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1、2 0 0 9 年全国铝门窗幕墙行业年会 仓文 厦门国际物流中心幕墙钢结构设计探讨 罗青正 深圳市方丈装饰工程有限公司 关t 词风洞实验报告；钢结构概念墩计；软件分析计算；局部连接 伴随着我国经济技术实力的迅速腾飞，建筑的外形也发生了翻天覆地的变化。建筑外 幕睛直接决定着建筑外部形象和建筑所在地区的影响力，也是企业文化与社会交流的一个 窗口，是建筑形象的“外衣”。幕墙要想实现各种造型的外观要求，其主受力结构非常关 键，往往会采用结构形式多样，受力比较合理轻巧的钢结构体系。这样必然会对幕墙公司 提出更高的设计及施工要求。 位于海滨城市的厦门，由我们深圳方大公司承建幕墙工程的厦门国际物流中心工程，
2、 其中的主人口钢结构玻璃挑檐就是一个造型独特，设计要求极高的设计难点。以下从风荷 载取值、钢结构受力分析计算、钢结构局部连接几个方面进行分析探讨。 1 风荷载取值研究 主人口部位屋面玻璃采光顶、弧形玻 璃立面以及玻璃挑檐通过一条z 形圆滑过 渡弧线连成一体，玻璃挑檐下方是主人口 台阶，风可以进入弧形玻璃立面内侧，而 且弧形玻璃立面及采光顶两侧与主体结构 有一定的间隙，可透风释压。z 形钢架上 端与屋顶主体砼结构柱铰接连接，下端拐 点处与主体砼结构柱顶铰接连接。z 形钢 架间隔42 m 布置一榀，下端六根主体砼 结构柱间距分别为84 m 、1 5 m 、1 68 m 、 妙 1 68 m 、1
3、5 m 、84 m ，主体结构柱之间布置一排8 0 1 1x 6 0 0 2 5 箱形主钢梁，不在结构柱部 位的z 形钢架下端与箱形主梁铰接连接。具体钢结构布置详见下图所示。 由于该幕墙钢结构造型复杂，而且下端和内侧都可透风，风荷载取值比较复杂，所以 委托北京大学力学与工程科学系空气动力学实验室对该部位做了风荷载风洞模拟实验。目 前，通过正确的风洞模拟实验仍然是获得不规则形状建筑物或结构物风荷载体形系数的有 效手段不过，我们还应根据建筑结构荷载规范进行局部修正和调整。 2 4 3 2 0 0 9 年全国铝门窗幕墙行业年会论文 2 4 4 钢结构三维布置图 正风向时气流示意图 2 0 0 9 年
4、全国铝门窗幕墙行业年会论文 该部位荷载计算标高最高处为3 5 5 m ，对A 类地区，该处风压高度变化系数取：I L ：= 1 8 7 ；取阵风系数：p 。= 1 5 3 1 ；体型系数依据北京大学力学与工程科学系提供的厦门 国际物流中心入口幕墙风荷载风洞实验报告以及建筑结构荷载规范综合考虑。依 据风洞试验相关说明，风荷载计算中的斗。斗。相当于风洞试验报告中的 y C 。，且1 按 3 5 5 m 标高位置的风压高度变化系数1 8 7 取值，风洞试验报告中的压力系数c 。近似于体 型系数。经过对风洞实验结果数据和建筑结构荷载规范对比研究整理后，得出的各部位 体型系数如下： 迎风面情况下各部位体
5、型系数图 苗蠡若i 兰i b J 自2 t L 背风面情况下各部位体型系数图 在对各部位体型系数研究中，得知弧形立面、顶面的风洞实验数据与荷载规范数据非常 接近。而挑檐部位，在迎风面情况下，下方气流可以进入弧形玻璃立面内侧，上方气流对挑 檐有向下的压力，所有风洞实验报告中，迎风面情况下C p = 0 4 5 ( 向下) ，我们综合分析后 取c p = o 5 计算。在背风面情况下，气流对挑檐主要是向上的力，风洞实验报告中C p = 一 0 1 2 ，往往雨蓬向上的风荷载会比较大，但考虑到该挑檐下方透风，所以取C p = 一1 0 。 2 钢结构受力分析计算 2 1 整体结构概念设计 在钢结构设
