臺風(fēng)側(cè)向作用下單元式幕墻動力分析

    臺風(fēng)產(chǎn)生在熱帶海洋上，具有突發(fā)性強、破壞力大的特點，是世界上最嚴重的自然災(zāi)害之一。臺風(fēng)的破壞力主要由強風(fēng)、暴雨和風(fēng)暴潮3個因素引起。2006年的1號強臺風(fēng)“珍珠”(Chanchu)，在菲律賓、中國東南部、臺灣總共造成104人死亡以及12億美元的損失。2006年的4號強熱帶風(fēng)暴“碧利斯”(Bi-lis)，在菲律賓、臺灣、中國東南部總共造成672人死亡以及44億美元的損失。我國東南沿海各省市是遭受臺風(fēng)襲擊最為頻繁的地區(qū)，同時，這一地區(qū)又是我國經(jīng)濟騰飛的翅膀，隨著近20年的經(jīng)濟發(fā)展，東南沿海珠三角、長三角已成為我國經(jīng)濟最為發(fā)達地區(qū)。在現(xiàn)代化、工業(yè)化的驅(qū)使下，這一地區(qū)的高層和超高層建筑正逐年遞增，玻璃幕墻對現(xiàn)代建筑美學(xué)的詮釋更是毋庸置疑，對于作為地標性建筑的這些高層或是超高層建筑，更是青睞于玻璃幕墻結(jié)構(gòu)。

    建筑幕墻作為一個跨專業(yè)、跨行業(yè)的新興行業(yè)進入我國不過20多年，現(xiàn)今，中國已成為全球最大的建筑門窗與建筑幕墻的生產(chǎn)加工與使用國，每年生產(chǎn)使用各類門窗總面積超過4億平方米，每年生產(chǎn)安裝各類建筑幕墻超過5000萬平方米，每年產(chǎn)值數(shù)千億。單元式玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)形式特點是：首先將構(gòu)成玻璃幕墻的單元(骨架材料、玻璃、保溫隔熱材料)在專門的工廠中裝配成為整框，然后將其運送至施工現(xiàn)場。在施工現(xiàn)場只需將一個個幕墻單元依次安裝固定在建筑的主體結(jié)構(gòu)上。單元件在工廠內(nèi)加工制作，可以把玻璃、鋁板或其他材料在加工廠內(nèi)組裝在一個單元件上，促進了建筑工業(yè)化程度。因為單元件在加工廠內(nèi)整件組裝，易于在工廠內(nèi)進行檢查，有利于保證多元化整體質(zhì)量，保證了幕墻的工程質(zhì)量。單元式幕墻從樓層下方向上方安裝能夠和土建配合同步施工，大大縮短了工程周期。幕墻單元件安裝聯(lián)接接口構(gòu)造設(shè)計能吸收層間變位，通常可承受較大幅度建筑物移動，對高層建筑和鋼結(jié)構(gòu)類型建筑特別有利。單元式幕墻這種并不是很新的幕墻結(jié)構(gòu)因為造價高近些年才開始在我國使用，但隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展及工業(yè)化程度的提高，單元式幕墻開始廣泛地使用于國內(nèi)的重大工程，如上海環(huán)球金融中心。

    目前，玻璃幕墻抗風(fēng)的研究，因為起步早，國外的研究機構(gòu)及企業(yè)進行的比較多。20世紀60年代Davenport采用等效靜風(fēng)荷載代替實際的風(fēng)荷載進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，同時被美國、加拿大、澳大利亞、中國在內(nèi)的多國規(guī)范所采用。M.Mahendran，R. B.Tang等人著重對幕墻連接構(gòu)件的極限破壞做了相關(guān)研究實驗，為幕墻連接構(gòu)件設(shè)計提供了依據(jù)。Peter J.Vickery提出在幕墻鋼結(jié)構(gòu)加入拱背以達到減小應(yīng)力。國內(nèi)滕軍、馬伯濤等人則提出在高層建筑頂部懸挑幕墻處使用阻尼片隔振控制，達到了比較好的效果。

    單元式玻璃幕墻是將構(gòu)成玻璃幕墻的單元(橫豎骨架材料、玻璃、保溫隔熱材料)在專門的工廠中裝配成為整框，然后通過掛件直接在施工現(xiàn)場懸掛在主體結(jié)構(gòu)的預(yù)埋件上，水平方向相鄰兩板塊通過插槽連接，并在相應(yīng)位置開孔用活動螺栓連接，以達到板塊可以在水平、豎直兩個方向產(chǎn)生位移。

    1.1　單元式幕墻板塊連接

    單元式幕墻板塊豎向懸掛連接如圖1所示，陰影部分表示開長槽，以便板塊可以活動，橫向板塊同樣通過活動螺栓連接，如圖2所示。

    1.2　模型簡化

    現(xiàn)行設(shè)計中，通常把板塊當(dāng)作簡支的雙向板來考慮，往往也只施加板垂直面的靜荷載來檢驗玻璃的撓度或是型材的極限破壞設(shè)計值，而對于板塊橫向的位移一般都忽略考慮，僅按照以往經(jīng)驗值給于板塊之間5 cm的活動空間，以滿足溫度應(yīng)力下單元板塊的橫向位移。本文中擬用兩彈簧并聯(lián)連接兩個板塊，使得兩位多板塊能夠協(xié)調(diào)變形。對于側(cè)風(fēng)作用下，單元板塊豎向位移及平面外的扭轉(zhuǎn)本文不作考慮，在以后的研究中有待進一步分析。在本文中并不直接在單元板塊的節(jié)點施加位移約束，而是在與板塊連接的主體結(jié)構(gòu)的BEAM188單元上施加響應(yīng)的UY，UZ方向約束，對于UX不約束。

