李義榮 （甘肅省建筑裝飾工程有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730000）

1 工程概況

天水體育中心游泳館地下一層，地上二層（局部三層），地下室層高為5.4m，一層層高為4.8m，二層層高為7.672m，建筑高度為27.3m，總建筑面積為17688.8m2。建筑耐火等級(jí)地下一級(jí)地上二級(jí)，建筑類別為多層乙類體育建筑，該游泳館規(guī)模為中型游泳館，泳池級(jí)別為甲級(jí)。建設(shè)地點(diǎn)位于甘肅省天水市麥積區(qū)二十里鋪，主要施工內(nèi)容為外立面鋁板幕墻、玻璃幕墻及浮雕噴涂施工等。

該項(xiàng)目位于寒冷地區(qū)，鋁板幕墻采用鋼結(jié)構(gòu)龍骨骨架、保溫巖棉、雙側(cè)雙層鋁板外噴彈性浮雕涂料作為外墻，代替常規(guī)使用的砌筑墻體，達(dá)到了節(jié)能、節(jié)材、節(jié)水的效果，且由于該項(xiàng)目所處地理位置風(fēng)荷載較大，因此將加強(qiáng)筋與鋁板共同綁定，抵擋風(fēng)荷載。

2 鋁板幕墻施工難點(diǎn)

2.1 施工周期短

該工程難點(diǎn)為室外鋁板幕墻及玻璃幕墻，由于建筑物設(shè)計(jì)造型特殊，為不規(guī)則曲面橢圓形幕墻且跨度較大，與周圍建筑緊密相連，土建及安裝等同時(shí)與幕墻施工，造成幕墻在施工過(guò)程中會(huì)與土建、安裝等進(jìn)行必要的溝通，曲面造型及較短的工期對(duì)技術(shù)要求較高，且施工材料種類較多，在材料采購(gòu)、供應(yīng)商確定及安裝技術(shù)上均有一定的難度，且施工工期短、交叉作業(yè)多，合理安排施工進(jìn)度也存在一定的難度。

2.2 鋼架龍骨安裝

工程鋁板鋼框架是由廠家生產(chǎn)的最終產(chǎn)品，由于結(jié)構(gòu)寬度不同，其成型尺寸也不同，尤其是鋼框架的單體構(gòu)件比較長(zhǎng)，并且在龍骨中部設(shè)有支撐，外部的龍骨坡角比較大，確保龍骨的正確安裝是確保鋁合金板件順利進(jìn)行的重要因素。

2.3 曲面鋁板安裝

游泳館鋁板的外形獨(dú)特，可將鋁板分成平臺(tái)板、吊頂板、側(cè)壁板，特別是側(cè)壁板有傾斜角度，傾斜角度不同，各個(gè)部分也不盡一致。在游泳館工程中，鋁片的安裝位置、弧度是施工中的一個(gè)難題，而鋁片的安裝位置將直接影響到整個(gè)平臺(tái)的鋁片和天花板的安裝。

2.4 風(fēng)荷載

鋁幕墻和面板之間的連接主要是通過(guò)硅酮密封膠、橡膠條、螺栓連接、焊接等方法。鋁幕墻所承受的水平荷載主要是風(fēng)荷載。而已有研究結(jié)果表明，將加強(qiáng)筋與鋁板相結(jié)合可提高鋁板幕墻的抗風(fēng)性能，但目前較少研究鋁板與加強(qiáng)筋的變形與撓度。

3 質(zhì)量控制

3.1 鋁板幕墻面板施工工藝控制

鋁板經(jīng)過(guò)處理后，運(yùn)輸至工地時(shí)，必須對(duì)已運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)的鋁板進(jìn)行檢驗(yàn)，以確保其符合設(shè)計(jì)圖紙[1-3]，并按圖紙進(jìn)行安裝。在龍骨縱、橫向中分線上安裝鋁板，用自鉆自攻螺釘將鋁板與機(jī)架連接，并檢查、調(diào)整相鄰鋁板間的預(yù)定間隙及鋁板垂直度。將鋁片用螺釘固定于框架，梁鋁板從陽(yáng)角到陰角依次安裝，從下到上依次安裝柱鋁板，每一塊鋁片都要涂上保護(hù)性的膠紙。

3.2 鋁板幕墻面板接縫控制

在鋁板的連接部位采用填料，為了保證接頭附近不被污染，在鋪設(shè)過(guò)程中必須貼上保護(hù)網(wǎng)[4-6]，注膠時(shí)要小心不要使氣孔在轉(zhuǎn)角處滲入。通過(guò)實(shí)例，看到了鋁板材焊接時(shí)，出現(xiàn)了焊接接頭上的扣合點(diǎn)數(shù)目不夠以及在施工過(guò)程中出現(xiàn)了漏針、焊接接頭不連續(xù)性等問(wèn)題。在注漿時(shí)，應(yīng)確保接縫處的接續(xù)，不徹底凝固的粘合表面不能觸摸，否則會(huì)造成污染，當(dāng)表面的粘合充分時(shí)，再進(jìn)行下一步的施工。

