李 岳，周敏輝

（1.中國移動(dòng)南方基地，廣州 510010；2.廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣州 510010）

中國移動(dòng)南方基地網(wǎng)管中心幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案論證

李 岳1，周敏輝2

（1.中國移動(dòng)南方基地，廣州 510010；2.廣東省建筑設(shè)計(jì)研究院，廣州 510010）

本文主要介紹建設(shè)單位面對(duì)無相似案例參考的創(chuàng)新幕墻項(xiàng)目時(shí)，委托專業(yè)機(jī)構(gòu)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)模擬驗(yàn)算，對(duì)整體模型進(jìn)行了強(qiáng)度驗(yàn)算，對(duì)節(jié)點(diǎn)模型進(jìn)行了承載力驗(yàn)算，根據(jù)驗(yàn)算結(jié)論提出了優(yōu)化建議，后續(xù)將結(jié)合力學(xué)試驗(yàn)進(jìn)行進(jìn)一步的驗(yàn)證，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性與節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的合理性，使項(xiàng)目可以安全、可靠的實(shí)施。

創(chuàng)新項(xiàng)目；幕墻；結(jié)構(gòu)模擬驗(yàn)算

0 引言

中國移動(dòng)南方基地位于廣州市天河區(qū)火爐山的東南山腳處，南方基地2.1棟網(wǎng)管監(jiān)控和展示中心（以下均簡稱“2.1棟”）土建主體為倒圓錐臺(tái)形式（如圖1）。地下1層，地上4層，首層5.7 m，2～3層6 m，4層4.92 m，主要屋面高度（結(jié)構(gòu)標(biāo)高）為22.12 m。首層為移動(dòng)業(yè)務(wù)展示大廳，2、3、4層為圓形網(wǎng)管監(jiān)控大廳。監(jiān)控大廳中空了2～4層的樓面，凈空12 m。外圍幕墻和土建主體之間設(shè)置兩條螺旋上升坡道，幕墻與螺旋上升坡道之間設(shè)置支座連接。

圖1 建筑效果圖

1 項(xiàng)目特點(diǎn)

中國移動(dòng)南方基地2.1棟幕墻工程為首創(chuàng)項(xiàng)目，自承重幕墻結(jié)構(gòu)形式屬于全國首例，設(shè)計(jì)、施工無相似案例借鑒，尤其是精度遠(yuǎn)高于普通建筑，控制在±2 mm。外部幕墻形狀與主體結(jié)構(gòu)相同，結(jié)構(gòu)采用交叉網(wǎng)格結(jié)構(gòu)鋼結(jié)構(gòu)筒體系，底部半徑為23.885 m，頂部半徑為41.404 0 m，總高為23.195 m。

主體結(jié)構(gòu)與幕墻結(jié)構(gòu)之間利用沿主體結(jié)構(gòu)坡道布置的可釋放豎向應(yīng)力的支座連接，形成自承重幕墻結(jié)構(gòu)。此部分主要校核玻璃幕墻位置之玻璃面板及其鋼架支撐結(jié)構(gòu)，鋼架結(jié)構(gòu)承受著幕墻面板傳遞過來的水平和豎直方向的荷載；再通過轉(zhuǎn)接件和埋件將其傳至主體結(jié)構(gòu)。

幕墻鋼結(jié)構(gòu)由1 900件“V”型、“X”型、“Y”型強(qiáng)度等級(jí)為Q420B的鑄鋼件作為連接節(jié)點(diǎn)，用于連接強(qiáng)度等級(jí)為Q235的1 718塊菱形鋼框，形成雙曲面網(wǎng)格結(jié)構(gòu)。面材主要采用與菱形鋼架框相匹配的22種尺寸的菱形玻璃材料，2種厚度規(guī)格（12+3.04PVB+12+12A+12和8+2.28PVB+8+12A+ 10）的夾膠中空鋼化玻璃。

荷載傳遞路徑：鋼構(gòu)件與玻璃自重->鋼網(wǎng)格結(jié)構(gòu)->轉(zhuǎn)接件、埋件->主體結(jié)構(gòu)。

由于建筑的重要性和造型的特殊性，結(jié)構(gòu)形式也必然存在非常規(guī)性，為確保本項(xiàng)目安全可行，建設(shè)單位委托了專業(yè)機(jī)構(gòu)，采用結(jié)構(gòu)模擬軟件相應(yīng)計(jì)算分析論證其安全性能；還委托力學(xué)試驗(yàn)機(jī)構(gòu)，以1∶1的比例生產(chǎn)幕墻單元構(gòu)件，進(jìn)行幕墻節(jié)點(diǎn)單元力學(xué)試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的合理性。本文介紹模擬計(jì)算情況。

2 幕墻鋼結(jié)構(gòu)整體模型復(fù)核

2.1 整體模型

整體模型，如圖4所示。

圖2 建筑剖圖

圖3 幕墻與土建坡道連接示意圖

圖4 整體模型

2.2 整體模型計(jì)算分析

幕墻鋼結(jié)構(gòu)的主要受力件為：菱形框、十字件、高強(qiáng)螺栓。在整體結(jié)構(gòu)復(fù)核中，它們的強(qiáng)度驗(yàn)算考慮軸力、彎矩和剪力共同作用，利用SAP2000算出的拉彎應(yīng)力比及剪切應(yīng)力比，根據(jù)總應(yīng)力比=sqrt（軸彎應(yīng)力比2+弱軸剪切應(yīng)力比2+強(qiáng)軸剪應(yīng)力比2），換算出軸彎剪共同作用下的應(yīng)力比。其強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)如下。

