摘 要：風(fēng)災(zāi)是自然災(zāi)害的主要災(zāi)種之一, 由于全球氣候變暖, 風(fēng)災(zāi)變得更為頻繁, 每年造成全球經(jīng)濟(jì)損失達(dá)數(shù)百億甚至千億美元, 而我國(guó)東南沿海地區(qū)又是受風(fēng)災(zāi)影響比較嚴(yán)重的區(qū)域。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展, 越來(lái)越多的高層和超高層建筑在我國(guó)東南沿海地區(qū)拔地而起, 隨著我國(guó)工業(yè)化程度的提高, 單元式幕墻因其能較好地吸收層間位移的特點(diǎn)而廣泛地使用于這些高層與超高層建筑。同時(shí), 建筑外墻結(jié)構(gòu)在風(fēng)災(zāi)的影響下發(fā)生破壞的案例更是時(shí)有發(fā)生。本文基于石沅臺(tái)風(fēng)風(fēng)譜, 模擬風(fēng)荷載, 將其應(yīng)用于對(duì)超高層（詞條“超高層”由行業(yè)大百科提供）的單元式幕墻板塊的動(dòng)力響應(yīng)分析, 簡(jiǎn)化了相關(guān)的結(jié)構(gòu), 以期達(dá)到理想的風(fēng)振響應(yīng)效果。
關(guān)鍵詞：外墻結(jié)構(gòu); 臺(tái)風(fēng); 動(dòng)力分析
前 言
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0( 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0 ( B-ilis), 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)（詞條“地標(biāo)”由行業(yè)大百科提供）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)使用各類門窗總面積超過(guò)4億平方米, 每年生產(chǎn)安裝各類建筑幕墻超過(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)在專門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)（詞條“主體結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供）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（詞條“建筑工業(yè)化”由行業(yè)大百科提供）程度。因?yàn)閱卧诩庸S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? 國(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Davenpo rt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[ 1]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.V ickery[ 2]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[ 3]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。
1 單元式幕墻
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(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（詞條“溫度應(yīng)力”由行業(yè)大百科提供）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 臺(tái)風(fēng)作用下單元板塊的動(dòng)力響應(yīng)
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216 m處的脈動(dòng)風(fēng)荷載時(shí)程圖。
2. 2 算例分析
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 + 12mm + 6 mm 的中空玻璃, 彈性模量為712E 11 N /m, 密度為2156 @ 103 kN /m3, 泊松比為012; 鋁型材采用6061T6型材, 彈性模量為710E 11N /m, 密度為218 @ 103 kN /m3, 泊松比為012。單元板塊為4000mm @ 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, 各單元約束情況見表1。
2. 2. 2 模態(tài)分析
采用大型通用有限元（詞條“有限元”由行業(yè)大百科提供）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110E 8 N /m, 第一層為110E 7 N /m, 中間層從110E 8N /m~ 110E 7 N /m 漸變插入, 如圖9~ 13所示, X 方向位移幅值對(duì)比見表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。
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