日温差对幕墙采光钢结构安全性影响测试分析

宋武，李英，高旭东，宋彧

（兰州理工大学建筑勘察设计院有限责任公司，甘肃 兰州 730050）

0 引言

近年来，随着建筑工程、材料科学等领域的飞速发展，钢结构在我国建筑工程中得到广泛应用。研究表明，我国钢结构年增幅明显。目前，钢结构不仅在高层、高耸、大跨及空间结构中具有强大的优势，在其它类型结构中也极具前景。

作为建筑材料钢材有其优异性能，但自然灾害对钢结构建筑的破坏也很巨大且难以预防。有些是不可抗力造成损害，有些是施工质量不合格或设计考虑不周，或其用途改变未能正确评估其安全性等原因所致。对既有钢结构建筑进行检测、鉴定、安全性评定及监测，既能保证既有建筑安全，又可节省大量材料资源。与此同时，对既有钢结构的检测也是我国关于防灾减灾领域的一项重要决策，能够从源头界定承载力是否不足或结构是否安全，进而尽早分析并进行加固处理，使结构损伤及工程设施的破坏程度减轻，同时提高建筑物防灾能力及使用寿命，最大限度保障人民生命财产及社会安宁。

尤其针对大型场馆，因人流密集，钢结构跨度大、受力复杂，确保其结构使用安全尤为重要。周学军用光纤光栅传感器对济南奥林匹克体育中心场馆钢结构进行了健康监测，实践表明：平衡矩阵理论得到的预应力值在实际监测中是可行和有效的，具有较高的准确度和较好的稳定性，可以推广应用于其他类似结构的健康监测当中[1]。马汀通过在现有钢结构在检测与监测中对层次进行一定的划分，并对既有建筑钢结构建立了一些具有参考价值的健康考核指标[2]。

尽管目前国内开展了一些相关的工作，但对各类具体钢结构全面且具有体系的健康特征的考核，目前仍缺乏一些基本的手段及系统考核方法。因此，本文利用结构应力应变测试技术，对兰州某大型场馆结构进行了温度检测，并对其玻璃幕墙日温差引起的结构发生响声的原因进行了探讨，从而对温差较大地区类似结构设计有参考意义。

1 项目概况

展览中心始建于2008 年，2010 年建成投入使用，地下一层，地上二层，建筑总高30.2m，展览中心钢结构幕墙南侧幕墙长234.0m、东侧幕墙长84.0m，其外体型与室内测试区域见图1 所示。使用中，业主发现接近中午以及太阳落山前后的两个时段，幕墙钢构件不停地产生“咚”的响声，响声在室内更显著，便产生了该响声是否对结构安全性存在影响的疑问。

图1 建筑物室外体型与室内测试区域照片

对此，在类似研究的基础上[3-4]，经过技术讨论，初步判定：上午10 点前后（即接近中午）以及下午太阳落山等两个时段，室内外温差较大，杆件应变差异大、应力重分布显著，故而，“咚”的响声强烈。午后和夜晚的两个时段，其室内外温度相对较稳定，即温差较小，故而，“咚”的响声显著减弱。

为回答业主的疑问，参考该领域相关文献[5-7]，确定了本次的测试方案为：准确测试日温差产生的应力变化量，组织连续78h 的现场测试。

2 检测方案

2.1 温度检测

采用温度计人工每半个小时读数一次。室内外分别布置2个测点。室外测点距地面高度5m，室内测点距地面3m。

2.2 应变检测

采用电阻式应变片、电桥桥路原理应变仪、电脑自动记录。共计21 个测点，见图2，均采用半桥互补技术接线，即每个测点需2 片应变片。

图2 测试点布点图及节点图

选择固定玻璃幕墙的两类竖杆作为测试对象，一类杆（□80×80×5）有桁架柱作为依靠，另一类杆（□160×160×6）无桁架柱而直接与水平桁架梁连接。应变片的布置数量以及位置见表1。大杆靠近的测点编号从下到上依次为1/3、4/6、10/12、16/18，所对应的背离点依次为2、4、10、16；小杆靠近的测点编号从下到上依次为7/9、13/15、19/21，所对应的背离点依次为8、14、20。

表1 应变片的布置表

3 检测结果

3.1 温度-时间曲线

现场室内外温度计读数分别对应求平均值，其三天随时间的变化曲线如图3 所示。其中虚线为室内温度曲线，实线为室外温度曲线。第一天下午有短时的雷阵雨，温度下降7℃。对应地，各测点的应变也有相应的变化。

图3 现场室内外温度测试曲线图1

3.2 应变-时间曲线

21 个测点中有2 个测点读数不稳，删去。19 个有效测点连续3 天应变-时间变化实测曲线汇总如图4 所示，其中应力最大变化值小于25MPa。总体而言，远离玻璃的各测试点与靠近玻璃的各测试点的应力变化趋势反向，呈现了竖杆整体存在外压内拉的受弯特点。对应时间内比较典型的弯曲型应力-时间变化对比如图5 所示。

图4 汇总1（最大应力变化值小于25MPa）

图5 测点应变测试曲线对比图

1 号点是大杆2.0m 标高处的东侧面测点，21 号点是小杆14.0m 处的西侧面测点，在3 天时间里，两侧点的应力-时间变化曲线趋势一致。如图6（a）和（b）所示。