2.2.1 菱形框強(qiáng)度驗(yàn)算菱形框總應(yīng)力比最大值0.298，均能滿足規(guī)范要求。

2.2.2 十字件強(qiáng)度驗(yàn)算

十字件在整體模型中用桿件單元模擬，共10 534個(gè)單元，應(yīng)力比超過1.0的共13個(gè)單元，約占0.12%。無應(yīng)力比超過1.2的單元，最大應(yīng)力比1.19。應(yīng)力比較大的單元集中在鋼結(jié)構(gòu)底部、開洞部位附近。

2.2.3 高強(qiáng)螺栓強(qiáng)度驗(yàn)算

高強(qiáng)螺栓在整體模型中用桿件單元模擬，共15 975個(gè)單元，應(yīng)力比超過1.0的共93個(gè)單元，約占0.58%。應(yīng)力比超過1.2的共22個(gè)單元，約占0.14%，最大應(yīng)力比1.67。M36應(yīng)力比超限的共有70個(gè)單元，M27應(yīng)力比超限的共有23個(gè)單元。應(yīng)力比較大的單元集中在鋼結(jié)構(gòu)底部、開洞部位附近、支承部位附近。

從以上驗(yàn)算結(jié)果看到，承載力不足的桿件主要集中在鋼結(jié)構(gòu)底部、開洞部位附近、支承部位附近。對(duì)該區(qū)域的桿件，建議在菱形框與十字件相接的地方進(jìn)行加強(qiáng)，以增強(qiáng)節(jié)點(diǎn)剛度及降低高強(qiáng)螺栓的應(yīng)力。

3 幕墻鋼結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)模型承載力驗(yàn)算

整體模型的Mises應(yīng)力分布如圖5、6，最大Mises應(yīng)力達(dá)514.7 MPa，出現(xiàn)在高強(qiáng)螺栓上。

高強(qiáng)螺栓的Mises應(yīng)力較大，在菱形框與十字件交接的地方出現(xiàn)明顯的剪切變形，局部出現(xiàn)塑性應(yīng)變。由于出現(xiàn)塑性變形的區(qū)域較多，且最大Mises應(yīng)力（514.7 MPa）比10.9高強(qiáng)螺栓的設(shè)計(jì)強(qiáng)度500 MPa略有超出，建議對(duì)底部的連接進(jìn)行加強(qiáng)。

圖5 整體Mises應(yīng)力（1）

圖6 整體Mises應(yīng)力（2）

圖7 高強(qiáng)螺栓Mises應(yīng)力分布

圖8 高強(qiáng)螺栓塑性應(yīng)變分布

菱形框的最大Mises應(yīng)力只有255.8 MPa，小于Q345B的設(shè)計(jì)強(qiáng)度295 MPa。菱形框與高強(qiáng)螺栓接觸的地方應(yīng)力較小，擠壓不明顯。

圖9 菱形框Mises應(yīng)力分布（1）

圖10 菱形框Mises應(yīng)力分布（2）

十字件的最大Mises應(yīng)力為342.2 MPa，超出Q420的設(shè)計(jì)強(qiáng)度340 MPa。最大應(yīng)力出現(xiàn)在十字相交的凹角處，屬于局部應(yīng)力集中。十字件與高強(qiáng)螺栓接觸的地方應(yīng)力不大，擠壓不明顯。

圖11 十字件Mises應(yīng)力分布（1）

圖12 十字件Mises應(yīng)力分布（2）

從位移云圖可以看出，節(jié)點(diǎn)整體位移不均勻，節(jié)點(diǎn)剛度不高。由于菱形框與十字件之間只由兩根高強(qiáng)螺栓連接，外力作用下菱形框與十字件不容易緊密貼合，菱形框的邊框容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

圖13 整體位移分布（1）

圖14 整體位移分布（2）

菱形框的Mises應(yīng)力一般能滿足強(qiáng)度要求。十字件在十字相交的凹角處容易出現(xiàn)應(yīng)力集中。10.9級(jí)的高強(qiáng)螺栓局部出現(xiàn)剪切破壞，單靠高強(qiáng)螺栓傳遞軸力、彎矩和剪力不夠可靠。建議在菱形框與十字件相接的地方進(jìn)行加強(qiáng)，整張節(jié)點(diǎn)整體剛度。節(jié)點(diǎn)整體剛度不高，菱形框的邊框容易發(fā)生扭轉(zhuǎn)。

4 結(jié)論

通過結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算，發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)方案中，應(yīng)力集中在鋼結(jié)構(gòu)底部，而結(jié)構(gòu)的底部桿件承載力不足，導(dǎo)致10.9級(jí)的高強(qiáng)螺栓局部出現(xiàn)剪切破壞，有必要對(duì)原設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化修改：高強(qiáng)螺栓等級(jí)為10.9級(jí)不變，鋼結(jié)構(gòu)底部的高強(qiáng)螺栓型號(hào)從M32為M36，中間部位的高強(qiáng)螺栓型號(hào)從M24為M30，確保螺栓不會(huì)出現(xiàn)剪斷，整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定可靠。

5 結(jié)語

本文主要介紹設(shè)計(jì)方案論證的模擬計(jì)算階段，采用結(jié)構(gòu)模擬計(jì)算軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算還是建立在理論層面，因本項(xiàng)目結(jié)構(gòu)形式為全國首例，為提供進(jìn)一步的可行依據(jù)。下一步，將委托相關(guān)試驗(yàn)機(jī)構(gòu)制作1∶1的鋼構(gòu)件節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行節(jié)點(diǎn)單元力學(xué)試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性與節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的合理性。

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TU382

A

1673-1093（2015）02-0066-04

李岳（1983），男，碩士研究生，畢業(yè)于華南理工大學(xué)，現(xiàn)就職于中國移動(dòng)南方基地，研究方向：建筑技術(shù)。

10.3969/j.issn.1673-1093.2015.02.016

2014-12-02；

2014-12-09