倾斜玻璃幕墙结构对大型场馆钢结构屋盖力学性能的影响

吴忠峰

浙江大东吴集团建设有限公司 浙江 湖州 313000

玻璃幕墙作为一种美观新颖的建筑墙体装饰方案，对建筑起到美化和围护的作用，近年来被越来越多的大型场馆所采用。在常规的场馆结构设计中，一般仅将其作为荷载考虑，常忽略其作为附属结构对整体结构力学特性的影响[1-2]。其主要原因是玻璃幕墙结构自身的结构性不强、刚度小，对主体结构（一般为混凝土结构）的力学特性影响较小。例如，某游泳馆原设计采用垂直玻璃幕墙方案，仅将幕墙作为荷载考虑进行钢结构屋盖设计。后玻璃幕墙调整为倾斜幕墙结构，考虑到倾斜玻璃幕墙结构竖向构件截面大且数量众多，对整体结构力学性能的影响不可忽略。

本文采用将玻璃幕墙和钢结构屋盖及下部看台混凝土结构共同建模的方法，研究倾斜幕墙结构对大跨空间钢结构屋盖力学性能的影响，并针对揭示的结构薄弱节点提出相关加固技术。

1 工程概况

某游泳馆由钢结构和钢筋混凝土结构两部分组成，其中屋盖及其支撑立柱为钢结构，内部泳池及看台为钢筋混凝土结构（图1）。

图1 建筑剖面示意

游泳馆屋盖钢结构采用弧线形箱形钢梁，梁弧度依建筑造型确定，屋面呈现中部凹陷的形状。屋盖结构由落地钢柱支承，钢柱柱脚与地面刚接（图2）。

图2 钢结构屋盖三维示意

屋盖入口处高度约23 m，然后逐渐降低，尾部高度约3 m，与混凝土柱连接。除入口处左右斜柱为圆管柱外，其余各处钢柱均为方钢管立柱，沿中心线对称布置。主梁GL1—GL8沿y向布置，最大跨度为56.3 m，x向也设置2道主梁GL11，主梁从柱顶外伸至檐口的悬挑段均为变截面。屋面荷载主要通过y向主梁传递至钢柱。

2 数值模型

结构主要包括钢结构屋盖、看台和玻璃幕墙3个部分。为考虑玻璃幕墙的影响，需对这3个部分进行模拟，其中，钢结构屋盖采用梁单元模拟，看台采用板壳单元模拟，玻璃幕墙结构采用梁单元和膜单元模拟，玻璃不考虑刚度贡献。

整个模型如图3所示。

图3 有限元模型

为研究幕墙结构对钢结构屋盖力学特性的影响，分别对带有幕墙结构的模型和将幕墙按荷载考虑的模型进行计算分析，并对两者的结果进行比较。

3 数值分析结果

3.1 自振振型与周期

图4为计入幕墙影响的游泳馆结构前3阶自振振型。

图4 计入幕墙影响的前3阶自振振型

不计入和计入幕墙影响的结构前6阶振型自振周期对比如表1所示。

通过对比可以看出：

1）两者前3阶振型一致，表明结构动力力学特性没有根本性改变。

2）两者前2阶振型基本接近，计入幕墙影响的第3至第6阶振型自振周期较短，刚度较大，这表明幕墙提高了屋盖结构的侧向刚度。

表1 不计入和计入幕墙影响的结构自振周期 单位：s

3.2 结构整体反力

不计入和计入幕墙影响下结构自重的对比如表2所示。可以看到，计入幕墙影响时恒载工况下结构整体反力增加10.5%，达到53 792 kN。

表2 结构整体反力对比 单位：kN

3.3 构件变形

不计入和计入幕墙影响的构件变形对比如表3所示。由于幕墙杆件计入计算，结构整体竖向承载力增大并为悬挑梁提供竖向支撑，减小了悬挑长度，使得构件变形较不计入幕墙影响的构件变形值大幅度减小。

表3 构件变形对比 单位：mm

3.4 构件应力

计入幕墙影响的构件应力比如图5所示。除少数构件的应力比在0.9～1.0范围内，其余均低于0.8；主梁应力比基本控制在0.9以内，较不计入幕墙影响的模型略小；主体结构构件均小于1.0，构件应力比均满足要求。

图5 计入幕墙影响的构件应力比统计

3.5 支座反力

在屋盖尾部通过GL11、GL13和GL14与混凝土柱连接，如图6红圈处所示。

图6 屋盖尾部钢梁与混凝土柱连接

不计入与计入幕墙刚度的支座反力对比如表4所示，由于幕墙向外倾斜且杆件自重较大，造成的弯矩使得节点支座拉力增加，2号支座最大拉力由1 204 kN增加到1 331 kN，增幅达到11%。

表4 支座反力对比 单位：kN

4 屋盖尾端节点加固施工

在原有设计中，尾盖尾端的6处钢梁通过预埋钢板和15φ22 mm膨胀螺栓与混凝土柱相连接（图7）。采用考虑幕墙的支座反力结果（见表4）对节点进行验算复核。复核结果表明，支座2采用15φ22 mm膨胀螺栓不能满足受力的要求，由于结构施工已经完成，故需要对该连接节点进行加固。

图7 原设计屋盖尾端节点

屋盖尾端节点加固过程如下：

首先，使用千斤顶将钢梁顶高并在梁下设置钢管作为永久竖向支撑，钢管支撑底部植入钢筋；然后，在节点两侧安装钢板，并在钢板上焊接加劲板；最后，对连接两侧钢板的φ40 mm穿梁螺杆采用张拉千斤顶进行对称张拉（图8）。

图8 屋盖尾端节点加固施工

5 结语

通过计入幕墙与不计入幕墙刚度的对比分析，可以得出以下结论：

1）计入幕墙刚度后，钢结构屋架结构的动力力学特性没有根本性改变，但结构侧向刚度增加，相应的自振周期减小。

2）计入幕墙刚度后，构件变形值均减小。悬挑构件由于有幕墙的支撑，减小了悬臂长度，使得构件变形值大幅度减小。

3）计入幕墙刚度后，屋盖尾部钢梁与混凝土柱连接节点拉力增加11%。对比分析表明，计入幕墙刚度后，屋盖尾端节点原设计难以满足要求，需对节点进行加固，以保证结构安全。

[1] 郭浩,李茹,郝开全.论玻璃幕墙对结构影响的分析[J].城市建设理 论研究(电子版),2012(29):1-5.

[2] 钱鹏,王建,周建龙.某工程中玻璃幕墙结构对主体结构设计的影响 [J].结构工程师,2010,26(4):26-30.