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摘要：本文結(jié)合“深城投灣流大廈項(xiàng)目”，探討了幕墻立柱采用雙支座體系時(shí)，“四性”試驗(yàn)抗風(fēng)壓性能變形檢測(cè)時(shí)，立柱實(shí)際變形值與理論變形值產(chǎn)生差距的原因，以及解決該問題的辦法。
關(guān)鍵字：單元式幕墻、超靜定、支座位移、四性試驗(yàn)抗風(fēng)壓性能變形檢測(cè)、分析
1 引言
隨著建筑幕墻工程的發(fā)展，降低工程成本、避免材料浪費(fèi)、創(chuàng)造更加低碳的生活，越來越成為今后發(fā)展的趨勢(shì)。在幕墻設(shè)計(jì)過程中，通過幕墻結(jié)構(gòu)的巧妙設(shè)計(jì)就可以減少建筑材料的浪費(fèi)，進(jìn)而達(dá)到環(huán)保節(jié)能的目的，比如在大跨度位置采用雙支座體系。本文以深城投灣流大廈項(xiàng)目雙支座體系為例，分析“四性”試驗(yàn)抗風(fēng)壓性能變形檢測(cè)時(shí)，立柱實(shí)際變形值與理論變形值產(chǎn)生差距的原因，以供廣大工程技術(shù)人員借鑒。
2 工程概況
深城投灣流大廈項(xiàng)目位于廣東省深圳市寶安中心區(qū)濱海片區(qū)A002-0068地塊，北側(cè)為香灣三路，南側(cè)為海天路，西側(cè)為規(guī)劃支路，東側(cè)為寶興路。本項(xiàng)目總用地面積5086.32m2，總建筑面積44857.33m2,其中地上32052.09m2，地下12805.24m2，建筑高度107.85米，屬一類高層公共建筑，地下3層，功能為機(jī)動(dòng)車停車庫、設(shè)備用房及人防，地上22層，主要功能為商業(yè)、辦公等，幕墻體系主要為豎明橫隱單元系統(tǒng)。
圖1 建筑效果圖
圖2 計(jì)算位置索引
3 計(jì)算位置立柱撓度理論分析計(jì)算
項(xiàng)目計(jì)算基本參數(shù)：基本風(fēng)壓0.75Kpa，地面粗糙度C類，標(biāo)準(zhǔn)層計(jì)算高度55m，負(fù)壓墻面區(qū)，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值依據(jù)《廣東省建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》DBJ 15-101-2014計(jì)算可知為2.19kpa。標(biāo)準(zhǔn)幕墻分格1.43*8.8m,幕墻采用雙支座，雙支座間距為900mm。計(jì)算位置大樣、節(jié)點(diǎn)圖如下圖3所示：
圖3 計(jì)算位置大樣圖
圖4 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)圖
單元立柱采用疊合截面，立柱截面屬性如下所示：
圖5 立柱截面屬性
疊合截面之間不加任何連接，僅僅從構(gòu)造上保證兩者同時(shí)受力。發(fā)生彎曲變形（詞條“彎曲變形”由行業(yè)大百科提供）時(shí)，在接觸面間，兩者會(huì)產(chǎn)生相互錯(cuò)動(dòng)，亦即疊合截面不符合“平截面假定”條件。在正常受力情況下，型材變形在彈性范圍內(nèi)，因此兩者各自沿自身截面中和軸產(chǎn)生撓曲（詞條“撓曲”由行業(yè)大百科提供），且兩截面未脫開，兩者有著共同的邊界約束條件，故兩者撓度相等。則疊合立柱抵抗撓曲的剛度等于單元立柱兩者剛度之和。采用3D3S整體建模分析立柱撓度，風(fēng)荷載（詞條“荷載”由行業(yè)大百科提供）標(biāo)準(zhǔn)值2.19kpa，雙向板導(dǎo)荷載，立柱截面采用等效正方形截面(按照單元公母立柱X-X軸慣性矩等效，等效正方形邊長(zhǎng)a為154.95mm，等效過程不贅述)。
圖6 立柱在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下的變形圖
根據(jù)計(jì)算可知，立柱在2.19kpa的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，最大撓度值為21.852mm，中間支座支座反力為39.144kN。
4 計(jì)算位置立柱四性試驗(yàn)(抗風(fēng)壓性能)實(shí)際撓度值
圖7 實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)立柱撓度數(shù)據(jù)
