某美术馆巨型装饰幕墙钢结构设计

陈志华

（华南理工大学建筑设计研究院有限公司 广州510640）

关键字：钢结构幕墙；桁架结构；指标判别；挠度控制；温度应力；支座刚度

0 引言

钢结构框架作为世界上建筑物除混凝土结构以外使用最多的结构形式，在实际中被广泛应用各个方面，包括屋面系统、幕墙系统、室外构筑物等等，由于钢结构构件具有质量轻、强度高、经济性等特点，以及其结构形式的多样性，针对不同的使用要求、外观效果可以有很高的灵活性，在建筑设计中，可以利用小型钢结构就可以做到独特的建筑效果，故建筑师在设计工程中也常常结合钢结构灵巧的结构形式辅助建筑效果的体现。

本文结合工程的实际情况，针对建筑物对幕墙的效果要求，对幕墙钢结构方案的形式进行探讨，通过对方案的分析与对比，可为相似的工程项目提供工程设计的参考实例。

1 基本信息

某美术馆位于广州市中心城区，由专业公司提供建筑方案，主结构为钢框架-筒体结构，结构平面自下至上外扩后内收，楼层平面四边为圆弧边界，主结构平面如图1所示，每条圆弧边有3个锯齿造型，幕墙结合建筑平面划分为12片球面幕墙组成，立面如图2所示。每片幕墙之间相互断开而没有在沿主体结构形成一个完整圆环，据梁瑞娟等人［1］的研究可知更为有利。在楼层标高处与主体连接，一样主边梁采用钢构件，所以幕墙结构与主体结构的连接节点之间不存在需做预埋件的问题；结合实际工程情况，考虑到幕墙外界面与主结构边界之间的距离大概只有1.2 m，所以桁架高度控制在800 mm 左右，楼层层高8 m，故除在楼面平面设置1 道水平桁架保证稳定以外，还在楼层中间高度设置1 道腰桁架，用来解决竖向主桁架的侧向稳定问题；另外两侧需要悬挑，为保证竖向变形满足要求，在与主结构连接的主桁架设拉索，控制悬挑端的变形满足要求。以上幕墙结构方案在相似的工程实例［2］有所体现。

图1 主体结构平面示意图Fig.1 The Main Structure Plane Sketch

图2 幕墙结构示意图Fig.2 Curtain Wall Structure Sketch

幕墙结构构件绝大部分采用成品方钢管，方便大批量采购以及保证构件的质量；考虑到幕墙构件处于南方多雨室外环境，对幕墙结构构件进行加强防腐防锈处理。

各材料属性（见表1）按《钢结构设计标准：JGJ 102—2017》［3］及相关产品说明书［4］、《混凝土结构设计规范：GB 50010—2010》［5］取值。

表1 各材料属性Tab.1 The Material Properties

2 荷载取值及内力组合

按《玻璃幕墙工程技术规范：JGJ 102—2003》［6］、《建筑结构荷载规范：GB 50009—2012》［7］、《建筑抗震设计规范：GB 50011—2010》［8］考虑进行结构的荷载组合和内力计算。

2.1 恒载

幕墙外立面外挂光伏景观板，主要包含光伏面板及连接件的荷载，幕墙内侧挂消音隔板，幕墙结构内外侧主龙骨荷载按实际产品自重实际计算结果取值。

2.2 基本风压

对于复杂的幕墙结构一般可由风洞试验得到，也可参考韩志惠等人［9］的研究所述的等效静力风荷载方法进行近似计算得到，本工程根据该美术馆的风洞试验报告，每片幕墙内外侧龙骨根据风动报告提供的正负风压，对相应的位置输入风荷载进行计算。

2.3 地震作用

地震作用按项目所在地区考虑，地震烈度及设计地震加速度为7度0.10g，特征周期取0.35s，多遇地震影响最大系数最大值0.08；地震作用的荷载组合分项系数按文献［8］取值。

