合肥新橋國際機(jī)場航站樓索支承點(diǎn)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(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司， 北京 100053；2 清華大學(xué)土木工程安全與耐久教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100084)

0 研究背景

玻璃幕墻設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)參照相關(guān)規(guī)范或規(guī)程[1-3]中的相關(guān)規(guī)定，但其中玻璃幕墻支承體系設(shè)計(jì)計(jì)算相對獨(dú)立，沒有考慮其與主體結(jié)構(gòu)的耦合作用。目前，國內(nèi)有少數(shù)學(xué)者通過簡單的參數(shù)模型分析了玻璃幕墻與主體結(jié)構(gòu)在地震和風(fēng)振作用下的相互影響，但對實(shí)際工程中兩者相互影響的研究卻很少[4-7]。本文分析計(jì)算了合肥新橋國際機(jī)場航站樓3區(qū)在考慮索支承點(diǎn)支式玻璃幕墻時(shí)整體結(jié)構(gòu)的地震動力響應(yīng)，及索支承點(diǎn)支式玻璃幕墻在地震和風(fēng)振作用下的動力性能，并與靜力分析結(jié)果進(jìn)行對比。

1 工程概況

合肥新橋國際機(jī)場是4E級樞紐干線機(jī)場，其航站樓縱向長度801m，橫向?qū)挾?59m，建筑最大高度30m，總建筑面積約111 862m2。整個結(jié)構(gòu)劃分為5個溫度區(qū)段，如圖1所示，其中3區(qū)由11榀高度和跨度均不同的剛架縱向連接構(gòu)成，剛架組成如圖2所示，3區(qū)陸側(cè)采用索支承點(diǎn)支式玻璃幕墻，如圖3所示。

圖1 航站樓結(jié)構(gòu)分區(qū)示意圖

圖2 剛架構(gòu)件組成示意圖

圖3 3區(qū)陸側(cè)索支承幕墻立面示意圖

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn):建筑物安全等級一級,重要性系數(shù)1.1,設(shè)計(jì)使用年限50年,耐久性100年,抗震設(shè)防類別重點(diǎn)設(shè)防類(乙類)，抗震設(shè)防烈度7度，設(shè)計(jì)基本地震加速度0.1g，設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)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(yù)應(yīng)力索采用不銹鋼鋼絞線，拉索截面及力學(xué)性能如表1所示，結(jié)構(gòu)構(gòu)件截面尺寸按工程設(shè)計(jì)實(shí)際選用。

拉索截面及力學(xué)性能 表1

2.2 模型單元選擇

采用ANSYS有限元軟件建模，各構(gòu)件單元類型選擇如下：梁柱為Beam44單元，轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)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(zhì)量單元采用Mass21單元。單元連接均采用共節(jié)點(diǎn)剛接，轉(zhuǎn)換節(jié)點(diǎn)處建立殼單元和梁單元，通過耦合實(shí)現(xiàn)連接，鋼材、混凝土、玻璃等材料均被視為彈性材料，整體結(jié)構(gòu)有限元模型如圖4所示。

圖4 整體結(jié)構(gòu)有限元模型

2.3 計(jì)算說明

(1)荷載代表值

計(jì)算地震作用時(shí)，建筑的重力荷載代表值應(yīng)取結(jié)構(gòu)及構(gòu)配件自重標(biāo)準(zhǔn)值和各可變荷載組合值之和[8]。其中，雪荷載組合值系數(shù)取0.5，按實(shí)際計(jì)算的樓面活荷載組合值系數(shù)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(jì)入。將以上荷載等效為質(zhì)量單元添加在相應(yīng)節(jié)點(diǎn)處,結(jié)構(gòu)和構(gòu)配件自重由軟件自行計(jì)算。

(2)計(jì)算模型處理

進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，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(jìn)行了簡化處理：將玻璃幕墻單元和拉索的質(zhì)量設(shè)置為零，將其質(zhì)量等效為節(jié)點(diǎn)質(zhì)量添加在主體結(jié)構(gòu)上。這樣既能準(zhǔn)確地分析玻璃幕墻和主體結(jié)構(gòu)的耦合作用，同時(shí)又可避免前幾階振型出現(xiàn)玻璃幕墻的局部自振，無法得到整體結(jié)構(gòu)的自振特性[9]。

3 自振特性分析

表2列出了整體結(jié)構(gòu)前6階的自振周期及頻率，圖5為整體結(jié)構(gòu)前6階振型圖。低階振型均發(fā)生在鋼結(jié)構(gòu)部分，由圖5可以看出：1)在整體結(jié)構(gòu)前6階振型中，既存在單榀剛架的整榀扭轉(zhuǎn)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(shù)榀剛架的局部振動(第6階)；2)由于結(jié)構(gòu)的兩向跨度及剛度相當(dāng)，出現(xiàn)沿兩個方向的振動交叉，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)受力不均，局部荷載較大，出現(xiàn)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(jié)構(gòu)自振頻率及周期 表2

