上海国际航运服务中心（东块）B01楼中庭22m跨幕墙系统四性测试方法设计

2015-10-31徐雁

建材与装饰 2015年19期

关键词：测试方法幕墙桁架

徐雁

（上海杰思工程实业有限公司　上海　卢湾　200020）

上海国际航运服务中心（东块）B01楼中庭22m跨幕墙系统四性测试方法设计

徐雁

（上海杰思工程实业有限公司上海卢湾200020）

B01楼为办公建筑，位于虹口北外滩的东部，为统一规划建设的上海国际航运服务中心的一部分。地上总建筑面积64328m2。

需要做测试方案的B系统分区位于2～35层大堂立面，横隐竖明框架式玻璃幕墙，幕墙区格横梁两端与立柱铰接连接，立柱两端与支撑钢结构桁架铰接连接，幕墙及构件自重通过每层立柱传递到钢桁架，并通过桁架上的拉杆传递到顶层主结构上。

此系统中，由于靠近桁架部位的幕墙面板采用了与钢桁架直接相连的做法，幕墙面板，幕墙构件及面板与结构的连接会因钢桁架变形的受到影响，幕墙四性测试将包括近22m的大跨度钢桁架，导致无法作为可行的测试方法予以实行。

本文针对这种情况的幕墙四性测试方法进行探究，设计出一种比较合理的测试方法，并对使用方法必要的条件及对可能产生的影响进行分析。最后就这类方法与一般幕墙四性测试予以比较。并谈谈此种方法在实际工程中可行度及测试方法的发展的趋势。

主结构对幕墙结构影响；支座位移；附加应力；测试模拟；工程模型；荷载传递；间接测试

1　幕墙系统介绍及测试方法应考虑的因素

B系统分区位于2～35层大堂区域立面，最大标高187.5m，为横隐竖明框架式玻璃幕墙，最大玻璃面板分格为：2900mm（宽）×1500mm（高），面板为8+1.52PVB+6+16A+8中空夹胶玻璃，幕墙区格支撑立柱为口250×100×12矩形钢管，横梁为口200×100×12的矩形钢管。横梁两端与立柱铰接连接，立柱两端与支撑钢结构桁架铰接连接，幕墙及构件自重通过每层立柱传递到钢桁架，并通过桁架上的拉杆传递到顶层主结构上。

幕墙外表面到建筑主结构中共分为三个层次：第一个层次为幕墙面板（包含于幕墙连接的铝合金副框），这个层次属于维护结构面板，第二个层次为与面板直接相连的支撑骨架，主要包括口200×100×12的矩形钢管横梁和口250×100×12立柱，这个层次属于维护结构支承构件，第三个层次是用来支撑维护支承结构的钢桁架，这部分钢架系统所属的范畴比较含糊，因为它即可属于维护结构的支撑体系，也可以属于主体结构体系，这主要看这部分结构是由谁设计，如果是主体结构考虑设计的范围，那么这部分属主结构，如果这部分是由外围护结构公司负责的，那么这部分内容就属于维护支撑结构范畴。

本系统钢桁架由与设计院合作的钢结构公司设计和施工，故属主体结构，由于外维护结构不承受主体结构传递的荷载，这样幕墙的四性测试方案设计就非常简单，只需要做一个较小的包含了完整维护结构面板和在桁架间的维护结构横梁和立柱的幕墙板块系统。

不过由于在幕墙方案设计过程中，与桁架相连部分的幕墙面板并未做成与幕墙横梁连接，再通过横梁与桁架连接的方法，而是直接把面板连到钢桁架上（见图2），这样就使得原本结构体系清晰的系统变得复杂起来，幕墙设计的基本原则是面板不能直接与主结构相连的，直接相连意味着外维护体系将受到主结构传递过来的荷载影响，这样就必须把整个跨约22m的钢桁架作为维护结构的支撑体系一体考虑，钢桁架属于四性测试的对象。

