臺(tái)風(fēng)側(cè)向作用下單元式幕墻動(dòng)力分析

    臺(tái)風(fēng)產(chǎn)生在熱帶海洋上，具有突發(fā)性強(qiáng)、破壞力大的特點(diǎn)，是世界上最嚴(yán)重的自然災(zāi)害之一。臺(tái)風(fēng)的破壞力主要由強(qiáng)風(fēng)、暴雨和風(fēng)暴潮3個(gè)因素引起。2006年的1號(hào)強(qiáng)臺(tái)風(fēng)“珍珠”(Chanchu)，在菲律賓、中國(guó)東南部、臺(tái)灣總共造成104人死亡以及12億美元的損失。2006年的4號(hào)強(qiáng)熱帶風(fēng)暴“碧利斯”(Bi-lis)，在菲律賓、臺(tái)灣、中國(guó)東南部總共造成672人死亡以及44億美元的損失。我國(guó)東南沿海各省市是遭受臺(tái)風(fēng)襲擊最為頻繁的地區(qū)，同時(shí)，這一地區(qū)又是我國(guó)經(jīng)濟(jì)騰飛的翅膀，隨著近20年的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，東南沿海珠三角、長(zhǎng)三角已成為我國(guó)經(jīng)濟(jì)最為發(fā)達(dá)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(duì)現(xiàn)代建筑美學(xué)的詮釋更是毋庸置疑，對(duì)于作為地標(biāo)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(gè)跨專(zhuān)業(yè)、跨行業(yè)的新興行業(yè)進(jìn)入我國(guó)不過(guò)20多年，現(xiàn)今，中國(guó)已成為全球最大的建筑門(mén)窗與建筑幕墻的生產(chǎn)加工與使用國(guó)，每年生產(chǎn)使用各類(lèi)門(mén)窗總面積超過(guò)4億平方米，每年生產(chǎn)安裝各類(lèi)建筑幕墻超過(guò)5000萬(wàn)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(diǎn)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(zhuān)門(mén)的工廠中裝配成為整框，然后將其運(yùn)送至施工現(xiàn)場(chǎng)。在施工現(xiàn)場(chǎng)只需將一個(gè)個(gè)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(gè)單元件上，促進(jìn)了建筑工業(yè)化程度。因?yàn)閱卧�件在加工廠內(nèi)整件組裝，易于在工廠內(nèi)進(jìn)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(jì)能吸收層間變位，通常可承受較大幅度建筑物移動(dòng)，對(duì)高層建筑和鋼結(jié)構(gòu)類(lèi)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?yàn)樵靸r(jià)高近些年才開(kāi)始在我國(guó)使用，但隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及工業(yè)化程度的提高，單元式幕墻開(kāi)始廣泛地使用于國(guó)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?yàn)槠鸩皆�，�?guó)外的研究機(jī)構(gòu)及企業(yè)進(jìn)行的比較多。20世紀(jì)60年代Davenport采用等效靜風(fēng)荷載代替實(shí)際的風(fēng)荷載進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，同時(shí)被美國(guó)、加拿大、澳大利亞、中國(guó)在內(nèi)的多國(guó)規(guī)范所采用。M.Mahendran，R. B.Tang等人著重對(duì)幕墻連接構(gòu)件的極限破壞做了相關(guān)研究實(shí)驗(yàn)，為幕墻連接構(gòu)件設(shè)計(jì)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(dá)到減小應(yīng)力。國(guó)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(dá)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(zhuān)門(mén)的工廠中裝配成為整框，然后通過(guò)掛件直接在施工現(xiàn)場(chǎng)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(guò)插槽連接，并在相應(yīng)位置開(kāi)孔用活動(dòng)螺栓連接，以達(dá)到板塊可以在水平、豎直兩個(gè)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(kāi)長(zhǎng)槽，以便板塊可以活動(dòng)，橫向板塊同樣通過(guò)活動(dòng)螺栓連接，如圖2所示。

    1.2　模型簡(jiǎn)化

    現(xiàn)行設(shè)計(jì)中，通常把板塊當(dāng)作簡(jiǎn)支的雙向板來(lái)考慮，往往也只施加板垂直面的靜荷載來(lái)檢驗(yàn)玻璃的撓度或是型材的極限破壞設(shè)計(jì)值，而對(duì)于板塊橫向的位移一般都忽略考慮，僅按照以往經(jīng)驗(yàn)值給于板塊之間5 cm的活動(dòng)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(gè)板塊，使得兩位多板塊能夠協(xié)調(diào)變形。對(duì)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(jìn)一步分析。在本文中并不直接在單元板塊的節(jié)點(diǎn)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(duì)于UX不約束。

    2.1　臺(tái)風(fēng)風(fēng)譜模擬

    一般情況下，脈動(dòng)風(fēng)速可作為高斯平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程處理，且風(fēng)速譜服從正態(tài)分布。臺(tái)風(fēng)振動(dòng)本身是一個(gè)非平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程，然而，由于計(jì)算上的困難，往往按平穩(wěn)假定。

    目前，我國(guó)設(shè)計(jì)規(guī)范采用的是不隨高度變化的Davenport譜[4]，該風(fēng)譜也是國(guó)際上用得最多的水平脈動(dòng)風(fēng)譜：

    石沅臺(tái)風(fēng)風(fēng)譜是石沅等學(xué)者對(duì)上海地區(qū)臺(tái)風(fēng)進(jìn)行的實(shí)測(cè)，提出了不隨高度變化的石沅臺(tái)風(fēng)風(fēng)譜，其公式為：

    本文采用基于石沅臺(tái)風(fēng)風(fēng)譜，用MATLAB語(yǔ)言編制程序進(jìn)行石沅臺(tái)風(fēng)風(fēng)譜分析，模擬出10層共40個(gè)單元板塊相應(yīng)的10個(gè)點(diǎn)的脈動(dòng)風(fēng)載時(shí)程，圖3為結(jié)構(gòu)標(biāo)高為216m處的脈動(dòng)風(fēng)荷載時(shí)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(gè)單元。一個(gè)單元為一層，每層共取4個(gè)單元，相鄰單元兩個(gè)彈簧串聯(lián)連接，各單元約束情況見(jiàn)表1。

    2.2.2　模態(tài)分析

    采用大型通用有限元軟件ANSYS對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)力特性的分析，整個(gè)結(jié)構(gòu)共劃分552個(gè)線單元，120個(gè)面單元，使用BLOCK LANCZOS法對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行模態(tài)分析，計(jì)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(jì)算結(jié)果見(jiàn)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(shí)際工程規(guī)律。

    2.2.3　板塊動(dòng)力響應(yīng)

    將臺(tái)風(fēng)石沅風(fēng)譜模擬得到10個(gè)點(diǎn)的臺(tái)風(fēng)荷載時(shí)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(gè)節(jié)點(diǎn)上，對(duì)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(duì)比見(jiàn)表3。

    3. 結(jié)論與建議

    (1)實(shí)際工程中，幕墻設(shè)計(jì)只計(jì)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(jì)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(duì)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(duì)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(jì)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(shí)，結(jié)構(gòu)對(duì)于風(fēng)載的響應(yīng)比較小。但是，當(dāng)剛度較小時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)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(duì)臺(tái)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(duì)板塊加工工藝要求比較高，板塊在臺(tái)風(fēng)作用下振動(dòng)，容易造成密封膠開(kāi)裂，對(duì)幕墻的使用可能會(huì)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(jìn)一步完善。