厦门国际物流中心幕墙钢结构设计探讨

　　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。建筑外幕墙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，其中的主入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，玻璃挑檐下方是主入口台阶，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硷结构柱铰接连接，下端拐点处与主体硅结构柱顶铰接连接。Z形钢架间隔4.2m布置一榻，下端六根主体硷结构柱间距分别为8.4m、15m、16.8m,16. 8m、15m、8.4m，主体结构柱之间布置一排8[70 x 600 x 25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。

　　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，下方气流可以进人弧形玻璃立面内侧，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Cp=0.45(向下)，我们综合分析后取Cp=0.5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Cp=-0.12,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Cp=-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。由于下端主体结构住间距较远，最大间距为16. 8m，而Z形钢架间距为4.2m，所以，首先在主体硅结构柱顶布置一排800 x 600 x 25mm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硅结构梁铰接连接，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，采用圆管析架、方管柑架、实腹式H型钢以及箱形截面对比分析计算。

　　A、彬架形式受力最合理，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150 x 450 x 12 x 25mm箱形截面，横向次钢梁采用100 x150 x5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5AP2000和Rabat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)次钢梁受力较小，采用学Q235B材质的钢材，由于幕墙连接m要最终选用100 x150、5mm钢方通，最大应力为103.845N/mm²<215N/mm²。

　　(2) 2形主钢架受力较大，采用Q345B材质的钢材，选用150 x 450 x 12 x 25mm箱形截面，最大应力为242. 452N/mm²，<295NImm²。

　　(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+0.98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50倍示意)

　　３.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。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矽结构柱以及屋顶主体硷结构边梁连接。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。而边梁部位，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，悬挑钢梁与主体结构边梁连接的支座设计为铰接支座。

 

　　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位与临时固定。这个大钢结构的每福Z形钢架重量为5吨多，而且要吊装到30多米高空安装定位，中间的各福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30多米高空实现与屋顶悬挑主钢梁等强对接，吊装定位及焊接者阳卜常困难。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:

　　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30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，厚度和尺寸根据计算确定。


　　4.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

　　　　《玻璃幕墙工程技术规范》，JGJ 102-2003
　　　　《钢结构设计规范》，GB 50017－2003
　　　　《建筑抗震设计规范》，GB 50011－2001(2008年版)
　　　　《建筑结构荷载规范》，GBS0009－2001(2006年版)

原文地址：http://www.52mqw.com/info/2009-4-16/15095-1.htm 此文由 中国幕墙网 www.alwindoor.com 收集整理,未经许可不得转载!
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