图1　B系统分区平立剖面图及选取计算结构部位

图2　幕墙面板与钢构桁架连接节点图

2　满足现实条件测试方法设计思路

对于横向跨度达到约22m的钢桁架，受测试场地限制无法提供这样大的场地，且中庭幕墙立面系统本身面积不大，按上述思路最少要做3榀桁架之间9m高度的幕墙区域，测试面积近200m2，包括材料，设施等价格费用更是不菲。

由此看来，要制作22m跨1：1的测试模型是存在很大的困难的，如果按缩小比例建立测试模型是否可行呢？建立比例缩小模型，在大型建筑，桥梁工程的结构设计中被广为使用，但是作为幕墙四性测试，当前很少能看到有这样的完整测试方法。通过仔细分析，我们发现缩小比例模型对于幕墙测试主要存在以下问题：①需要对构件截面进行缩小，缩小到什么程度，理论缩小后型材截面，无论是钢型材，还是铝型材，是否有对应的截面型材，对于铝型材可能需要额外开模。②缩小后的截面型材构件之间的连接与原模型有着很大的差异，连接是否也要，缩小后连接能否反映原来的连接形式都很难证实。④缩小后的模型玻璃面板大小也缩小了，所以其面板的厚度也要适当缩小，这样就存在玻璃面板厚度如何缩小，缩小后面板的测试还能是实际情况的真实反映？⑤缩小比例后，施加的荷载也需要按模型比例适当放大，由于水平方向风荷载与竖直方向荷载对结构影响是不一致的，这会导致两者荷载增加比例不一致，特别是重力方向，需要增加额外自重荷载，这将对整个模型体系的继承性带来很大的问题。⑤由于跨度缩小，杆件变形也将以4次方比例缩小，模型结构构件变形很小，对测试精度要求大为提高，稍微不精准将会对结果产生很大的偏差。

综上分析，缩小比例模型是一种适合对单一结构构件测试的方法，而幕墙四性测试需要对面板，构件，面板与构件连接，构件与构件连接等这些承载力，以及玻璃面板，构件变形挠度这一系列做整体测试，还要对幕墙的水密性，平面位移性能进行测试，所以一个缩小比例的模型无法完整的完成所有项次测试，需要对不同项次做针对性的独立设计测试项次。这样就背离了简化测试设计的初衷，所以就目前而言，缩小模型比例做为幕墙四性测试完整解决方法并不成熟，我们需要的是一种能够在一个模型中完成所有项次的测试方法。

现在回过头来，由于是靠近桁架部位的面板板块底部直接连到钢桁架上，造成了幕墙结构与主体结构没有适当的位移释放，从而造成主体结构的位移对维护结构面板，杆件及连接产生局部影响，好在钢桁架结构与建筑主结构之间是有位移释放的（通过钢结构设计中适当的构造措施设置予以实现），换言之，钢桁架只承受维护结构和桁架结构本身的荷载，并不承受真正主体结构的影响，所以对钢桁架在外荷载作用下分析计算，把钢桁架在与维护结构直接相连的部位影响分析清楚后，只要把其影响作为维护结构的作用效应予以考虑，对于维护结构测试，就无需再建近22m跨的桁架模型，只需建两个楼层高度，在钢桁架中受到影响最大的分格区域围护结构作为测试模型，并施加一系列附加效应作用的测试，从而模拟出钢桁架对维护结构的影响，从而完成整个测试过程。

3　测试方法设计实施步骤及幕墙结构承载力分析

通过上述设计思路，我们设计的B系统测试是针对面板，维护支撑结构，连接件承载力及性能做的测试方法，并考虑因部分玻璃面板通过压块直接到钢桁架上，导致钢桁架由风荷载产生的变形反过来玻璃面板产生的不利影响。此方法并不包含对视作主结构一部分的钢桁架及拉杆系统的测试。

