基于数值分析的曲面玻璃幕墙支撑体系设计

周桂香，周 寅

（1.泰州职业技术学院建筑工程系，江苏泰州 225300；2.中国江苏国际经济技术合作公司，江苏南京 210008）

基于数值分析的曲面玻璃幕墙支撑体系设计

周桂香1，周 寅2

（1.泰州职业技术学院建筑工程系，江苏泰州 225300；2.中国江苏国际经济技术合作公司，江苏南京 210008）

梅花形曲面玻璃幕墙的设计为无锡新区科技交流中心工程项目的难点之一。采用0-4评分法综合评分选定“刚性挑梁支撑体系”为曲面玻璃幕墙的支撑体系实施方案。应用SAP 2000有限元分析软件，进行7种工况条件下的数值分析，依据内力和变形的分析结果，进一步进行幕墙节点和面板系统的设计，确保曲面玻璃幕墙的支撑结构体系顺利实现。

曲面玻璃幕墙；支撑体系；SAP 2000软件；内力；变形

1 工程背景

无锡新区科技交流中心位于无锡市新区震泽路以北，科技北路以南，科技西路以东，科技东路以西的中心地块上，是地标性、大空间的公共建筑，总建筑面积约3.6万㎡。该建筑主体为钢筋混凝土框架结构，地下一层，地上三层，局部四层，檐口标高最矮处为12.9m，最高处为31.2m。屋面结构层为钢结构单层网壳和索穹顶，装饰层为连续起伏的双曲面铝合金表面，建筑外观设计为梅花（图1），造型独特，象征无锡市花，富有时代感和科技特色。建筑的周边裹以晶莹剔透的梅花形体点支式玻璃幕墙[1]，其展开面积近10000㎡，在9m标高的景观走廊处将弧形玻璃幕墙分成上下两段：9m标高以上的幕墙部分挑出主体结构5m左右；9m标高以下的幕墙部分向内缩进2-3m。梅花形曲面玻璃幕墙的设计为本工程的特色和难点之一。

图1 建筑效果图

2 曲面玻璃幕墙支撑体系的比选

由于沿建筑周边设计了悬挑的景观走廊，科技交流中心的曲面玻璃幕墙支撑体系的方案设计是一个技术难点。由设计院、业主、项目管理公司先后共提出过4种传力体系设计方案，针对曲面点支式玻璃幕墙支撑体系的4种设计方案，着重对比分析建筑效果（A）、结构传力（B）、幕墙变形（C）、施工难度（D） 和工程造价（E） 5项内容。采用0-4评分法确定5项内容的权重系数。然后，组织专家评委对4个方案的5项内容进行分析并且评分，最终选用的实施方案为刚性挑梁支撑体系，如图2所示，将景观走廊的径向挑梁设计为实腹式钢梁，而且将根部刚节点按钢结构框架的刚性节点设计，使刚性挑梁同时承担景观走廊、上部幕墙和下部幕墙的荷载。

图2 曲面幕墙的结构剖面图

3 数值分析

通过前述的0-4评分法综合评分确定的最优方案为“刚性挑梁支撑体系”，这种曲面玻璃幕墙的支撑体系为超静定结构，景观走廊的悬挑钢梁和其下方的钢管柱是重要的受力构件，其变形将影响整个体系的受力和变形，由于悬挑梁和钢管柱沿梅花形周边布置，简化的平面计算模型无法准确计算各构件的受力和变形，因此，采用SAP 2000有限元分析软件建立空间三维模型（图3） 进行整体分析[2]。

图3 梅花形三维计算模型

（1）三维建模主要考虑的因素

模型总节点数为2288个，模型总单元数为3449个，9m以下立柱按照柱单元模拟（Column），9m平台梁按照梁单元模拟（Beam），9m以上立柱按照柱单元模拟（Column），空间环梁按照梁单元模拟（Beam），空间支撑单系杆按照支撑单元模拟（Brace），交叉支撑按照压弯构件梁（Beam） 考虑。梁单元（Beam） 均考虑按照压弯构件选项。钢材的应力限值，按板厚不同分别取205Mpa和215Mpa。