6、计的整个过程中应该强调”概念设计”，它在结构选型与布置阶段尤其重 2 4 5 、镡LL ，叫 2 0 0 9 年全国铝门窗幕墙行业年会论文 要。对一些难以作出精确理性分析或规范未规定的问题，可依据从整体结构体系与分体系 之间的力学关系、破坏机理、震害、试验现象和工程经验所获得的设计思想，从全局的角 度来确定控制结构的布置及细部措施。在物流主人口大钢结构设计中，整体结构概念设计 我们是按如下几个步骤考虑分析的： ( 1 ) 对钢结构系统进行整体分析，确定力的传递路线及钢件的布置原则。由于下端主 体结构柱间距较远，最大间距为1 6 8 m ，而z 形钢架间距为4 2 m ，所以，首先在主体砼 结构
7、柱顶布置一排8 0 0 6 0 0 2 5 m m 箱形主钢梁，用来支撑z 形钢架的下支座点。 ( 2 ) z 形钢架上端与屋顶主体砼结构梁铰接连接，下端与主体结构柱顶或者柱间箱形 主钢梁铰接连接。考虑到柱间钢梁跨度较大，z 形钢架下端如果采用固端连接必然会对钢 梁产生很大的扭矩，所以采用铰接连接，而且铰接支座高度尽量做到最小，使下支座反力 对钢梁扭转的力臂减小。 ( 3 ) 对z 形钢架截面反复优化，采用圆管桁架、方管桁架、实腹式H 型钢以及箱形 截面对比分析计算。 A 、桁架形式受力最合理，用钢量少，但占空间太大，效果不理想。 B 、实腹式截面截面会稍大一些，但占空间小。由于杆件主要是弯矩
8、起控制作用，采 用H 型截面受力合理，但H 型内侧面交点容易积灰，而且H 型钢连接处较复杂，对该部 位而言效果不理想。采用箱形截面受力合理，翼缘根据计算加厚，连接部位简洁，外形 美观。 所以经过反复比较分析后，主要构件Z 形钢架截面采用1 5 0X 4 5 0 1 2 2 5 m m 箱形截 面，横向次钢梁采用1 0 0 1 5 0 5 钢通。 2 2 采用软件分析计算 由于结构形式复杂，为了保证计算结果的准确性，我们采用了S A P 2 0 0 0 和R o b o t 两个 大型有限元分析软件进行计算比较，经过软件多次调试计算、手算校核对比后，最终计算 结果整理如下： ( 1 ) 次钢梁受
9、力较小，采用Q 2 3 5 B 材质的钢材，由于幕墙连接需要最终选用1 0 0 1 5 0 5 r a m 钢方通，最大应力为1 0 3 8 4 5 N m m 2 2 1 5 N r a m 2 。 ( 2 ) z 形主钢架受力较大，采用Q 3 4 5 B 材质的钢材，选用1 5 0x 4 5 0 1 2 2 5 m m 箱形 截面，最大应力为2 4 2 4 5 2 N m m 2 2 9 5 N r a m 2 。 ( 3 ) 在z 形钢架拐点部位，弯矩比较大，所以加大箱形截面高度，采用弧线圆滑过 渡，既提高了拐点强度而且效果美观。 ( 4 ) 在模态振形分析时，结构侧向稳定性比较薄弱，所
10、以在顶面两侧部位，增加两个 交叉斜拉杆，保证钢结构侧向稳定性。 ( 5 ) 对各种工况组合分析后，1 2 钢结构自重+ 1 2 面板及遮阳构架自重+ 1 4 正风 压+ 0 9 8 活荷载为最不利荷载基本组合工况，杆件应力达到最大。 ( 6 ) 在标准组合工况中，钢结构自重+ 面板及遮阳构架自重+ 正风压为最不利标准组 合工况，结构挠度变形达到最大。 最不利标准组合工况下结构变形示意图：( 图为实际变形情况5 0 倍示意) 2 4 6 2 0 0 9 年全国铝门窗幕墙行业年会论文 2 钢结构局部连接 连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一。在结构分析前，就应该对节点的形 式有充分思考与确定