设计方案取4.5m跨，分格宽度为2.9m×2（共两个玻璃面板板块），作为测试的模型，立柱顶底各用一根矩形钢管连接到两边试验结构上，用来模拟钢结构桁架，因为测试模型只是属于两榀钢桁架中局部区域的维护结构，试验时单单施加风荷载不能让模拟桁架的钢横梁产生足够的变形量，达到实际工程中钢桁架对玻璃面板影响的效果，故除了施加风荷载外，需要另外在底部钢梁一端施加一个支座位移，模拟钢桁架实际的变形挠曲线，使得钢梁变形对直接相连面板产生等值或更大的效应，从而达到模型测试目的。

首先对实际工程中，对维护结构及钢桁架整体建模计算，对钢桁架在水平方向荷载作用下变形形态进行分析，大跨度横向钢梁桁架由钢管口280×150×12与中间支撑杆件钢管口150× 150×10焊接而成，跨度为21.5m，连接钢梁桁架之间由竖向拉杆连接（拉杆φ40），幕墙结构荷载通过钢梁桁架之间幕墙钢立柱（钢管口25×100×12）连接，幕墙钢立柱间为幕墙钢横梁（钢管口200×100×12），钢梁之间均为铰接，钢结构桁架桁架两端支座为铰接。选取中间三跨钢桁架部位区域作为幕墙支撑结构进行计算（区域见图1）。计算模型见图3。

使用有限元分析软件Autodesk Robot Structural Analysis Professional 2014对中间跨钢桁架在强度校核组合荷载设计值下的变形见图4。

图3　包含桁架结构的工程计算模型及边界条件

图4　包含桁架结构的工程计算模型中间跨变形

其中挠度变化最大的区域见图5。

图5　包含桁架结构的工程计算模型中间跨变形（变化最大局部区域）

所以测试方法中，在测试强度的时候（最大荷载设计值下），对底部模拟钢桁架的钢管一段施加一个大小大于等于25.5mm的位移，与风荷载方向一致的位移，从而间接模拟主钢桁架结构的变形对幕墙体系的影响效果。

设计的测试方法大样图见图6。

图6　四性测试大样图

设计的测试方案计算模型见图7。

图7　四性测试计算模型及边界条件

注意，此方法中并不包含桁架部分的测试，测试中的顶底钢梁只是用来模拟桁架局部变形的一个替代构件。模拟与钢桁架接近的挠曲线变形，替代钢梁的一端与测试站结构连接为固接，另外一端为铰接，测试方法绝大部分与普通测试方式一样，只是在最后需要增加一个步骤，即在幕墙承载力测试最大设计荷载作用下，替代钢梁需施加一个与风荷载方向一致的26mm的支座位移，从而模拟桁架结构变形对幕墙结构的影响，通过计算分析得到，在选用口220×100×8方管为替代钢梁的情况下，在最大组合荷载和支座位移下，该区域的变形与实际模型的变形比较接近，可以作为验证实际模型影响效应的替代方法。测试模型的变形见图8～9。

图8　测试模型杆件在最大组合荷载设计值下的变形

图9　变化最大局部区域变形图

与实际模型该区域图6相比较，变形曲线及大小差不多，受力条件相对实际模型基本一致，可以视为实际模型的替代试验模型。

使用上述模型计算，杆件的最大应力见图10。

图10　测试模型杆件在最大组合荷载设计值下的应力

从图10可以看出，杆件最大应力为150MPa，按此方案测试各杆件能够满足强度要求，方案本身结构安全性没有问题。

图11　测试模型杆件在最大组合荷载设计值下的支座反力图

由图11看出，支座部位需要施加18.66kN的作用力，才能让支座处产生26mm的支座位移，固接处的最大支座反力为：Ry= 36.68kN，Mz=52.24kN·m

