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            【劉斌】從屋頂剛殼設計談幕墻鋼結構的概念設計

            發布時間:2018-11-24閱讀數:1914

            (幕墻鋼結構概念設計叢談系列三)

            夏祥生 符旭晨 劉 斌

            1浙江中南建設集團有限公司 杭州310052 )

            摘 要:承擔幕墻鋼結構支座荷載的主體結構構件的剛度問題,也即幕墻鋼結構同主體結構的共同作用問題,是幕墻鋼結構進行概念設計和體系布置時必須考慮的重要因素,但卻往往被幕墻結構設計師所忽略。忽略支座剛度時容易導致各類計算失真,主要包括荷載與作用計算失真,內力計算失真以及支座反力失真。本文將專注于此方面進行詳細的論述,并以某屋頂采光頂球殼為案例,通過分析不同模型計算方案對支座反力的影響進行定量對比來明確此問題的重要性,為幕墻鋼結構的設計提供理論支撐。

            關健詞:幕墻鋼結構、共同作用、計算模型、剛度

            1、引言

            關于幕墻鋼結構概念設計,筆者在本刊《幕墻設計》2016年第五期(十月號)中<<從屋頂鋼塔設計談幕墻鋼結構的概念設計>>進行了綜合性闡述并以某屋頂鋼塔設計為例進行了全面說明,并在2017第五期(十月號)<<從屋頂鋼架設計談幕墻鋼結構的概念設計>>針對幕墻鋼結構概念設計中的傳力體系的設計對幕墻鋼結構對同主體結構的連接設計和埋件設計的作用進行了詳細的討論。另外,由于幕墻鋼結構是以主體結構為邊界條件進行力的傳遞消化的,而承擔幕墻鋼結構的主體構件的剛度問題目前往往是幕墻結構設計師容易忽略的重要影響因素。實際上,計算所采用的理想模型和工程實際力學模型是有相當差異的,這將導致一系列的問題。本文將專注于講座屋頂采光頂幕墻鋼殼設計模型的建立以及幕墻鋼結構支座所設置的主體結構構件剛度對上部幕墻鋼結構內力的影響問題。

            2、論述

            關于幕墻剛結構的設計工作,目前通用作法是:下部主體結構由土建設計院完成,屋頂鋼架由鋼結構公司或者幕墻公司來設計完成,并將支座荷載提供給土建設計院由土建設計院將支座荷載加在 下部主體結構上完成計算。此種操作模式由于同一個結構分拆成兩個模型來分別計算,顯然是存在不少問題的。最主要是計算失真問題,主要原因有下幾點:

            一、上部結構計算內力失真:因上部結構支座落在下部結構構件上,因為下部主體結構會在上部支座荷載(以及其自身荷載)作用下會產生變形,所以該支座并非上部鋼架結構計算模型所采用的剛性不動支座,而實際上為一彈性支座,上部結構的內力是按照剛度分配的,因為現有軟件無法考慮支座彈性剛度問題,故上部結構計算內力失真(類似主體結構不考慮和地基共同作用時出現的問題,這也是本文將重點討論的問題)。

            二、同樣下部結構無法考慮上部結構帶來的剛度變化問題同樣存在計算內力失真的問題。

            三、風荷載及地震作用計算嚴重失真:因為風荷載和地震作用的計算同結構的自振周期有關,同一結構分析成兩個結構分別計算,各自得到自己的自振周期,而整體結構的自振周期是要大于這兩者分別計算的自振周期(幕墻結構同主體為串聯形式時),所以若只考慮部分結構計算的周期,會在在計算出現的風載荷偏小,地震作用亦失真嚴重等問題(關于幕墻鋼結構的荷載與作用問題將在幕墻鋼結構概念設計叢談系列五中專文討論,敬請期待)。

            四、由于整體結構分柝成兩個模型分別計算的所帶來的其它問題。

            關于以上問題常用的解決方案:由于同一結構分拆成兩個結構分別計算帶來的上述問題,最合理的解決方案是把結構不再分拆,結構整體計算。但鑒于目前的設計工作機制和軟件能力問題,無法圓滿解決。本人在長期實際工程實踐中常采用以下的解決方案來解決此問題(主要思想是盡量使計算模型同結構實際受力情況一致,或者盡可能是減少結構計算的失真程度)

            一、上部結構設計成靜定體系,結構內力不會因為支座的變形下沉等因素而內力重分配。

            二、若無法設計為靜定體系,則可以通過以下方法處理盡量減少支座的變形作用對內力的影響(或者讓支座的變形一致)。

            1、盡量把傳遞豎向力的支座放在柱頂墻頂,或者靠近柱頂墻頂這類豎向剛度較大的構件上,減少豎向變形。而盡量避免放在長梁的跨中位置或者懸挑梁的梁端部位這類豎向剛度較差的部位。

            2、屋頂剛架傳遞水平荷載的支座盡量放在剪力墻、核心筒的層標高上,這類水平剛度較大的位置上,減少支座水平變形。而盡量避免放在立柱的層中間位置以及屋頂懸臂柱的頂端這類水平剛度較差的部位。

