果，以確保模擬方法的正確性。

參數(shù)敏感性分析：進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，考慮不同材料參數(shù)、風(fēng)荷載情況等因素的變化對(duì)結(jié)果的影響，以評(píng)估模擬的穩(wěn)健性和可靠性。

與現(xiàn)實(shí)對(duì)比：如果條件允許，還可以與現(xiàn)實(shí)世界中已知的外掛墻板風(fēng)荷載響應(yīng)情況進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證我們模擬的結(jié)果是否與真實(shí)情況一致。

3.數(shù)值模擬/實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

3.1 外掛墻板幾何形狀與材料特性

選擇了一個(gè)典型的矩形外掛墻板作為研究對(duì)象，其尺寸為2 米高、1 米寬、0.1 米厚。墻板材料選取為標(biāo)準(zhǔn)混凝土。

彈性模量：E=30GPa

泊松比：ν=0.2

密度：ρ=2400kg/m3

3.2 邊界條件設(shè)置

為了模擬實(shí)際情況，必須設(shè)置了適當(dāng)?shù)倪吔鐥l件。

底部邊界：墻板底部在所有方向上固定，不允許任何移動(dòng)，模擬了其在地面上的固定情況。

頂部邊界：墻板頂部在垂直方向上允許自由移動(dòng)，以考慮上部的位移變化。

3.3 風(fēng)荷載的不同情況和作用方向

垂直風(fēng)荷載：施加從墻板正面方向吹來(lái)的垂直風(fēng)荷載，以模擬正常風(fēng)向下的外部風(fēng)力作用。這有助于評(píng)估墻板在正常風(fēng)條件下的受力情況。

水平風(fēng)荷載：模擬側(cè)風(fēng)的作用，施加水平方向的風(fēng)荷載，以模擬墻板在橫向風(fēng)向下的響應(yīng)。這有助于分析墻板的穩(wěn)定性和傾倒情況。

斜向風(fēng)荷載：考慮不同方向的風(fēng)，施加斜向風(fēng)荷載，模擬風(fēng)從其他角度吹來(lái)時(shí)的影響。這有助于評(píng)估墻板在不同風(fēng)向下的受力性能。

表1 不同風(fēng)荷載情況的參數(shù)設(shè)置和目標(biāo)

通過對(duì)這些不同情況下的數(shù)值模擬，我能夠獲得墻板在不同風(fēng)荷載方向下的位移、應(yīng)力和變形等信息，從而更全面地了解其受力性能和穩(wěn)定性。這些模擬結(jié)果對(duì)于優(yōu)化外掛墻板的設(shè)計(jì)和材料選擇具有重要意義。

4.結(jié)果與討論

4.1 應(yīng)力分布與變形情況

通過模擬分析，得出以下應(yīng)力分布結(jié)果，在低風(fēng)速下，墻板整體應(yīng)力較小，主要集中在連接部位，隨著風(fēng)速增加，墻板表面出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，可能引發(fā)一些應(yīng)力超限的區(qū)域。

在垂直風(fēng)荷載作用下，墻板的頂部產(chǎn)生了向內(nèi)的應(yīng)力，底部產(chǎn)生了向外的應(yīng)力。這是由于風(fēng)荷載導(dǎo)致墻板產(chǎn)生了彎曲變形，頂部受壓，底部受拉。這種應(yīng)力分布與之前的研究一致，驗(yàn)證了模擬方法的準(zhǔn)確性。

水平風(fēng)荷載引起了墻板的側(cè)向位移，同時(shí)在風(fēng)側(cè)產(chǎn)生了應(yīng)力集中。墻板可能會(huì)發(fā)生扭轉(zhuǎn)和傾倒，特別是在風(fēng)荷載較大的情況下。這與文獻(xiàn)中的觀察一致，強(qiáng)調(diào)了水平風(fēng)荷載對(duì)墻板穩(wěn)定性的重要影響。

斜向風(fēng)荷載導(dǎo)致墻板出現(xiàn)了復(fù)雜的應(yīng)力分布，同時(shí)產(chǎn)生了多方向的變形。這顯示了墻板在不同風(fēng)向下的受力行為，與已有研究結(jié)果相符。

表2 應(yīng)力分布與變形數(shù)據(jù)總結(jié)