    2.1　臺風(fēng)風(fēng)譜模擬

    一般情況下，脈動風(fēng)速可作為高斯平穩(wěn)的隨機過程處理，且風(fēng)速譜服從正態(tài)分布。臺風(fēng)振動本身是一個非平穩(wěn)的隨機過程，然而，由于計算上的困難，往往按平穩(wěn)假定。

    目前，我國設(shè)計規(guī)范采用的是不隨高度變化的Davenport譜[4]，該風(fēng)譜也是國際上用得最多的水平脈動風(fēng)譜：

    石沅臺風(fēng)風(fēng)譜是石沅等學(xué)者對上海地區(qū)臺風(fēng)進行的實測，提出了不隨高度變化的石沅臺風(fēng)風(fēng)譜，其公式為：

    本文采用基于石沅臺風(fēng)風(fēng)譜，用MATLAB語言編制程序進行石沅臺風(fēng)風(fēng)譜分析，模擬出10層共40個單元板塊相應(yīng)的10個點的脈動風(fēng)載時程，圖3為結(jié)構(gòu)標高為216m處的脈動風(fēng)荷載時程圖。

    2.2.1　算例模型

    如圖4所示，本工程為上海市陸家嘴地塊某超高層建筑，本工程外墻采用橫滑式單元幕墻，玻璃采用6 mm+12 mm+6 mm的中空玻璃，彈性模量為7.2E11 N/m，密度為2.56×103kN/m3，泊松比為0.2;鋁型材采用6061T6型材，彈性模量為7.0E11N/m，密度為2.8×103kN/m3，泊松比為0.2。單元板塊為4000 mm×4500 mm，豎向采用2250+750+1500的網(wǎng)格構(gòu)成一個單元。一個單元為一層，每層共取4個單元，相鄰單元兩個彈簧串聯(lián)連接，各單元約束情況見表1。

    2.2.2　模態(tài)分析

    采用大型通用有限元軟件ANSYS對該結(jié)構(gòu)進行動力特性的分析，整個結(jié)構(gòu)共劃分552個線單元，120個面單元，使用BLOCK LANCZOS法對結(jié)構(gòu)進行模態(tài)分析，計算了結(jié)構(gòu)的前20階模態(tài)。圖5~8為前4階振型，頻率計算結(jié)果見表2。

    從以上振型圖可以看出，板塊基本都是以Y方向變形為主，這也符合實際工程規(guī)律。

    2.2.3　板塊動力響應(yīng)

    將臺風(fēng)石沅風(fēng)譜模擬得到10個點的臺風(fēng)荷載時程導(dǎo)入ANSYS并施加于結(jié)構(gòu)三維有限元模型再加載到一側(cè)單元的各個節(jié)點上，對于主體結(jié)構(gòu)約束Y，Z向位移，板塊除Z=0處約束三向位移，其他均不約束，而板塊與主體結(jié)構(gòu)的連接采用LINK8單元，板塊之間采用并聯(lián)彈簧形式，同一層彈簧剛度相同，第10層彈簧剛度為1.0E8N/m，第一層1.0E7N/m，中間層從1.0E8N/m~1.0E7N/m漸變插入，如圖9~13所示，X方向位移幅值對比見表3。

    3. 結(jié)論與建議

    (1)實際工程中，幕墻設(shè)計只計算垂直于平面的風(fēng)載，雖然考慮到側(cè)向可能產(chǎn)生的位移，但一般不作具體計算，雖然板塊的連接可以采用剛性連接，但剛性連接有其弊端，對于結(jié)構(gòu)抗風(fēng)是抗而不是引導(dǎo)，而采用彈簧軟連接對風(fēng)載采用引導(dǎo)耗能，有利于結(jié)構(gòu)抗風(fēng)。

    (2)在平面垂直方向板塊和主體結(jié)構(gòu)的連接如加入阻尼耗能裝置，不僅能減小片面垂直方向的位移，也能有效地減小平面內(nèi)板塊位移。

    (3)高層結(jié)構(gòu)設(shè)計方向是使得結(jié)構(gòu)趨于更柔，外墻結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度較大時，結(jié)構(gòu)對于風(fēng)載的響應(yīng)比較小。但是，當(dāng)剛度較小時，結(jié)構(gòu)會有比較大的響應(yīng)，本文中即模擬了剛度較小的外墻結(jié)構(gòu)對臺風(fēng)荷載的響應(yīng)。

    (4)在外墻結(jié)構(gòu)中使用彈簧軟連接對板塊加工工藝要求比較高，板塊在臺風(fēng)作用下振動，容易造成密封膠開裂，對幕墻的使用可能會造成較大影響。

    (5)本文未考慮幕墻板塊在側(cè)向和垂直兩向荷載共同作用下可能產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)效應(yīng)，有待在今后的工作中進一步完善。