圖1 鋁板幕墻鋁板接縫注膠不連續(xù)

3.3 鋁板幕墻面板精度控制

安裝時(shí)采用兩個(gè)鄰近的鋁板來(lái)調(diào)節(jié)加工誤差、立柱安裝偏差、結(jié)構(gòu)變形等問(wèn)題。在機(jī)架上，按鋁板材接頭碼的定位，打洞時(shí)，接頭的距離不得大于15mm，而中間的距離不得大于500mm。按照甘肅省《建筑幕墻工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)程》（DGJ32/J124-2011）[7]中的規(guī)定，鋁板材表面的水平偏差不得大于2.5mm、縱向小于3mm、平面小于3mm，平行于兩側(cè)的鋁板材之間的拼接高度偏差不大于1.0mm、寬度不大于2mm。

3.4 吊頂鋁板施工質(zhì)量控制

鋁板背筋、轉(zhuǎn)接掛件和橫梁的排列方式對(duì)裝配的成功與否有很大的影響。施工過(guò)程中，必須按照工程圖紙和BIM模式提供的資料進(jìn)行施工，并在施工前由設(shè)計(jì)方對(duì)BIM進(jìn)行碰撞檢驗(yàn)。

將懸掛中心的橫向龍骨橫向排列，便于現(xiàn)場(chǎng)施工。根據(jù)鋁片的外形輪廓線，制作了橫向的龍骨彎角，確保各掛件都能完美掛接，不會(huì)發(fā)生干擾和脫落。

3.5 層間高度漸變部位鋁板施工質(zhì)量控制

平臺(tái)、天棚的橫梁和橫梁都與鋁板平行，并以傾斜的方式排列（確保鋁板與龍骨的完工面之間距離為100mm)，方便了鋁板的安裝和定位。

當(dāng)側(cè)面懸掛的鋁板材高度大于1100mm，在中部加固位置橫向設(shè)置橫梁，增加了吊鉤，承受水平風(fēng)壓力，吊鉤連接，方便施工和安裝。

在中間位置處橫設(shè)橫梁，方便現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量和位置。

4 加強(qiáng)筋與鋁板在風(fēng)荷載下變形的影響

風(fēng)壓測(cè)試在北京某幕墻公司三級(jí)實(shí)驗(yàn)室完成。鋁板幕墻按照實(shí)際工程安裝，將鋁板幕墻用密封膠密封，靜置7d，以確保鋁幕墻結(jié)構(gòu)良好的氣密性[8-9]。

風(fēng)壓加載是在一個(gè)密封良好的加壓腔中進(jìn)行。當(dāng)施加正風(fēng)壓時(shí)，將加壓腔內(nèi)的空氣抽出來(lái)，使外部環(huán)境中的空氣壓力可以大于加壓腔中的空氣壓力，從而達(dá)到正風(fēng)壓。當(dāng)施加負(fù)風(fēng)壓時(shí)，將氣體注入加壓室，使加壓室內(nèi)的空氣壓力大于外部環(huán)境內(nèi)的空氣壓力，從而達(dá)到負(fù)風(fēng)壓。加壓室內(nèi)設(shè)置空氣壓力計(jì)，可測(cè)量室內(nèi)外的壓力差。

4.1 風(fēng)荷載作用下鋁板與加強(qiáng)筋變形分析

鋁板與加強(qiáng)筋在等效風(fēng)壓作用下不同正負(fù)風(fēng)壓下的缺陷值如表1 所示。由于結(jié)構(gòu)由上而下對(duì)稱，因此選擇了測(cè)量點(diǎn)2、5、8、11、14、17、20，便于觀察和計(jì)算。

表1 鋁板與加強(qiáng)筋在正負(fù)風(fēng)壓下缺陷值

在正負(fù)風(fēng)壓的作用下，鋁板的變形量會(huì)隨著風(fēng)壓的增加而增大。鋁板在正風(fēng)壓下的變形值與負(fù)風(fēng)壓下的變形值相同，說(shuō)明鋁板結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，能夠有效抵抗鋁板幕墻的局部不穩(wěn)定性。鋁板0～2kPa變形較快，2～3kPa 變形緩慢。原因是部件在橫向風(fēng)壓下會(huì)彎曲變形。由于焊釘脫落等原因，鋁板和加強(qiáng)板之間的接觸面會(huì)相對(duì)錯(cuò)位。同時(shí)，鋁板和加強(qiáng)筋具有相同的邊界約束條件，它們都沿著其部分的中性軸變形，直到變形相等，且可觀察到在風(fēng)荷載作用下鋁板的變形速率由快變慢。同時(shí)可發(fā)現(xiàn)鋁板中間部分的變形最高，且加強(qiáng)筋的變形比鋁板的變形要小得多。表明加強(qiáng)筋與鋁板具有明顯的協(xié)同效應(yīng)，提高了鋁板的剛度。而在鋁板的下端，鋁板和加強(qiáng)筋變形較小。因此在實(shí)際工程中，可以優(yōu)化鋁板中間的間距，提高鋁板的整體抗風(fēng)性。