2.4 温度作用

由于单片幕墙面积达1 300 m2，面积较大，且钢架与光伏板之间没有做隔热措施，故需要考虑温度变化对幕墙钢结构产生的不利影响，温度作用按±20°考虑。

3 计算模型基本信息、结果及分析

3.1 模型基本信息

幕墙钢结构计算分析软件采用上海同磊土木工程技术有限公司的3D3S软件，考虑幕墙结构与主体结构的整体适应变形，在计算模型中必须考虑主体结构刚度对幕墙结构的影响，故幕墙结构计算时与主体结构一体进行，这与熊惠莉［10］考虑主体结构刚度和李久鹏［11］考虑主体与幕墙相互影响的要求相一致；幕墙结构桁架在楼层与主体结构连接节点的连接件，也按照实际连接节点的做法，模型中设置与实际连接刚度一致的连接件进行计算模拟，保证连接节点位置内力计算的准确性。

3.2 模型计算结果及分析（仅取北侧单片计算结果）

结构的竖向荷载主要荷载为构件自重及幕墙系统自重，由于侧边有悬挑，故需要计算其竖向位移，位移控制选取较大结果进行控制，如图3结果所示，竖向位移产生的挠度值为（39.5-29.4）/6 600=1/653，可知其在自重作用下产生的竖向挠度较小，主要是由于幕墙结构框架面内自身有一定的刚度以及拉锁的斜拉。

图3 恒载竖向位移（局部）示意图Fig.3 Dead Load Vertical Displacement Sketch

计算模型部分振型计算结果如图4 所示，靠前的阵型为平动振型，幕墙结构的扭转阵型比较靠后，可知结构体系比较合理。

图4 地震作用振型Fig.4 The Vibration Mode

幕墙结构计算的控制荷载为风荷载，考虑结构本身悬挑较长，针对风荷载的不利计算需要更加细致，风荷载对于构件承载能力和正常使用状态都有绝对的影响，故需要对风荷载作用下的结构应力、稳定计算以及正常使用挠度进行控制，挠度变形局部如图5⒜所示，水平位移产生的挠度值为（71.1-0.4）/（11 100×2）=1/318；构件强度应力大多数不高，实际主要是稳定及构件长细比控制，如图5⒝～图8所示。

图5 风荷载作用下水平位移及构件强度应力Fig.5 Horizontal Displacement under Wind Load and Component Strength Stress

图6 绕2轴稳定及绕3轴稳定Fig.6 Stabilized around Two Axes and around Three Axes

图7 绕2轴及绕3轴长细比Fig.7 Slenderness Ratio around Two Axes andaround Three Axes

图8 升温及降温作用轴力Fig.8 Axial Force of Warming Effect and Cooling Effect

由于幕墙面为球形面，与主体结构之间在楼板标高位置做铰接连接，实际在收温度作用时与结构主体同时变形，但实际构件所受到的温度应力比较复杂，并不纯粹受拉或受压，实际构件轴力情况如图8所示，并且可知在楼层交接处构件温度产生的轴力较大，实际设计中需要特别注意。

4 结语

⑴在幕墙结构悬挑长度较大的情况下，对幕墙钢架构件起控制荷载影响的应是风荷载，挠度与构件的稳定性验算作为起决定性指标，构件的强度应力一般不大。

⑵幕墙结构与主体结构之间不能设置竖向滑动时，温度作用下需要考虑他们之间的一致性变形，即需要考虑他们同时受温度作用的影响；否则，只考虑幕墙结构的温度作用的话，其产生的温度应力与实际不一致，与幕墙结构支座的假定存在之间的关系，很可能带来与实际内力不符的结果。

⑶在幕墙尺寸有限和幕墙高度较高的情况下，做密肋桁架可以解决幕墙结构受力计算问题，避免采用大尺寸构件，造成经济性及功能使用的影响。