某异形空间曲面耐候钢砖幕墙结构体系设计*

郑晓清, 叶灵鹏, 林 巍, 朱浩川

(1 浙江大学建筑设计研究院有限公司，杭州 310028；2 浙江大学平衡建筑研究中心，杭州 310028)

0 引言

砖是一种古老的建筑材料,它在整个建筑的发展进程中有着至关重要的作用。随着建筑技艺的不断发展,砖从最初的承重结构属性过渡到了非承重的维护及表皮属性,这一演变过程体现了砖的功能性逐渐减弱,表现性逐渐加强［1-3］。参数化的建模技术在建筑表皮领域的深入应用,使得砖幕墙可以实现更灵活的扭转、渐变和旋转等建筑效果,进一步打破了砖的材料和构造等方面的一些禁锢,促进了各类砖幕墙在现代建筑表皮中的应用。

砖幕墙体系可根据建筑效果选用清水黏土砖、玻璃钢砖和耐候钢砖等不同材质的模数砖。近年来,工业遗址改造建筑中,蕴含丰富的参数化技术的耐候钢砖幕墙不断涌现,给幕墙的结构设计带来了巨大的挑战［4-5］。本文将结合某历史建筑的耐候钢砖幕墙项目,介绍其结构体系的构成和精细化的力学分析过程,以期为类似项目提供参考。

1 工程概况

某历史建筑外侧面耐候钢砖幕墙由330×180×135×5(45°和135°斜置砖)和360×210×135×5(0°和90°放置砖)两种不同规格的耐候空心钢砖通过叠砌焊接形成,墙体高度约7.6m,长度约23.5m。耐候钢砖幕墙中心曲面采用不同族的正(余)弦函数曲线沿高度和长度方向共同放样,形成复杂的空间曲面造型。结合建筑功能需要,于幕墙左下角设置1个拱形门洞,幕墙的基本模型和实景图见图1和图2。

图1 钢砖幕墙布置图

图2 钢砖幕墙实景图

2 结构体系构成

为确保幕墙结构有一个较为明确的传力路径,在确保耐候钢砖幕墙建筑效果的前提下,结合墙体曲面造型及场地条件,提出了“空间框架”的幕墙结构体系。即在幕墙的空间曲面内设置1榀“框架”,异形曲线框架柱由封闭钢砖叠砌焊接组成,梁为侧面局部带封板与加劲肋的工字钢梁。耐候钢砖幕墙由于其曲面内、外倾的空间造型,不能保持自身的平面外稳定,需在幕墙侧面设置垂直墙面的支撑。为保护原有历史建筑,在幕墙后方靠近历史建筑外墙一侧增设若干独立的钢立柱,钢立柱与幕墙内置钢框架柱之间采用钢梁拉结,从而形成垂直墙面方向的若干榀空腹桁架,以此来保证曲面钢砖幕墙在荷载作用下的平面外稳定。

2.1 内置框架

结合耐候钢砖幕墙的建筑造型,在墙体高度方向间隔设置六道曲线工字钢梁和直线钢梁,在墙体长度方向设置五道由六面封闭钢砖叠砌焊接而成的曲线等代钢柱。鉴于建筑使用要求,下部拱形门洞位置仅在门洞以上高度设置钢砖柱,其可与上部五层钢梁拉结,形成类似空间空腹桁架的受力构件。除内置框架以外,幕墙其余钢砖均采用两面空心的方砖,并作为荷载分层作用于内置框架上。钢砖幕墙内置框架如图3所示。

图3 钢砖幕墙内置框架

2.2 面外支撑

为保证耐候钢砖幕墙在荷载作用下的平面外稳定,应设置平面外的支撑体系。平面外的支撑体系不仅需要为墙体提供平面外的支撑,还应尽可能减小对其后面历史建筑的影响。因此,优化方案中在墙体后面增设一排独立的钢立柱,并在钢立柱与幕墙空间曲面内的框架之间增加钢梁进行拉结,如图4所示。

图4 钢砖幕墙面外支撑

2.3 耐候钢砖幕墙体系

内置异形钢框架、面外支撑体系和各层空心方砖,可组成稳定的耐候钢砖幕墙体系,如图5所示。

图5 耐候钢砖幕墙体系

3 模型构建

耐候钢砖幕墙计算模型的主要结构尺寸如图3所示。钢砖幕墙内置框架的工字形钢梁截面尺寸为工135×210×5×5;耐候钢砖两种不同规格见第1节,耐候钢砖均采用钢板拼接焊接构成;等代钢柱处的耐候钢砖均采用闭口;侧向拉结钢梁以及新增钢立柱之间连接的横梁均采用工字钢梁,截面尺寸为工135×210×5×5;增设钢立柱为方钢管,截面尺寸为□200×200×10×10。