圖5 整體結(jié)構(gòu)前6階振型圖

4 地震時(shí)程分析

4.1 地震波選取

按建筑場地類別和設(shè)計(jì)地震分組選用不少于兩組的實(shí)際強(qiáng)震記錄和一組人工模擬的加速度時(shí)程曲線，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行多遇地震下的時(shí)程分析[10-12]。

本工程抗震設(shè)防烈度為7度，對應(yīng)多遇地震峰值加速度為0.35m/s2，設(shè)計(jì)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(jù)場地類別和設(shè)計(jì)地震分組，選用三組地震波，一組為人工波，由規(guī)范反應(yīng)譜合成，另外兩組為實(shí)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(diào)整為0.35m/s2，加速度時(shí)程持續(xù)時(shí)間取20s。

4.2 整體鋼結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)

對含索網(wǎng)玻璃幕墻與不含索網(wǎng)玻璃幕墻的整體結(jié)構(gòu)分別施加兩個水平方向的三組地震波，提取鋼結(jié)構(gòu)屋蓋的平動和扭轉(zhuǎn)響應(yīng)，比較航站樓3區(qū)兩種情況下整體鋼結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)的異同。其中，提取GJ3-1(邊跨)中部節(jié)點(diǎn)2828的X,Y向位移，GJ3-6(中跨)中部節(jié)點(diǎn)2570的X,Y向位移，為考察GJ3-1的扭轉(zhuǎn)，提取其端部節(jié)點(diǎn)4710,6226的Y向位移，兩節(jié)點(diǎn)位移差除以跨度101.8m即為其轉(zhuǎn)角。其中X向?yàn)闄M向，Y向?yàn)榭v向，節(jié)點(diǎn)號為模型中的節(jié)點(diǎn)編號。

限于篇幅，本文僅列出Taft波作用時(shí)上述部分節(jié)點(diǎn)位移及GJ3-1轉(zhuǎn)角的時(shí)程響應(yīng)對比，如圖6所示，由于實(shí)際工程結(jié)構(gòu)復(fù)雜，計(jì)算結(jié)果表現(xiàn)出較大的隨機(jī)性，歸納可看出：1)發(fā)生X向的地震作用時(shí)，索網(wǎng)幕墻對主體結(jié)構(gòu)響應(yīng)影響較大，含索網(wǎng)幕墻與不含索網(wǎng)幕墻所列節(jié)點(diǎn)最大位移比值范圍為1.40～2.85，所列剛架轉(zhuǎn)角比值范圍為1.54～1.71；2)發(fā)生Y向的地震作用時(shí)，索網(wǎng)幕墻對主體結(jié)構(gòu)X向位移影響較大，含索網(wǎng)幕墻與不含索網(wǎng)幕墻所列節(jié)點(diǎn)最大位移比值范圍為1.84～2.27，對Y向位移和轉(zhuǎn)角影響較小，所列節(jié)點(diǎn)最大位移比值范圍為0.93～1.11，所列剛架轉(zhuǎn)角比值范圍為0.88～1.01。

圖6 整體結(jié)構(gòu)Taft地震波響應(yīng)對比(部分)

4.3 幕墻結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)

提取幕墻具有代表性節(jié)點(diǎn)和單元的平動位移及內(nèi)力，以考察地震作用下幕墻結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力變化情況。具體選取節(jié)點(diǎn)和單元為：邊跨GJ3-1與GJ3-2區(qū)間索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)30579，橫索單元18705，豎索單元18955。各節(jié)點(diǎn)和單元在幕墻中的位置見圖7。

圖7 索網(wǎng)幕墻代表節(jié)點(diǎn)和單元位置(部分)

圖8為上述部分代表節(jié)點(diǎn)的水平位移響應(yīng)及拉索單元的內(nèi)力響應(yīng)，與文獻(xiàn)[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(yīng)周期較長，而隨Y向地震作用的響應(yīng)周期較短；2)靜力分析時(shí)，最大索內(nèi)力53.8kN，最大索位移0.125m；動力時(shí)程分析時(shí)最大索內(nèi)力49.9kN，最大索側(cè)移0.159m；3)無論是位移還是內(nèi)力，都在規(guī)范允許的范圍內(nèi)波動，玻璃幕墻支承設(shè)計(jì)安全可靠。

圖8 幕墻結(jié)構(gòu)Taft地震波響應(yīng)對比(部分)