顶底替代钢梁与测试站结构连接节点需要满足计算模型的要求，即一端固结，一端铰接，铰接部位应能承受26mm的附加位移，设计的节点见图12。

图12　铰接点部位连接节点设计详图

图13　固接点部位连接节点设计详图

固结部位所有连接要能承受上述剪力和弯矩作用，设计节点见图13。

其他性能测试步骤与一般幕墙基本一致，这里就不再阐述。

4　测试方法附加位移对玻璃面板影响承载力分析

使用有限元分析软件Autodesk Algor Simulation Professional 2011分析钢梁变形对玻璃面板产生的附加应力。

计算模型中，首先设置玻璃面板与钢梁为粘合状态（面板与杆件连接部位不释放任何方向位移和弯矩），以此用来放大钢桁架变形对玻璃面板产生的附加应力（尤其是接触边缘），其次，模拟实际工程中对玻璃面板影响最大区域钢桁架结构变形，玻璃面板使用钢梁一体的有限元计算模型顶底的横向主钢梁采用悬臂梁模式，并在悬臂端施加一集中力，使顶底横梁在悬臂端的变形达到规定要求的26mm左右。

计算模型见图14。

钢梁框架图，其中三角形部分为固结点，圆形的为杆件间铰接释放点。顶底钢横梁施加的作用力，使得在悬臂端产生26mm的位移量。

钢梁和面板一体示意计算模型，其中玻璃面板按等效合度10.206mm输入。

图14　面板单元与杆单元耦合在支座位移荷载作用下计算模型示意图

图15　支座部位施加产生26.04mm位移的荷载后杆件和面板的变形图

面板由于杆件变形产生的应力云图如图16。

图16　支座部位施加产生26.04mm位移的荷载后杆件和面板的Von-mises应力图

从图16看出，由杆件变形使得玻璃面板的最大附加应力最大约为9.62MPa。

玻璃面板在水平方向组合设计值3.94193kPa作用下的计算模型：

计算模型同上，改悬臂端为铰接，改节点荷载为玻璃面荷载（图略）。

变形图如图17。

玻璃面板应力图如图18。

图17　面板单元与杆单元耦合在水平荷载作用下杆件和面板的变形图

图18　面板单元与杆单元耦合在水平荷载作用下杆件和面板的Von-mises应力图

由于面板与结构构件没有释放，玻璃在面板边缘出现最大应力，最大应力约为34.5MPa，基本与公式计算约为33.78MPa接近。

当在上述荷载作用下，再加上支座位移26mm产生的附加应力9.62MPa，偏保守简单叠加计算后，玻璃面板的最大应力为：34.5+9.62=44.12MPa<56MPa（半钢化玻璃），玻璃的强度满足设计要求，玻璃面板的强度满足设计要求，测试设计方案玻璃承载力没有问题。

5　设计方法总结和对测试方法拓展及发展探讨

此测试方法最初打算按近22m跨1：1模型设计，后曾考虑按微缩比例模型进行设计，但考虑到比例模型设计的复杂性和需设计多个测试内容才能完成要求，故放弃这样的设计理念，但是作为一种测试手段，微缩模型测试也是今后幕墙的单项测试发展方向，尤其是结合计算机模拟技术，可以非常有效的对大尺寸维护结构承载力模拟并用试验的方式进行校核。

本测试方法设计尚有不少细节内容值得深入研究，如钢桁架变形对结构胶的影响，玻璃副框与钢桁架的连接在主结构位移作用下能够消化多大比例的影响，完善这些内容研究将有助于这种设计思路在广大幕墙工程中的推广，如单索幕墙，索结构变形的不一致对玻璃面板及连接会产生什么影响，采用何种技术措施来避免这种不利的影响，都应可以通过测试手段来予以检验。

从这个幕墙测试方法设计及制定的过程中，我们可以发现，幕墙的四性测试已经不完全是传统测试与实际工程完全一致的模型测试，部分项次采用了间接测试的手段用以模拟了因条件限制而不可能达到的边界条件，测试是一种用来校核工程安全性，可靠性的手段，在任何形式维护结构系统都是在不断优化的过程中得以完善的情况下，测试方法，手段乃至测试精度的提高都是今后发展的方向，虽然我们这个模拟不是非常复杂，本文在测试方法制定思路并不复杂，但是作为有类似状况的维护结构系统的测试提供了一个新的思路，如何在更广泛的场合下运用，这些都是我们今后研究的方向。