采用ABAQUS通用有限元软件,建立精细化有限元模型。模型中,由于各构件的板件厚度均远小于构件其他方向的尺度(板件厚度/长或宽或高,均远小于1/10)［6］,故本项目中模拟分析中各单元均采用S4R壳单元。为保证分析精度,单元网格尺寸取为25mm,幕墙底部设置为铰接,面外支撑立柱的底部设为刚接。钢材的强度等级为Q355B。考虑材料的塑性,取钢材的弹性极限强度为305MPa［7］。图6为采用ABAQUS软件建立的耐候钢钢砖幕墙体系的精细化有限元模型。

图6 耐候钢砖幕墙有限元模型

耐候钢砖幕墙体系主要荷载为竖向自重以及垂直墙面的风荷载。幕墙内置钢框架以及平面外支撑的自重由程序自动计算,其余部位的各层空心耐候钢砖的自重则转换为荷载作用于横梁上表面,等效线荷载为3.57kN/m。所处场地的基本风压为0.45kN/m2,并根据风向的不同,考虑风压与风吸两种不同的风荷载工况［8］,如图7所示。风压工况下计算的风荷载标准值为0.234kN/m2,风吸工况下计算的风荷载标准值为0.146kN/m2。风荷载根据其作用从属面积折算成等效荷载作用于相应的工字钢梁上。

图7 风荷载作用示意图

4 分析结果

4.1 静力荷载分析

分别对耐候钢砖幕墙在自重、风吸和风压三种荷载工况下进行静力分析。分析结果表明,在自重荷载作用下幕墙呈现为外倾变形。自重荷载叠加风压荷载工况下的分析结果表明,风压荷载对结构变形有利。因此以下仅考虑最不利荷载工况,即自重恒荷载标准值+风吸荷载标准值作用工况。图8～10分别为耐候钢砖幕墙在最不利荷载工况下结构的变形、应力与塑性应变情况。

图8 耐候钢砖幕墙的变形云图/mm

从图8可以看出,耐候钢砖最不利荷载工况下变形往背离历史建筑的一侧发展,最大位移为门洞上方的幕墙顶,其值为31.5mm。从图9可以看出,在最不利荷载工况下耐候钢砖的应力较小,除了局部上下层耐候砖叠压位置由于应力集中,其应力值约达到305MPa外,其余部位的应力均未超过180MPa。从图10可以看出,耐候钢砖在自重荷载作用下未产生塑性应变。

图9 耐候钢砖的应力云图/MPa

图10 耐候钢砖的塑性应变云图

图11、12为面外支撑钢立柱在最不利荷载工况的应力云图和塑性应变云图。从图9和图10可以看出钢立柱在最不利荷载工况下的应力最大值约为89.0MPa,应力较小,且未发生塑性应变。

图11 面外支撑立柱的应力云图/MPa

图12 面外支撑立柱的塑性应变云图

4.2 极限承载能力分析

为了解结构的极限承载能力,本文对耐候钢砖幕墙结构体系进行了非线性的极限承载能力分析［9-10］。分析中通过增加结构的附加恒载3.57kN/m作用于内置框架的钢梁上,计算结构的变形与应力。图13为耐候钢砖幕墙水平位移和竖向位移随着附加恒载增加的关系曲线。

图13 结构荷载-位移曲线

从荷载-位移关系曲线图13可以看出,当恒载增加到约1.5倍附加恒荷载时,耐候钢砖幕墙下部钢砖叠加位置出现应力集中产生局部塑性变形,结构开始进入非线性。当荷载增加到4.1倍附加恒荷载时,结构的最大水平位移达到约140mm,最大竖向位移达到约85mm,荷载无法继续增加,结构发生整体失稳破坏。最终的应力及塑性应变情况如图14、15所示。从图中可以看出结构发生整体失稳时,等代钢柱脚部应力较大,最大应力为305MPa,达到钢材的弹性极限强度,最大塑性应变为0.130 4。

图14 极限荷载作用下结构的应力云图/MPa

图15 极限荷载作用下结构的塑性应变云图

5 结论

(1)本文所提出的内置异形钢框架、面外支撑可组成幕墙的主受力骨架。将内置于异形钢框架的各层空心钢砖作为荷载施加于幕墙主受力骨架的各层水平钢梁上对幕墙主受力骨架进行有限元数值模拟分析的技术路线是可行的。

(2)耐候钢砖幕墙体系在恒荷载+风吸荷载作用下发生外倾变形,最大外倾位移为31.5mm。在荷载标准值作用下,结构应力整体较小,除了局部应力集中情况外,其余位置的应力基本未超过150MPa,未出现明显的塑性。最不利荷载工况下,结构整体仍基本处于弹性范围内。

(3)通过非线性极限承载能力分析可知,耐候钢砖幕墙结构在1.5倍附加恒荷载作用下,结构产生局部塑性变形,开始进入非线性;耐候钢砖幕墙结构在4.1倍附加恒载作用下,结构发生整体失稳。

(4)内置异形钢框架、面外支撑体系和空心钢砖组成的耐候钢砖幕墙体系,整体受力性能好,结构传力途径明确,在自重荷载和风荷载作用下结构应力和变形可满足结构承载要求和正常使用要求。