图6 测点应变测试曲线

2 号点是大杆2.0m 标高处远离玻璃面的测点，20 号点是小杆14.0m 标高处远离玻璃面的测点，在3 天内，两侧点的应力-时间变化曲线趋势一致。如图6（c）和（d）所示。

1 号点测试曲线变化规律与2 号点测试曲线变化规律几乎成反对称，则证明大杆在该截面存在显著的弯曲现象。21 号点和20 号点应力-时间的变化曲线特点与1 号、2 号两点所在截面的特点一致。

4 号点、5 号点分别是大杆5.0m 标高处东侧面测点和远离玻璃面的测点，在3 天内，两侧点的应力-时间变化曲线趋势相似。如图6 中的（e）和（f）所示。

证明竖杆与连系梁节点的焊接连接方式的传热作用显著改变竖杆在该截面处温度的作用效果。即在无连系梁的空间，竖杆的内外面存在显著温差，应力变化呈相反趋势；当在有连系梁的截面，连接节点向连系梁传热的过程就是将竖杆在该截面温度差均匀化的过程，故而应力变化与1 号、2 号两点以及与20 号、21 号两点的应力变化不一致。

7 号点是小杆5.0m 标高处东侧面测点，12 号点是大杆10.0m 标高处西侧面测点，在3 天内，两侧点的应力-时间变化曲线趋势相似。如图6（g）和（h）所示。

与2.0m 高程和14.0m 高程相比，5.0m 高程和10.0 高程各测点的应力变化与玻璃安装架和建筑结构连接节点的距离远近有关，还与其连接方式有关，焊接方式较螺栓方式显著。图6 中，有（g）和（h）可知，杆件应力发生剧烈变化的时间，在进入夜间，一直到8:00 前，应力变化相对稳定；8:00 到20:00 点，应力变化相对剧烈，故而上午和太阳落山时结构传来的响声频次高，音频也高。

对于建筑物早晚发出的响声，经过多方细致观察，一致认为结构始终未出现异常，即没有裂痕出现。那么，响声就一定由于结构需要变形协调所产生滑动而引起。经过对两类竖杆不同约束环境下应力变化的测试，从而验证了响声的来源，以及对节后安全性的影响。

应变-时间曲线在瞬间突变，是构件变形协调、应力重分布的直接证据。图7 所示截取了3 天时间里结构所传响声较为显著的时段上，在5min 时长内对应的应变变化实测曲线。由图可知，应变-时间曲线突变一次，响声发生一次。每次响声时，应力变化均在数百Pa 的范围内。比如，图7（a）和（f）中约有200Pa、（b）和（d）中约有500 Pa 等。其中最大变化仅出现一次，其应力变化也小于1 MPa，如图7（e）所示。故而再次验证了任何单次响声所发生的应力变化对结构的安全性影响小，可以忽略。但每天一个循环的拉压应力循环式的交替变化或反复变化，则类似于疲劳受力，从材性的角度看，会对结构的寿命产生影响。

图7 响声时测点应变变化特点测试曲线

4 结果分析

应用广义胡克定理，得到了温度变化时所对应结构测点处的应力变化规律。在21 个测点中，最大应力改变值约为24MPa，只有一个测点；次之为20MPa，只有一个点；其余皆小于120MPa，其中多个测点小于5MPa（材料设计强度为210MPa）。

现行设计规范没有温度变化时对应结构的具体技术要求，该工程结构设计时没有日温差作用的荷载组合，即其作用未计入安全储备之中，考虑到：

（1）兰州地区有风则有雾的自然现象，风荷载与温度作用同时出现的概率小，而分别出现的概率高。风荷载结构设计的安全储备在日温差作用时发挥作用。

（2）钢结构空间作用的协调能力较好，个别构件到达塑性状态时会出现应力重分布现象，对结构整体稳定性有利。

故而，个别杆件的超载对结构整体影响不显著。但，从材料疲劳的角度看，低应力在具有一定频率特性的反复拉压环境中，不利于结构的设计寿命。

通过测试与分析，其响声来自节点连接处的滑移。上午响声源于连接件滑移离开原位，下午响声源于连接件滑移回复原位。

5 结论与建议

5.1 结论

某会展中心建筑项目展览中心幕墙及采光顶钢结构受日照温度影响，原结构杆件应力发生变化：（1）引起结构局部产生变形，节点处产生滑移，故产生响声。（2）个别构件的应力变化接近24MPa，达到设计强度的1/9，对结构局部有影响，考虑荷载的组合特点、结构的空间协同工作能力等有利因素，响声现象对结构整体安全性没有显著影响。（3）根据应力变化特点，响声现象对结构寿命有影响。

5.2 建议

（1）解决响声问题，节点螺栓处增设双面柔性垫片；或把节点连接全部改为刚性连接。目前既有螺栓连接，也有焊接连接。（2）保证结构设计寿命，减少日温度变化对幕墙及采光顶的钢结构产生不利影响，则需要在玻璃与结构之间安装绝热层，具体技术要求需要设计单位出具符合设计程序的设计文件。（3）定期维护。