支座连接形式模拟：

1）底层立柱：因立柱顶端基本上附属于整个混凝土结构上，侧向变形均<5mm，不考虑上下支座的嵌固作用，均采用铰支座模拟。

2）平台主挑梁与混凝土立柱连接采用刚接支座，平台次梁与混凝土梁连接采用铰接支座。

3）三层立柱下支座与平台梁采用铰接支座，上支座与空间环梁因考虑施工中稳定的稳定性采用半刚接连接，结构计算采用铰接连接形式，计算差别不大没有影响。

4）空间环梁与空间环梁之间采用刚接连接。

5）空间交叉支撑采用刚接连接，与支座采用铰接支座。

（2） 荷载的输入

1）结构的静荷载G杆件的自重、玻璃自重（包括配件自重）部分等效为线荷载；

2）结构活荷载雨棚取0.50K N/㎡；三层走廊取2.50KN/㎡（局部入口取3.5KN/㎡）

风荷载（计算主构件时βg z按照βz按照钢结构规范根据《建筑结构荷载规范》取，μs按照μs 1=-2.0考虑）

3） 风荷载计算公式：WK=βgz×μz×μs×

W0

其中：WK——作用在幕墙上的风荷载标准值 （K N/㎡）

βgz——瞬时风压的阵风系数，按《建筑结构荷载规范》 GB 50009-2001（2006版） 取定。

μZ——风压高度变化系数，按《建筑结构荷载规范》 GB 50009-2001（2006版） 取定，根据不同场地类型，按以下公式计算：

μS——风荷载体形系数，按《建筑结构荷载规范》 GB 50009-2001（2006版） 及概率统计理论的最大值（见湖南大学风工程试验研究中心之无锡新区科技交流中心风荷载试验研究报告）

W0——基本风压，取为0.45K N/㎡

设计风压不利值三层以下取1.00K N/㎡、三层以上1.53K N/㎡

4） 温度荷载取40度。

（3） 荷载组合

考虑7种主要控制工况进行强度验算：

（4） 变形验算控制

刚度验算时，按上述7种主要控制工况，分项系数均按1.0取用，恒载有利可取0.9。结构位移限值：悬挑梁△

（5） 空间稳定措施

为了确保梅花形玻璃幕墙的结构体系空间稳定，在景观走廊上空的混凝土环梁处设置水平钢结构支撑Z C 1和Z C 2（图4），由于“梅花”的花瓣尖端附近结构受力复杂，因此在该处采取密布水平支撑的构造措施。

图4 幕墙钢结构的水平支撑

（6）数值分析的主要结果

表1 内力分析主要结果表

限于篇幅，仅给出最大轴力（图5）和最大弯矩（图6）的内力图。依据数值分析的内力结果，进一步对连接节点进行设计，确保钢结构支撑体系与混凝土结构的连接安全可靠。

图5 底层柱DL+WL轴力图（最大420KN）

图6 三层走廊DL+WL弯矩图（最大894KN.m）

表2 变形分析主要结果表

限于篇幅，仅给出最大变形（图7）。依据数值分析的变形结果，进一步对玻璃面板系统进行设计。

图7 上层柱DL+WLx最大变形图（40.52mm）

4 结语

应用SAP 2000有限元分析软件，进行多工况条件下的数值分析，确保梅花形曲面玻璃幕墙的支撑结构体系受力状态和变形控制在结构安全限制范围内。

[1]蒋凤昌.点支式玻璃幕墙的结构计算与优化研究[D].镇江:江苏大学,2003.

[2]北京金土木软件技术有限公司.SAP 2000中文版使用指南[M].人民交通出版社,2008.

Design of the Support System for Curved Glass Curtain Wall Based on Numerical Analysis

ZHOU Gui-xiang1,ZHOU Yin2
（1.Taizhou Polytechnic College,Taizhou Jiangsu 225300,China;2.China Jiangsu International Economic Technical Cooperation Corp.,Nanjin Jiangsu 210008,China）

It is very difficult to design the plum blossom-shaped curved glass curtain wall for Wuxi New District Science&Technology Communication Center.The 0-4grade method has been adopted to choose the rigid cantilevered beam supported system as an executive project.The SAP2000software is applied to analyze the support system under seven work conditions so as to obtain analysis results of internal force and distortion for further design of curtain wall detailing and plate system.Well-off realization of the support system for curved glass curtain wall is based on numerical analysis.

curved glass curtain wall;support system;SAP2000software;internal force;distortion

TU 242文献标设码：A

1671-0142（2011）02-0052-03

周桂香（1965-）,女,江苏泰兴人,副教授,高级工程师,工程硕士.

（责任编辑刘 红）