11、。常常出现的一种情况是，最终设计的节点与结构分析模型中使用的 形式不完全一致，这必须避免。按传力特性不同，节点分刚接，铰接和半刚接。 连接的不同对结构影响甚大，比如，有的刚接节点虽然承受弯矩没有问题，但会产生 较大转动，不符合结构分析中的假定，会导致实际工程变形大于计算数据等的不利结果。 在物流主人口大钢结构设计中，屋顶钢结构延伸段部位，悬挑钢梁支座端部与屋顶主 体砼结构柱以及屋顶主体砼结构边梁连接。在结构柱部位，将悬挑主钢梁与结构柱中的H 型钢骨固端连接，保证钢梁支座端部的足够刚度，与计算模型一致。丽边梁部位，由于结 构边梁在侧边扭矩作用下会产生扭转变形，不能达到固端支座的要求，所以，悬挑钢
12、梁与 主体结构边梁连接的支座设计为铰接支座。 与主体铜1 连接的遣1 5 m 铜结构譬主体一起先童工 屋顶悬挑钢梁端部支座与结构柱连接节点 节点设计还应考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等。考虑不周， 往往会出现构件运到现场无法安装的现象。此外，还应尽可能使工人能方便的进行现场定 2 4 7 2 0 0 9 年全国铝门窗幕墙行业年会论文 位与临时固定。这个大钢结构的每榀z 形钢架重量为5 吨多，而且要吊装到3 0 多米高空 安装定位，中间的各榀钢架可以通过先定好上下支座来实现安装要求，然而两侧最边的悬 挑钢架安装就比较麻烦了，它要在3 0 多米高空实现与屋顶悬挑主钢梁等强对接，吊
13、装定 位及焊接都非常困难。所以最边钢架连接部位我们采用了先临时固定后等强焊接的方式。 具体连接节点如下： 屋顶悬挑钢梁与边钢架对接节点 悬挑主钢粱 最边上的钢架吊装上去后，先与屋顶悬挑主钢梁通过节点板螺栓固定，然后对翼缘板 焊接，最后再封两侧封口腹板。这样就真正实现了在3 0 多米高空等强对接。 简支梁就抗弯强度来说，对不动铰支座的要求仅仅是阻止位移，同时允许在平面内转 动，然而在处理梁整体稳定时上述要求就不够了。支座还需能够阻止梁绕纵轴扭转，同时 允许梁在水平平面内转动和梁端截面自由翘曲，以符合稳定分析所采取的边界条件。所以 在铰接支座节点设计中，支座肋板的侧边需设置加强肋板，厚度和尺寸根据
14、计算确定。 3 结束语 建筑的外衣千变万化，但结构设计原理和基本理论还是万变不离其宗，本人通过对多 个大型幕墙钢结构的设计，总结了以下几点体会，与大家一起分享。 1 ) 将幕墙和钢结构结合为一体来研究，选择最美观合理的结构形式。 2 ) 根据结构形式分析出各部位的风荷载大小及方向，充分考虑各种荷载及作用的最 不利组合情况。 3 ) 通过概念设计，从全局的角度来确定控制结构的布置及细部措施。 4 ) 结构建模分析计算，计算模型要与实际结构形式及连接相符合，准确的定义好结 构的各边界条件。同时，要具备扎实的力学功底，用力学原理判断计算结果的准确性。 5 ) 必须对结构整个体系以及局部构件的稳定性进
15、行分析计算，以免在设计过程中发 生不必要的失稳损失。 6 ) 局部连接非常重要，需与计算模型相一致，应考虑各种不利因素，有足够的安 2 4 8 2 0 0 9 年全国铝门窗幕墙行业年会论文 全度： 7 ) 需对构件的加工工艺及运输安装有全面的了解，要真正能加工出来安装到位的结 构才是确实可行的设计作品。 参考文献 1 玻璃幕墙工程技术规范，J G J1 0 2 2 0 0 3 2 钢结构设计规范，G B5 0 0 1 7 2 0 0 3 3 建筑抗震设计规范，G B5 0 0 1 1 2 0 0 1 ( 2 0 0 8 年版) 4 建筑结构荷载规范，G B5 0 0 0 9 2 0 0 1 ( 2 0 0 6 年版) 2 4 9