5 風(fēng)振時(shí)程分析

5.1 風(fēng)壓時(shí)程模擬方法

對于自然風(fēng)，當(dāng)其作用于結(jié)構(gòu)物上時(shí)，氣流受到建筑物的影響，依據(jù)準(zhǔn)定常假設(shè)，結(jié)構(gòu)物某位置處的風(fēng)壓可表示為：

(1)

脈動風(fēng)速時(shí)程和平均風(fēng)速確定之后，根據(jù)風(fēng)速和風(fēng)壓的關(guān)系式(1)，確定結(jié)構(gòu)各點(diǎn)處風(fēng)壓的時(shí)程曲線。根據(jù)結(jié)構(gòu)上各點(diǎn)荷載作用面積，可將風(fēng)壓時(shí)程轉(zhuǎn)化為各點(diǎn)處的集中荷載時(shí)程。

5.2 風(fēng)壓時(shí)程模擬結(jié)果

地面粗糙度類別B類，粗糙度系數(shù)α取0.16，計(jì)算可得地表阻力系數(shù)K為0.004 14，基本風(fēng)壓取0.4kN/m2，空氣密度取1.226 3kg/m3。陸側(cè)索網(wǎng)幕墻共951個節(jié)點(diǎn)，面積約為4 263m2，計(jì)算得到每個節(jié)點(diǎn)覆蓋的風(fēng)壓面積約為8.66m2。風(fēng)振響應(yīng)計(jì)算時(shí)代表節(jié)點(diǎn)位置見圖9。

圖9 風(fēng)振響應(yīng)代表節(jié)點(diǎn)位置

模擬風(fēng)壓激勵時(shí)間為300s，時(shí)間間隔為0.1s，模擬節(jié)點(diǎn)的風(fēng)壓時(shí)程曲線如圖10所示。由于幕墻與地面夾角約為120°，所得風(fēng)壓方向?yàn)槟粔Ψㄏ?，因此?dāng)施加荷載時(shí)應(yīng)對上述所得風(fēng)壓進(jìn)行分解，分為X向和Z向進(jìn)行施加。

圖10 代表節(jié)點(diǎn)風(fēng)壓時(shí)程曲線(部分)

5.3 索網(wǎng)幕墻風(fēng)振動力響應(yīng)

提取代表節(jié)點(diǎn)的平動位移和拉索內(nèi)力，以考察風(fēng)振作用下幕墻結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力變化情況[15-17]。具體選取的節(jié)點(diǎn)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(jié)點(diǎn)和拉索的風(fēng)振響應(yīng)及幕墻結(jié)構(gòu)部分時(shí)間點(diǎn)的變形云圖，與文獻(xiàn)[13]中所述靜力性能分析對比可見：1)在模擬風(fēng)振作用下，拉索的節(jié)點(diǎn)平面位移及拉索內(nèi)力的波動幅度隨時(shí)間逐漸減小，并趨于平穩(wěn)；2)幕墻變形較大區(qū)域主要集中在結(jié)構(gòu)中部偏上的位置，隨時(shí)間變化，變形較大區(qū)域的位置沒有明顯改變；3)靜力分析時(shí)，最大索內(nèi)力59.5kN，最大索側(cè)移0.130m；動力時(shí)程分析時(shí)最大索內(nèi)力51.5kN，最大索側(cè)移0.128m；4)無論是側(cè)移還是內(nèi)力，都在規(guī)范允許的范圍內(nèi)波動，說明設(shè)計(jì)是安全可靠的。

圖11 幕墻結(jié)構(gòu)風(fēng)振響應(yīng)(部分)

圖12 幕墻結(jié)構(gòu)風(fēng)振位移響應(yīng)/m

6 結(jié)論

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

(2)通過對含幕墻和不含幕墻的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行對比分析可知，當(dāng)發(fā)生X向的地震作用時(shí)，幕墻對主體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)有影響；當(dāng)發(fā)生Y向的地震作用時(shí)，幕墻對主體結(jié)構(gòu)X向的位移響應(yīng)有影響，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮兩者之間的耦合作用。

(3)通過地震時(shí)程分析，并與靜力分析結(jié)果對比可知，幕墻的位移和內(nèi)力，都在規(guī)范允許的范圍內(nèi)波動。在考慮水平地震作用時(shí)，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(fēng)振時(shí)程分析，并與靜力分析結(jié)果對比可知，幕墻的位移和內(nèi)力，都在規(guī)范允許的范圍內(nèi)波動，幕墻變形較大的區(qū)域主要集中在結(jié)構(gòu)中部偏上部分。

(5)計(jì)算結(jié)果表明，合肥新橋國際機(jī)場3區(qū)航站樓索支承點(diǎn)支式玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)動力性能良好，在地震和風(fēng)荷載作用下，其設(shè)計(jì)滿足承載能力和正常使用的要求,其計(jì)算結(jié)果與靜力分析結(jié)果吻合較好。