圖8 立柱測(cè)點(diǎn)分布
圖9 中間支座位置1a位移傳感器分布
正壓即+2.19kpa作用，最大撓度值+29.16mm;負(fù)壓即-2.19kpa作用，最大撓度值-39.12mm。實(shí)測(cè)值正負(fù)壓差距34.16%，且與理論值誤差為79.02%。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)位移傳感器顯示(位移傳感器放置在支座碼件上)，1a號(hào)測(cè)點(diǎn)正壓作用時(shí)產(chǎn)生了+3.51mm的位移，負(fù)壓作用時(shí)候產(chǎn)生了-8.39mm位移。
5 支座位移時(shí)雙支座體系立柱分析
超靜定結(jié)構(gòu)有一個(gè)重要特點(diǎn)，就是無荷載作用時(shí)，也可以產(chǎn)生內(nèi)力。支座移動(dòng)、溫度改變、材料收縮、制造誤差等所有使結(jié)構(gòu)發(fā)生變形的因素，都會(huì)使超靜定結(jié)構(gòu)產(chǎn)生內(nèi)力，即自內(nèi)力，采用力法計(jì)算，力法基本原理如下。
力法是計(jì)算超靜定結(jié)構(gòu)的最基本方法。主要特點(diǎn)是：把多余未知力的計(jì)算問題當(dāng)作解超靜定問題的關(guān)鍵問題，把多余未知力當(dāng)作處于關(guān)鍵地位的未知力-稱為力法的基本未知量。把原超靜定結(jié)構(gòu)中去掉多余約束后得到的靜定結(jié)構(gòu)稱為力法的基本結(jié)構(gòu)，把基本結(jié)構(gòu)在荷載和多余未知量共同作用下的體系稱為力法的基本體系。多余未知量X1以主動(dòng)力的形式出現(xiàn)。基本體系本身是靜定結(jié)構(gòu)，卻可以通過調(diào)節(jié)X1的大小，使的他的受力和變形形狀與原結(jié)構(gòu)完全相同。
雙支座立柱，如果支座B有微小位移，移至B’,梁的軸線將變成曲線，產(chǎn)生內(nèi)力。實(shí)際上，如果去掉支座B，梁仍是幾何不可變體系，不能發(fā)生運(yùn)動(dòng)。要使梁與沉降后的支座相連，必須使梁產(chǎn)生彎曲變形，因而在梁內(nèi)產(chǎn)生內(nèi)力。取支座B的豎向反力為多余未知力X1，基本體系為簡(jiǎn)支梁，如下圖。變形條件為基本體系在B點(diǎn)的豎向位移△1應(yīng)與原結(jié)構(gòu)相同。由于原結(jié)構(gòu)在B點(diǎn)的豎向位移已知為a,方向與X1相反，故變形條件可寫出如下：
根據(jù)變形條件方程式可以計(jì)算出多余未知量，從而計(jì)算出梁?jiǎn)卧獌?nèi)力及變形值，現(xiàn)階段計(jì)算，采用結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件，軟件依托力學(xué)原理對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行計(jì)算。
以下為整體計(jì)算模型基礎(chǔ)設(shè)置：①立柱采用梁?jiǎn)卧?jì)算，計(jì)算單元采用beam188，立柱總跨度8800mm,短跨間距900mm，B點(diǎn)約束UX /UZ兩個(gè)方向，C點(diǎn)約束UX /UZ兩個(gè)方向，D點(diǎn)約束UX/UY/UZ三個(gè)方向，整個(gè)梁?jiǎn)卧s束RY，立柱截面采用邊長(zhǎng)為154.95mm正方形實(shí)心鋁材;②對(duì)梁?jiǎn)卧┘雍奢d值2.19*1.43*8.8=27.56kN集中荷載(軟件會(huì)將此荷載均勻分布于整個(gè)桿件)。
圖11 軟件建模基礎(chǔ)設(shè)置
圖12 立柱變形圖
根據(jù)上述位移傳感器得出支座位移，將中間支座位移值施加于計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)果如下圖所示：
圖13 正壓支座位移+3.51mm立柱撓度值
圖14 負(fù)壓支座位移+3.51mm立柱撓度值
正壓計(jì)算值為+29.537mm與實(shí)測(cè)+29.16mm誤差為1.3%，負(fù)壓計(jì)算值為-39.83mm與實(shí)測(cè)-39.12mm誤差為1.8%。誤差較小試驗(yàn)與計(jì)算值吻合。
6 支座位移產(chǎn)生的原因
1：支座掛接位置存在間隙
圖15 中間支座掛接位置現(xiàn)場(chǎng)詳圖