4.2 有限元分析

在實(shí)際工程中，鋁板幕墻的頂部用自攻螺釘固定連接，面板兩側(cè)用角鋁鉤住。因此，在ABAQUS 有限元分析中建模時(shí)，模型頂部約束了三個(gè)位移自由度。模型的兩側(cè)由鋁合金制成。單壁空腔采用角鋁連接，鋁合金立柱面外剛度較弱。因此，該模型只限制了風(fēng)荷載的方向。鋁板和加強(qiáng)筋的材料性能參照《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50429-2007）[10]中的規(guī)定。設(shè)定鋁板為彈性模量為70GPa，泊松比為0.33。鋁板模型采用組合模型，鋁板和加強(qiáng)筋分別建模。鋁板和加強(qiáng)筋單元的型號(hào)為C3D8R，網(wǎng)格尺寸為20mm。鋁板的風(fēng)壓加載采用單向風(fēng)壓瞬時(shí)加載。采用ABAQUS 中載荷模塊下的壓力，并設(shè)置鋁板與加強(qiáng)筋為一致的分布。本試驗(yàn)對(duì)加強(qiáng)筋和鋁板進(jìn)行分析，風(fēng)壓為3kPa時(shí)鋁板和加強(qiáng)筋的撓度和應(yīng)力圖，如圖2、圖3所示。

圖2 鋁板撓度變化

圖3 鋁板應(yīng)力變化

由圖2 可知，中心鋁板的撓度為26.87mm，與實(shí)測(cè)值存在較大誤差。原因是在測(cè)試過(guò)程中，焊釘連接了固定板和鋁板。焊釘在此過(guò)程中會(huì)傾斜甚至下降，導(dǎo)致固定板和鋁板之間出現(xiàn)間隙。鋁板開始受力變形，導(dǎo)致測(cè)量誤差。由圖3 可知，鋁板的應(yīng)力集中在加強(qiáng)筋上，最大值為153.6MPa，加強(qiáng)筋上的應(yīng)力在兩端呈大小分布。

4.2.1 模態(tài)分析

由于鋁板在高階模態(tài)下已經(jīng)完全變形和破壞，因此對(duì)高階模態(tài)的分析沒有意義。因此，選擇了三種模態(tài)進(jìn)行分析，如圖4所示。

圖4 有限元模擬結(jié)果

對(duì)于整個(gè)鋁板結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，一階模態(tài)是鋁板在垂直方向上振動(dòng)，鋁板部分最先承受載荷，以中間加勁肋為中心，相鄰的鋁板變形較大，是整個(gè)鋁板損壞的薄弱環(huán)節(jié)。二階模態(tài)是鋁板左右扭轉(zhuǎn)，中間加強(qiáng)筋承受較大載荷。加強(qiáng)筋邊緣部分變形明顯，加強(qiáng)筋對(duì)整個(gè)鋁板結(jié)構(gòu)有很強(qiáng)的回拉作用。在三階模態(tài)下，鋁板從中間加強(qiáng)筋呈反對(duì)稱分布。加強(qiáng)筋左側(cè)鋁板向上變形，右側(cè)鋁板向下變形，整體鋁板變形明顯。

5 結(jié)論

根據(jù)游泳館幕墻結(jié)構(gòu)及其設(shè)計(jì)施工特點(diǎn)，并結(jié)合實(shí)際工程案例歸納出鋁板幕墻施工技術(shù)措施。同時(shí)為有效抵擋風(fēng)荷載，將鋁板與加強(qiáng)筋結(jié)合，并分別計(jì)算正負(fù)風(fēng)荷載作用下鋁板與加強(qiáng)筋變形，在風(fēng)荷載作用下鋁板的變形速率由快變慢，且鋁板與加強(qiáng)筋共同作用可有效抵擋風(fēng)荷載。試驗(yàn)和計(jì)算模擬均表明，復(fù)合結(jié)構(gòu)下的最大變形點(diǎn)在鋁板的跨中位置，該位置應(yīng)加強(qiáng)鋁焊釘?shù)暮附訌?qiáng)度，以保證鋁幕墻在極端天氣下的穩(wěn)定性。