4.2 結(jié)果與文獻(xiàn)綜述的一致性

研究結(jié)果與文獻(xiàn)綜述中的類似研究結(jié)果相一致。以往的研究也表明，在垂直風(fēng)荷載下，墻板頂部受壓，底部受拉；水平風(fēng)荷載可能導(dǎo)致墻板傾倒和扭轉(zhuǎn)；斜向風(fēng)荷載會(huì)引起復(fù)雜的應(yīng)力和變形。這種一致性增強(qiáng)了我們對(duì)墻板在不同風(fēng)荷載下行為的理解。

4.3 結(jié)果的影響與討論

這些研究結(jié)果對(duì)于外掛墻板的設(shè)計(jì)和材料選擇具有重要的影響。通過了解不同風(fēng)荷載情況下的應(yīng)力和變形情況，設(shè)計(jì)者可以更好地優(yōu)化外掛墻板的尺寸、形狀和材料，以提高其在不同風(fēng)條件下的穩(wěn)定性和安全性，這對(duì)于建筑結(jié)構(gòu)的可靠性至關(guān)重要。此外，這些模擬結(jié)果還可以指導(dǎo)實(shí)際工程中的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)，確保墻板在正常風(fēng)、側(cè)風(fēng)和其他風(fēng)向下都能夠承受合適的荷載而不失穩(wěn)。這將為建筑工程的實(shí)際施工提供更加精確的指導(dǎo)。

通過詳細(xì)的數(shù)值模擬分析，深入研究了外掛墻板在不同風(fēng)荷載情況下的應(yīng)力和變形。這些詳細(xì)的結(jié)果為外掛墻板設(shè)計(jì)提供了重要依據(jù)，同時(shí)與相關(guān)文獻(xiàn)的一致性也加強(qiáng)了這些結(jié)果的可靠性，在建筑領(lǐng)域，這項(xiàng)研究對(duì)于確保建筑結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性具有重要意義。

5.影響因素分析

外掛墻板的抗風(fēng)性能受多種因素的綜合影響。其中，墻板厚度、材料強(qiáng)度以及固定方式等因素在影響外掛墻板的抗風(fēng)性能方面起著關(guān)鍵作用。首先，墻板厚度是一個(gè)重要的考慮因素。較厚的墻板通常能夠更好地承受風(fēng)荷載，因?yàn)閴Π宓暮穸仍黾涌梢蕴嵘鋭偠群蛷?qiáng)度，從而降低風(fēng)荷載引起的變形和破壞風(fēng)險(xiǎn)。其次，所選用的材料強(qiáng)度也至關(guān)重要。高強(qiáng)度材料能夠有效抵抗風(fēng)荷載帶來(lái)的應(yīng)力和變形，從而增強(qiáng)墻板的整體穩(wěn)定性和抗風(fēng)能力。此外，固定方式也在影響中起到作用，采用適當(dāng)?shù)墓潭ǚ绞侥軌蛟鰪?qiáng)墻板與建筑結(jié)構(gòu)的連接，減少風(fēng)荷載引起的位移和振動(dòng)。

為了深入了解這些因素對(duì)外掛墻板抗風(fēng)性能的影響程度，可以通過參數(shù)分析或靈敏度分析來(lái)揭示，參數(shù)分析可以通過設(shè)定不同參數(shù)值，如墻板厚度、材料強(qiáng)度和固定方式的變化，來(lái)模擬墻板在風(fēng)荷載下的響應(yīng)。通過比較模擬結(jié)果，可以定量評(píng)估每個(gè)因素對(duì)抗風(fēng)性能的影響程度。

結(jié)語(yǔ)：

本論文旨在分析高層建筑中外掛墻板的抗風(fēng)性能，并總結(jié)了以下主要研究成果和貢獻(xiàn)。高層建筑的外掛墻板不僅影響建筑物的外觀，還承擔(dān)了風(fēng)荷載等重要力學(xué)作用，本論文旨在分析高層建筑中外掛墻板的抗風(fēng)性能，通過數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究，深入分析了外掛墻板在風(fēng)荷載下的受力特點(diǎn)、位移情況以及破壞機(jī)制，基于分析結(jié)果，論文提出了針對(duì)提升外掛墻板抗風(fēng)性能的結(jié)構(gòu)優(yōu)化建議。研究外掛墻板在不同風(fēng)速和風(fēng)向下的響應(yīng)，論文對(duì)高層建筑風(fēng)荷載設(shè)計(jì)準(zhǔn)則進(jìn)行了拓展和完善。通過對(duì)高層建筑中外掛墻板抗風(fēng)性能的深入分析，為該領(lǐng)域的研究和應(yīng)用做出了積極貢獻(xiàn)。