滑动式天窗屋盖开合的数值模拟及现场监测研究

何 曦

(四川大学建筑与环境学院， 四川成都 610065)

随着社会的进步和生活水平的提高，人们对居住生活环境的要求越来越高，绿色、环保成为了当代建筑的发展趋势。滑动式屋盖是人们以向往大自然空气、阳光和天空为动机，将不断发展的建筑结构设计理念和机械设备安装技术相结合的产物，它是集建筑、结构、机械、控制等诸多领域于一体的综合技术的体现。开合式屋盖建筑已然成为一个越来越重要的发展趋势，我国著名建筑大师马国馨院士更把开合屋盖建筑称之为第三代建筑[1-2]。在欧美、日本等发达国家，开合式屋盖建筑的研究取得了辉煌的成就[3]。随着我国综合国力的增强以及体育的发展，也不断涌现出大型的开合式屋盖体育场[7-10]。国内现已建成的大型开合屋盖建筑有2000年建成的浙江黄龙体育场、2005年建成的上海旗忠网球馆、2006年建成的南通体育会展中心以及2011年建成的鄂尔多斯东胜体育场。文章将结合贵阳市西南国际商贸城工程，对该工程某一区域的滑动式玻璃天窗屋盖进行数值模拟和现场监测，确定玻璃天窗屋盖是否具有良好的安全性和稳定性。

1 工程概况

贵阳西南国际商贸城，位于贵阳市观山湖区西南部，规划面积约10 km2，总建筑面积约1 420×104m2，是一个集市场经营、国际贸易、现代物流、电子商务、次级CBD于一体的大型综合性商业集群，工程效果见图1。该项目商业步行街采用开合屋盖结构，其上安装可以整体平动开合的滑动玻璃天窗。玻璃天窗屋盖采用钢化夹胶玻璃作为防水层，与型钢梁网架组合成独立板块，型钢梁网架设置6组12个滑轮，并搁在下部主承重钢梁上的轨道系统上，通过齿条传动机构和消防联动系统自动启闭，满足采光、封闭、消防排烟要求；下部主承重构件为伸臂式箱型钢梁。屋盖采用双坡屋顶的形式，每片开合屋盖为(10.8×10.8) m2的正方形，由42块钢化夹胶玻璃作为防水层，每片钢化夹胶玻璃重量为250 kg，防水层自重较大。每片开合屋盖都由属于自己的驱动设备控制其开闭运行，操作控制互不影响。

文章将以贵阳西南国际商贸城一期工程2#地块为例对该区域的滑动式玻璃天窗屋盖进行数值模拟和现场监测。2#地块的玻璃天窗覆盖面积为11 691.11 m2，玻璃天窗主骨架设计为钢结构，以相邻单体的钢筋混凝土柱作为下部传力构件，设计和施工考虑了地震、温度等引起的水平位移。

图1 贵阳西南国际商贸城项目一期工程效果

2 数值模拟

2.1 模型建立与荷载取值

为了了解滑动式天窗屋盖在开闭过程中的受力情况，将滑动屋面与底部支承结构分开，采用单独分析方法，利用有限元软件Midas 建模并进行结构受力分析，计算模型如图 2所示。作用在钢梁上的移动荷载可分为间距保持不变的几个集中力和均布荷载，为了简化问题，先分析单个移动荷载，再根据叠加原理分析多个荷载以及均布荷载作用的情况。由于移动荷载的作用位置是变化的，使得结构的支座反力、截面内力、应力、变形也是变化的。因此，在移动荷载作用下，通过分析结构内力、反力或变形随荷载位置移动而变化的的影响线来研究滑动天窗在开合运行状态时的动力响应。

图2 Midas模型

2.2 结果分析

限于篇幅，仅给出部分双拼工字型钢梁各个控制截面的位移和弯矩的影响线(图3～图5)。分析各个控制截面及梁单端的内力影响线计算结果，得出最大位移为0.002 mm，最大弯矩仅为2.62 kN·m。由以上数值模拟结果可以看出，玻璃天窗在开合运行过程中，对屋盖钢梁内力和变形的影响很小。