            3、在屋頂提高混凝土梁板結構的整體剛度,如澆厚板,加強層等方案,使屋頂剛架落在混凝土結構上的支座變形一致,減少支座變形不一致對上部結構的內力重分布。

            4、提高上部結構的整體剛度,可以上部結構的底層做一下鋼結構的加強層,盡量使支座變形一致,這樣使得內力的重分布在此加強層內完成,避免或減少除加強層以外的上部結構因支座變形不一致而產生的內力重分布。

            5、盡量減少上部結構在混凝土主體結構的約束的超靜定次數,使內力的重分配影響減少到最大程度,如只約束支座的平動位移,而不約束其轉動位移,減少超靜定次數,減少內力重分配程度。

            6、若實在無法避免把上部結構的支座放在下部結構的長梁跨中,屋頂懸臂柱頂,或者混凝土柱的層間等剛度較弱,抗變形能力較差的構件上,則可以把這類下部結構的結構構件建入上部剛架結構模型進行計算。以將混凝土構件的變形考慮在內,使上部結構的內力計算值與實際值符合.同時將約束點約束到梁柱節點處等抗變形能力較強的位置,或者柱的反彎點等內力相對簡單位置。

            關于風作用和地震作用計算嚴重失真問題的解決辦法主要有以下方面:

            一、計算風荷載風振系數所使用到的結構自振周期,使用上部層頂鋼架結構,下部主體結構自振周期某種形式的疊加后的總體結構自振周期值來計算風荷載,減少風荷失真度。

            二、地震作用可以如上法操作,若軟件使用其自身計算出來的自振周期而無法修改這個參數,可以使用分部結構的自振周期來計算地震作用,同時人為提高地震作用影響系數最大值的辦法,至于地震影響系數最大值的最高程度可參考<<高層建筑混凝土結構技術規程>>JGJ3-2010的相關條款 (關于幕墻鋼結構的荷載與作用問題將在幕墻鋼結構概念設計叢談系列五中專文討論,敬請期待) 。

            3、案例分析

            具體算例見圖E-01、E02、為浙江紹興某工程裙樓屋面球殼形采光頂,共十個拱形柱腳支撐在混凝土圈梁上,球殼形采光頂上鋪三角形鋼化夾膠中空玻璃,由于上部結構由kwait形殼體,平面內剛度較好,整體性強?;炷寥α簽榻孛鏋?/span>350X930,圈梁的支撐為間距差別較大的混凝土圓柱。詳見圖E01 殼球支撐原結構混凝土圖。

            E01 殼球型采光頂結構平面及埋件圖

            E02 殼球型采光頂拱殼剛架詳圖

            E03 不考慮下部結構剛度的計算模型

            E04 部分考慮下部結構剛度的計算模型

            在屋頂鋼殼的建模計算分別采用以下三個模型方案:模型一如圖E-03所示,為常規設計思路,僅考慮鋼殼自身的計算,拱腳鉸接處理,視拱腳支座剛度為無限大。模型二如圖E-04所示把屋頂環梁以及同環梁相連接的混凝土圓柱建入模型,而將柱的反彎點作為約束點進行鉸接約束處理。建入混凝土環梁的時候考慮板對其剛度的增加作用,按現行<<高層混凝土結構技術規程>>JGJ3-2010-5.2.2條,混凝土圈梁的剛度增加1.3倍。因為此采光頂位于裙房的頂面,標高不高,而且體型為球形光滑面,風荷載作用有限,為簡化起見,定量計算的時候不考慮風及地震作用,僅考慮恒活荷載作用。這里恒載鋼架自重軟件自動計算,玻璃面板,連接件以及沒有計算入模型的次構件按0.8KN/平方米,活載按0.5KN/平方米施加。

            另外,由于鋼殼體支撐在主體混凝土結構上的環梁,除了上部鋼結構球殼形采光頂傳下來的荷載為,尚且有主體結構作用在其上的恒活荷載。但考慮到鋼結構施工時,主體肯定已經施工完成,至少主體混凝土結構已經施工完成。主體結構荷載在環梁上產生的變形在球殼形采光頂鋼結構吊裝前變形已經完成,此部分恒載作用產生的變形因素因為球殼鋼結構施工時的調整因素而不會對上層鋼殼體其產生內力重分布,故此因素不予考慮?,F在可在混凝土結構上施工因裙房屋面防水,保溫,找平的鋪裝層材料恒荷載和上人屋面活荷載。根據現場情況,作用圍護統一把環向以外三米進行簡化處理來考慮,所以統一在環梁上施加6KN/M的恒載和活載作為原結構荷載。表中考慮了三米寬屋頂恒活荷載因素的為模型三,模型圖同圖E-04。模型一,模型二及模型三在相關球殼采光頂及屋面恒活荷載作用下的鋼殼拱腳內力Fz(設計值,單位:KN)如下表E-01:

            E-01 鋼拱腳內力對比表



            現在我們盡量模擬此鋼球殼和混凝土主體結構一體計算設計過程,此時主體結構構件自重是要作用在環形混凝土邊梁上的,同時為了更清楚顯示此荷載的作用,我們放大混凝土環形邊梁的承荷寬度,按四米來考慮。當在混凝土環梁上施加恒載24KN/M,8KN/M活載的時候,立在梁中間的支座E將出現27.8KN的拉力,而于其相臨的支座F將出現128KN的最大壓力,由此可判斷,此時球殼結構對上部結構已經不僅僅是荷載作用,而局部已經成為下部混凝土結構的支撐體系。

            以上論述中尚未考慮到的因素有以下幾點:

            一、模型二和模型三在柱的反彎點位置進行鉸接處理,而實際工程中此處和反彎點以下的柱的連接是有一定剛度的連接,此處進行鉸接處理,顯然會使上部梁受的約束相比真實情況偏弱。經驗上,此約束對于長梁作用更加明顯,所以此因素對于鋼柱腳力的平均化,減少因混凝土結構豎向剛度的調整是有利的。

            二、統一考慮的三米寬度的屋面鋪裝層恒活荷載是否合適,顯然上部結構荷形成的的內力亦會對梁的剛度問題進行二次調整,此時長梁所承受的荷載明顯會小于短梁所承受的,所以其變形要比承受均一恒活線荷載時的變形要小一些,故此因素同上條因素一樣,對于減少因混凝土梁豎向剛度差引起的鋼柱腳沉降差,最終引起的鋼柱腳內力差是有利的。

            三、模型的簡化處理是否合理、模型二和模型三將柱反彎點鉸接處理,顯然應該是存在一定剛度的,將混凝土柱一起建到下層的樓面剛接處更符合實際受力情況,所以真正合理的情況應該是球殼形采光頂鋼結構和主體混凝土結構整體一體建模整體計算。

            四、本例僅考慮了計算模型問題,尚未考慮風荷載和地震作用如本文前部所述分體建模型計算所引起來的問題。

            五、本算例尚未討論支座剛度因素對支座水平剪推力、支座自身變形以及球殼幕墻鋼結構變形的影響。

            以上分析是建立在原設計工程實際案例的基礎上進行的,現在為了直觀顯示混凝土邊梁的剛度對支座內力的影響,改變混凝土環型邊梁350X920變為250X600,而其它荷載條件均不作任何變化。同時相對應表一的模型二和模型二分別變為模型四和模型五:計算結果如下:

            E-02 柱腳內力對比表


            總結以上E-01以及E-02,可得出以下結論:

            一、建立在原主體混凝土結構上的二級次結構(幕墻結構)的支座反力和僅決定于上部結構的總組合內力,并不因支座剛度的變化而變化(五個模型中支座A到支座K的總反力中均為660~670KN左右)。

            二、在總各力一定的情況下,單個支座的內力受其支座剛度影響很大,對于最接近實際受力情況的模型二最大和最小支座反力達到十倍差值,所以在幕墻鋼結構計算中必須加以考慮。

            三、支座反力具體大小除了取決于本支座的剛度外,尚且取決于相臨支座的剛度,本支座剛度越強,而相臨支座剛度越弱,則本支座反力增加(相對于不考慮支座剛度的模型一情況)越多。同樣本支座剛度越弱,而相臨支座剛度越強,則本支座反力減少(相對于不考慮支座剛度的模型一情況)越多??傮w來講,主要取決于支座彼此間的剛度比以及決定內力重分布程度的支座距離(線剛度比)。

            四、支座環梁的剛度對支座內力的重分布有較大的影響,環梁鋼梁越弱,支座反力重分布效應越強烈。支座反力的變化幅度除受支座剛度的影響外,尚且受到加在支座主體結構構件上的荷載作用的影響。加在其上的荷載值越大,則支座反力的變化幅度越大。極端情況下會出支座拉壓屬性(即荷載及支撐屬性)改變的情況,此時幕墻鋼結構與主體結構的作用與支撐關系局部翻轉。

            4、結論

            從以上的理論和案例分析,我們可以得出如下結論:

            一、幕墻鋼結構的支座剛度是一個在幕墻鋼結構進行設計時不可忽略和必須考慮的重要問題。否則將使結構內力高度失真,而使結構存在嚴重安全隱患。

            二、幕墻鋼結構進行合理的理論分析,建立起最接近工程實際受力情況的計算模型,是可以得出來相對精確的內力計算結果的。

            作者簡介:

            夏祥生:浙江中南建設集團有限公司幕墻總經理助理,高級工程師,一級注冊建造師,全國優秀項目經理,浙江省杭州市評標專家,有二十多年幕墻施工管理經歷。





            符旭晨:

            浙江中南建設集團有限公司副總工程師、高級工程師、一級注冊結構工程師、一級注冊建造師、高級幕墻設計師、全國優秀項目經理、有十余年幕墻及鋼結構設計與施工經歷。



            劉斌:浙江中南建設集團限公司幕墻總工程師、高級工程師、 中國建筑裝飾協會、浙江省建筑裝飾協會專家,從事于幕墻行業二十余年,專注與幕墻設計與施工。




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