中国移动南方基地网管中心幕墙结构设计方案论证

2015-12-25周敏辉

建筑设计管理 2015年2期

关键词：菱形十字高强

李岳，周敏辉

（1.中国移动南方基地，广州 510010；2.广东省建筑设计研究院，广州 510010）

中国移动南方基地网管中心幕墙结构设计方案论证

李岳1，周敏辉2

（1.中国移动南方基地，广州 510010；2.广东省建筑设计研究院，广州 510010）

本文主要介绍建设单位面对无相似案例参考的创新幕墙项目时，委托专业机构对设计方案进行结构模拟验算，对整体模型进行了强度验算，对节点模型进行了承载力验算，根据验算结论提出了优化建议，后续将结合力学试验进行进一步的验证，确保结构设计的安全性与节点设计的合理性，使项目可以安全、可靠的实施。

创新项目；幕墙；结构模拟验算

0 引言

中国移动南方基地位于广州市天河区火炉山的东南山脚处，南方基地2.1栋网管监控和展示中心（以下均简称“2.1栋”）土建主体为倒圆锥台形式（如图1）。地下1层，地上4层，首层5.7 m，2～3层6 m，4层4.92 m，主要屋面高度（结构标高）为22.12 m。首层为移动业务展示大厅，2、3、4层为圆形网管监控大厅。监控大厅中空了2～4层的楼面，净空12 m。外围幕墙和土建主体之间设置两条螺旋上升坡道，幕墙与螺旋上升坡道之间设置支座连接。

图1 建筑效果图

1 项目特点

中国移动南方基地2.1栋幕墙工程为首创项目，自承重幕墙结构形式属于全国首例，设计、施工无相似案例借鉴，尤其是精度远高于普通建筑，控制在±2 mm。外部幕墙形状与主体结构相同，结构采用交叉网格结构钢结构筒体系，底部半径为23.885 m，顶部半径为41.404 0 m，总高为23.195 m。

主体结构与幕墙结构之间利用沿主体结构坡道布置的可释放竖向应力的支座连接，形成自承重幕墙结构。此部分主要校核玻璃幕墙位置之玻璃面板及其钢架支撑结构，钢架结构承受着幕墙面板传递过来的水平和竖直方向的荷载；再通过转接件和埋件将其传至主体结构。

幕墙钢结构由1 900件“V”型、“X”型、“Y”型强度等级为Q420B的铸钢件作为连接节点，用于连接强度等级为Q235的1 718块菱形钢框，形成双曲面网格结构。面材主要采用与菱形钢架框相匹配的22种尺寸的菱形玻璃材料，2种厚度规格（12+3.04PVB+12+12A+12和8+2.28PVB+8+12A+ 10）的夹胶中空钢化玻璃。

荷载传递路径：钢构件与玻璃自重->钢网格结构->转接件、埋件->主体结构。

由于建筑的重要性和造型的特殊性，结构形式也必然存在非常规性，为确保本项目安全可行，建设单位委托了专业机构，采用结构模拟软件相应计算分析论证其安全性能；还委托力学试验机构，以1∶1的比例生产幕墙单元构件，进行幕墙节点单元力学试验，进一步验证设计方案的合理性。本文介绍模拟计算情况。

2 幕墙钢结构整体模型复核

2.1 整体模型

整体模型，如图4所示。

图2 建筑剖图

图3 幕墙与土建坡道连接示意图

图4 整体模型

2.2 整体模型计算分析

幕墙钢结构的主要受力件为：菱形框、十字件、高强螺栓。在整体结构复核中，它们的强度验算考虑轴力、弯矩和剪力共同作用，利用SAP2000算出的拉弯应力比及剪切应力比，根据总应力比=sqrt（轴弯应力比2+弱轴剪切应力比2+强轴剪应力比2），换算出轴弯剪共同作用下的应力比。其强度验算结如下。

2.2.1 菱形框强度验算菱形框总应力比最大值0.298，均能满足规范要求。

2.2.2 十字件强度验算

十字件在整体模型中用杆件单元模拟，共10 534个单元，应力比超过1.0的共13个单元，约占0.12%。无应力比超过1.2的单元，最大应力比1.19。应力比较大的单元集中在钢结构底部、开洞部位附近。

2.2.3 高强螺栓强度验算

高强螺栓在整体模型中用杆件单元模拟，共15 975个单元，应力比超过1.0的共93个单元，约占0.58%。应力比超过1.2的共22个单元，约占0.14%，最大应力比1.67。M36应力比超限的共有70个单元，M27应力比超限的共有23个单元。应力比较大的单元集中在钢结构底部、开洞部位附近、支承部位附近。

从以上验算结果看到，承载力不足的杆件主要集中在钢结构底部、开洞部位附近、支承部位附近。对该区域的杆件，建议在菱形框与十字件相接的地方进行加强，以增强节点刚度及降低高强螺栓的应力。

3 幕墙钢结构节点模型承载力验算

整体模型的Mises应力分布如图5、6，最大Mises应力达514.7 MPa，出现在高强螺栓上。

高强螺栓的Mises应力较大，在菱形框与十字件交接的地方出现明显的剪切变形，局部出现塑性应变。由于出现塑性变形的区域较多，且最大Mises应力（514.7 MPa）比10.9高强螺栓的设计强度500 MPa略有超出，建议对底部的连接进行加强。

图5 整体Mises应力（1）

图6 整体Mises应力（2）

图7 高强螺栓Mises应力分布

图8 高强螺栓塑性应变分布

菱形框的最大Mises应力只有255.8 MPa，小于Q345B的设计强度295 MPa。菱形框与高强螺栓接触的地方应力较小，挤压不明显。

图9 菱形框Mises应力分布（1）

图10 菱形框Mises应力分布（2）

十字件的最大Mises应力为342.2 MPa，超出Q420的设计强度340 MPa。最大应力出现在十字相交的凹角处，属于局部应力集中。十字件与高强螺栓接触的地方应力不大，挤压不明显。

图11 十字件Mises应力分布（1）

图12 十字件Mises应力分布（2）

从位移云图可以看出，节点整体位移不均匀，节点刚度不高。由于菱形框与十字件之间只由两根高强螺栓连接，外力作用下菱形框与十字件不容易紧密贴合，菱形框的边框容易发生扭转。

图13 整体位移分布（1）

图14 整体位移分布（2）

菱形框的Mises应力一般能满足强度要求。十字件在十字相交的凹角处容易出现应力集中。10.9级的高强螺栓局部出现剪切破坏，单靠高强螺栓传递轴力、弯矩和剪力不够可靠。建议在菱形框与十字件相接的地方进行加强，整张节点整体刚度。节点整体刚度不高，菱形框的边框容易发生扭转。

4 结论

通过结构模拟计算，发现原设计方案中，应力集中在钢结构底部，而结构的底部杆件承载力不足，导致10.9级的高强螺栓局部出现剪切破坏，有必要对原设计进行优化修改：高强螺栓等级为10.9级不变，钢结构底部的高强螺栓型号从M32为M36，中间部位的高强螺栓型号从M24为M30，确保螺栓不会出现剪断，整体结构稳定可靠。