图3 双拼工字型钢梁单元i节点的位移影响线

图4 双拼工字型钢梁单元i节点的弯矩影响线

图5 双拼工字型钢梁单元1/2处的弯矩影响线

3 现场监测

3.1 监测内容及设备

对滑动式天窗屋盖施工过程及使用阶段关键部位构件进行监测，跟踪结构构件施工过程中的内力变化，可以确保屋盖结构的稳定性和安全性。本项目通过对滑动玻璃天窗的钢梁主要控制截面应力、振动数据进行监测，分析其在玻璃天窗运动至不同位置时的应力变化情况以及在不同受力状态下振动信号和振动频率的变化情况。本次监测的设备如表1所示。

表1 试验仪器及设备一览

3.2 监测方法及测点布置

(1)应力监测。根据2#地块玻璃天窗的实际布置，选取A-B楼的屋顶为监测对象，在A-B楼轴线为AK、AL的两榀钢梁上布置相应的应力测点。每榀钢梁上各布置7个应力测点(1#～14#)，分布在21.6 m跨钢箱梁及10.8 m跨工字钢梁的1/4、1/2、3/4等分点处。同时为明确AK、AL两榀钢梁之间的相互作用，在AK、AL两榀钢梁中跨跨中的系梁上布置2个应力测点(15#、16#)，受现场测点安装的条件限制，将布置在AK、AL两榀钢梁中跨跨中系梁上的15#、16#测点调整为AM、AN两榀钢梁边跨跨中工字钢之间的系梁上。应力测点平面布置如下图6所示。

图6 应力测点平面布置示意

应力监测工况分别为：①工况I：AK、AL两榀钢梁上的滑动天窗从边跨工字钢上(即天窗处于完全打开状态)滑移至中跨钢箱梁上(即天窗处于完全闭合状态)。当滑动天窗移动至相应等分点且静止稳定后，采集相应状态下测点(1#～14#)的应力数据。②工况II：AK、AL两榀钢梁上的滑动天窗从中跨钢箱梁上滑移至边跨工字钢上，数据采集同工况I。③工况III：AM、AN两榀钢梁上的滑动天窗从中跨钢箱梁上滑移至边跨工字钢上，当滑动天窗移动至相应等分点且静止稳定后，采集相应状态下测点(15#、16#)的应力数据。

(2)振动监测。 将拾振器布置于钢箱梁和工字钢的跨中位置，在滑动玻璃天窗处于打开、关闭两个静止状态下，测试钢梁静止状态下的固有频率；在滑动玻璃天窗移动至钢梁各个1/8等分点处，待钢梁在相应位置静止稳定时，分别测试各位置钢梁相应的脉动频率。此外，在滑动玻璃天窗从完全关闭至完全打开以及从完全打开至完全关闭的滑移运动过程中，测试钢梁的实时受迫振动竖向加速度值及频率。

3.3 监测结果及分析

3.3.1 应力监测结果及分析

限于篇幅，仅给出在工况I下部分测点(8#～14#)的应变数据如表2所示。根据表2，测点9#、12#的实测数据有较明显的变化趋势，选取以上典型测点绘制相应的天窗位移—应变图，如下图7、图8所示。

表2 工况I实测应变数据

图7 测点9#工况I天窗位移-应变曲线

图8 测点12#工况I天窗位移-应变曲线

分析监测结果，当天窗位于滑移轨道不同位置时，中跨钢箱梁的实测应变范围为-101.9～118.0 με，边跨工字钢实测应变范围为-110.5～103.6 με，钢箱梁间的连系梁及玻璃天窗网架的应变并不随滑移位置变化而产生变化，可忽略不计。结果表明，现场监测的应变范围均在钢材的弹性应变范围，其应力范围也小于钢材的屈服强度，能保证滑动式天窗钢梁的结构安全运行条件，即使滑动天窗频繁开合，其往复荷载也不易使钢结构箱梁和双拼工字梁到达疲劳极限。