現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)該處間隙達(dá)到5mm。
2：實(shí)驗(yàn)鋼梁翼緣板薄弱
圖16 中間支座掛接位置現(xiàn)場(chǎng)詳圖
根據(jù)上述計(jì)算，可知，在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，中間位置反力為39.144kN，反力較大，而翼緣板僅10mm厚度，在此荷載作用下，翼緣板可能會(huì)發(fā)生變形。
3：掛接螺栓（詞條“螺栓”由行業(yè)大百科提供）沒有連接好
圖17 中間支座掛接位置現(xiàn)場(chǎng)詳圖
7 解決方案
1：掛接位置間隙處敲入鋼板
圖18 中間支座掛接間隙處理措施
2：鋼梁位置翼緣增加鋼肋板，提高翼緣剛度
圖19 中間支座鋼梁增加鋼肋板
原方案位移傳感器僅僅設(shè)置在立柱支座上，無法監(jiān)測(cè)主體結(jié)構(gòu)梁變形，在主體鋼梁位置增加位移傳感器(1#點(diǎn)位)，監(jiān)測(cè)主體結(jié)構(gòu)梁翼緣變形，支座碼件位移傳感器(25#點(diǎn)位)。
3：螺栓位置嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)對(duì)孔，提高耳板焊接（詞條“焊接”由行業(yè)大百科提供）質(zhì)量(此項(xiàng)由于實(shí)驗(yàn)時(shí)間關(guān)系沒來得及整改)
通過前兩項(xiàng)整改，再次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如下：
圖20 立柱實(shí)測(cè)撓度值
正壓即+2.19kpa作用，最大撓度值+28.29mm;負(fù)壓即-2.19kpa作用，最大撓度值-26.12mm。
圖21 1#、25#點(diǎn)位位移值
1#點(diǎn)位(主體結(jié)構(gòu)梁)正壓作用下移動(dòng)+0.78mm,負(fù)壓作用下移動(dòng)-0.59mm，25#(立柱支座)點(diǎn)位正壓作用下移動(dòng)+3.18mm,負(fù)壓作用下移動(dòng)-1.93mm，主體結(jié)構(gòu)梁翼緣板增加了加勁肋之后移動(dòng)值較小，對(duì)整體撓度影響較小，則主要的支座位移還是由于立柱支座的變形產(chǎn)生(此處認(rèn)為可能是連接螺栓耳板位置焊接質(zhì)量不達(dá)標(biāo)導(dǎo)致)。
采用軟件分析支座移動(dòng)+3.18mm和-1.93mm時(shí)，立柱撓度值：
圖22 正壓支座位移+3.18mm立柱撓度值
圖23 負(fù)壓支座位移-1.93mm立柱撓度值
正壓計(jì)算值為+28.854mm與實(shí)測(cè)+28.29mm誤差為2%，負(fù)壓計(jì)算值為-29.296mm與實(shí)測(cè)-29.12mm誤差為0.6%。誤差較小試驗(yàn)與計(jì)算值吻合。
8 結(jié)論
根據(jù)上述的分析，可以得出以下結(jié)論：
a) 幕墻雙支座模型屬于超靜定體系，支座位移會(huì)產(chǎn)生附加變形;
b) 當(dāng)試驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算模型誤差較大時(shí)，應(yīng)該分析誤差產(chǎn)生的原因，應(yīng)該考慮計(jì)算模型簡(jiǎn)化是否合理;
c) 雙支座體系幕墻，當(dāng)幕墻立柱跨度較大，且短跨較短時(shí)，由于第二支座反力較大，應(yīng)加強(qiáng)幕墻立柱與主體結(jié)構(gòu)的連接以及幕墻支座與幕墻立柱的連接;
d) 支座系統(tǒng)對(duì)于幕墻系統(tǒng)的安全起決定性作用，實(shí)際工程中，必須嚴(yán)格按圖施工。
e) 試驗(yàn)室提供的試驗(yàn)鋼梁與真實(shí)項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)不一致，在做抗風(fēng)壓性能試驗(yàn)時(shí)，設(shè)計(jì)師應(yīng)該要判斷試驗(yàn)鋼梁剛度是否滿足要求，可以通過多增設(shè)位移傳感器來監(jiān)測(cè)各點(diǎn)位移值。
參考文獻(xiàn)：
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作者單位：深圳市方大建科集團(tuán)有限公司