3.3.2 振动监测结果及分析

(1)脉动频率实测数据。在工况I测试过程中，仅考虑天窗位置的改变而不考虑天窗的运动效应，天窗处于不同位置时均为静态不动，实测钢梁的频率即为脉动频率(一阶竖向固有频率)。对工况I各不同状态进行测试，得到各工况下脉动实测频率数据，如表3所示。在脉动状态下，钢梁由脉动引起的竖向加速度极小(<0.005 m/s2)，故表中未列出相应状态下拾振器的实测加速度值。由于脉动频率测试状态较多，仅示出中跨跨中脉动实测波形及频谱分析，如下图9、图10所示。

表3 各工况脉动频率测试数据

图9 中跨跨中拾振器实测时程曲线

图10 中跨跨中拾振器频谱分析

(2)强迫振动实测数据。当滑动天窗开始运动，钢梁受天窗滑移影响产生强迫振动，振动频率及幅值均明显与脉动测试不同。天窗从完全打开至完全闭合以及从完全闭合至完全打开两个过程中，实测钢梁的强迫振动频率及竖向加速度值如表4所示。限于篇幅，仅给出滑动天窗从完全打开至完全闭合过程中，中跨的拾振器实测时程曲线及相应的频谱分析图如下图11、图12所示。

表4 移动过程中实时振动测试数据

图11 中跨跨中拾振器实测时程曲线

图12 中跨跨中拾振器频谱分析

分析监测结果，当天窗位于滑移轨道不同位置时，中跨钢箱梁实测脉动振动频率范围为10.74～14.65 Hz，边跨工字钢实测脉动振动频率范围为10.16～11.13 Hz。在天窗滑移过程中，中跨钢箱梁由滑动引起的最大竖向加速度为0.304 m/s2，实测强迫振动频率为13.87 Hz；边跨工字钢由滑动引起的最大竖向加速度为0.089 m/s2，实测强迫振动频率为8.98 Hz。结果表明，玻璃天窗由于构件安装误差导致的结构次生应力很小，玻璃天窗运行过程中的竖向加速度也控制在安全范围内，能确保玻璃天窗安全开合运行。

3.4 数值模拟与现场监测对比分析

通过数值模拟得到屋盖钢结构箱梁和双拼工字梁随玻璃天窗滑动的影响线。表5所示为两根钢箱梁连接处(节点20)的影响线控制节点位移数值。以滑动天窗在(0/8)×L处的竖向位移为基准，按照现场监测的分段方式，求出滑动天窗每行走(1/8)L距离时，节点20处的相对位移(单位力作用下的位移值，单位mm)，如图13所示，分析发现其与图8所示的现场监测应变结果有着相似的变化规律。同时，分析表5可知，当滑动天窗运行至(8/8)×L时，节点20处的相对位移最大，这和现场测试结果类似。

表5 节点20影响线控制节点位移数值

图13 钢箱梁节点20处滑动天窗竖向位移曲线

4 结论

本文通过数值模拟和现场监测分析了滑动式天窗屋盖在开合过程中的受力变形和振动情况，得出以下结论：

(1)数值计算所得的屋盖钢结构箱梁和双拼工字钢梁随着玻璃天窗滑动时的位移影响线曲线和现场监测的位移-应变曲线有着相似的变化规律。

(2)数值模拟的最大位移和最大弯矩均很小，可见玻璃天窗得开合运动对屋盖钢梁内力和变形的影响很小；现场监测的应变远远小于钢材的弹性应变，应力也远小于所用钢材的屈服强度，可见即使滑动天窗频繁开合，其往复荷载也不易使钢结构箱梁和双拼工字梁到达疲劳极限。

(3)天窗滑移过程中屋盖钢梁的实测脉动振动频率较小，能满足构件安全运行的限制。且当楼盖结构的竖向自振频率大于3.3 Hz时，其人致振动舒适度一般能满足要求。

(4)滑动天窗运行时的振动加速度很小，能够满足安全和舒适度要求。