台风侧向作用下单元式幕墙动力分析.pdf

第 3 7卷第 1 期 2 0 1 1 年 2月 四川建筑科 学研究 S i ch u a n B u il d i n g S ci e n ce 1 9 台风侧向作用下单元式幕墙动力分析 徐旭 刘钧钧 朱齐飞 1 上海大学土木工程系 上海2 0 0 0 7 2 2 上海美特幕墙有限公司 上海2 0 1 7 0 0 摘要 风灾是自然灾害的主要灾种之一 由于全球气候变暖 风灾变得更为频繁 每年造成全球经济损失达数百亿甚至千亿 美元 而我 国东南沿海地区又是受风灾影响 比较严重的 区域 随着我 国经 济的高速发展 越来 越多 的高层 和超高层建筑 在我 国东南沿海 地区拔地 而起 随着我国工业化程度的提高 单元式幕墙因其能较好 地吸收层 间位 移的特点 而广泛地使用 于这些 高层与超高层建筑 同时 建筑外墙结构在风灾的影响下发生破坏的案例更是时有发生 本文基于石沅台风风谱 模拟风荷 载 将其应用于对超高层的单元式幕墙板块的动力响应分析 简化 了相关的结构 以期达 到理 想的风振 响应 效果 关键词 外墙结构 台风 动力分析 中图分 类号 T U 9 7 3 2 文献 标识码 A 文章编 号 1 0 0 8 1 9 3 3 2 0 1 1 叭 一 0 1 9 0 4 Re l ia b il it y a n a l y s is o f g l a s s cur t a in wa l l u n d e r e ffe ct o f t y p h o o n in s id e d ir e ct io n x u X u L I U J u n j u n Z H U Q i f e i 1 S h a n g h a i U n iv e r s i t y C i v i l E n g i n e e ri n g S h a n g h a i U n iv e r s i t y S h a n g h ai 2 0 0 0 7 2 C h in a 2 S h ang h ai Me it e C u r t a i n Wa u S y s t e m C o L t d S h a n g h a i 2 0 1 7 0 0 C h in a Ab s t r a ct W in d s t o r m is o n e o f t h e mo s t n a t u r a l d is a s t e r s in t h e wo d d B e ca u s e o f t h e g l o b al wa r min g a ri s in g f r o m g r e e n h o u s e e ff e ct t h e o ccu r r e n ce o f win ds t o rm be co me s mo r e an d mo r e fre q ue ncy Ev e r y y e a r t h e g l o bal e co n o mic l o s s c a us e d by t h e win ds t o rm r e a ch e s fro m 1 0 b iH io n t o 1 0 0 b iH io n U S d o n a rs I n C hi n a man y s o u t h e a s t co ast al a r e as h a v e a l w a y s b e e n s e ri o u s l y a t t a ck e d b y t h e u n d e s ir e d win d d is ast e r Al o n g wi t h t h e r a pid e co n o mic de v e l o p me nt in Ch in a mo re a nd mo r e h ig h r is e a r chi t e ct ur e s a n d s u p e r h ig h r is e bu il di n g s h a v e be e n e r e ct e d in t h e s o u t h e a s t co s t al a r e a s S imu l t a ne ou s l y du e t o t h e impr o v e me n t o f in d us t r ializ a ti o n un it cu r t ai n wa l l wi t h s o u nd f u n ct io n o f a b s o r b in g t h e d is p l a ce me n t b e t w e e n fl o o r s h as be e n wi d e l y a p p l ie d f o r t h e co n s t r u ct io n o f h i s h r is e a n d s u p e r h ig h r is e a r ch it e ct u r e s I n o u r d ai l y l if e ma n y t y pical ca s e s a b o ut t he s t r u ct u r e o f cl a d d in g is d a ma g e d b y t h e win d di s a s t e r o f t e n oc cur Base d o n t h e s hi y u a n t y p h oo n w in d s p e ct r u m t h is p a p e r ma in l y d e s cri b e s t h e w in d l o a d s imu l a t e d b y t h e co mp u t e r a n d t h e n t h e calcu l a t ed d a t a o f a n alo g wi nd l o a d wil l be a p pl ie d t o t h e d y na mic for ce r e s p o ns e a n d a n alys is o f uni t cu r t ai n wa l l t o s imp l if y t h e r e l e v a n t s t r uct ur e t l a v ie w t o a ch ie v e t h e d e s ir e d e ff e ct o f w in d in d u ce d v ib r a t io n Ke y wo r ds cl a dd ing t y ph o o n d y na mic a na l y s is U 刖 罱 台风产生在热带海洋上 具有突发性强 破坏力 大的特点 是世界上最严重 的 自然灾 害之一 台风 的破坏力主要 由强风 暴雨和风暴潮 3个因素引起 2 0 0 6年 的 1 号强台风 珍珠 C h a n ch u 在菲律宾 中国东南部 台湾总共造成 1 0 4人死亡以及 1 2亿美 元的损失 2 0 0 6年的4号强热带风暴 碧利斯 B i l is 在菲律宾 台湾 中国东南部总共造成 6 7 2人死 亡以及 4 4亿美元 的损失 我 国东南沿海各省市是 收稿 日期 2 0 0 9 0 7 0 3 作者简介 徐旭 1 9 6 8一 男 江苏南 通人 副教 授 博 士 研究 方 向为结构动力学 和风工程等 E ma il a 5 u ms n co rn 遭受台风袭击最为频繁的地区 同时 这一地区又是 我国经济腾飞的翅膀 随着近 2 0年 的经济发展 东 南沿海珠三角 长三角已成为我国经济最为发达地 区 在现代化 工业化的驱使下 这一地 区的高层和 超高层建筑正逐年递增 玻璃幕墙对现代建筑美学 的诠释更是毋庸置疑 对于作为地标性建筑的这些 高层或是超高层建筑 更是青睐于玻璃幕墙结构 建筑幕墙作为一个跨专业 跨行业的新兴行业 进入我国不过 2 O多年 现今 中国已成为全球最大 的建筑门窗与建筑幕墙的生产加工与使 用国 每年 生产使用各类门窗总面积超过 4亿平方米 每年生 产安装各类建筑幕墙超过 5 0 0 0万平方米 每年产值 数千亿 单元式玻璃幕墙的结构形式特点是 首先 将构成玻璃幕墙的单元 骨架材料 玻璃 保温隔热 2 0 四川建筑科学研究 第 3 7卷 材料 在专门的工厂中装 配成为整框 然后将其运 送至施工现场 在施工现场只需将一个个幕墙单元 依次安装固定在建筑的主体结构上 单元件在工厂 内加工制作 可 以把玻璃 铝板或其他材料在加工 厂内组装在一个单元件上 促进 了建筑工业化程度 因为单元件在加工厂内整件组装 易于在工厂内进 行检查 有利于保证多元化整体质量 保证 了幕墙的 工程质量 单元式幕墙从楼层下方向上方安装能够 和土建配合同步施工 大大缩短了工程周期 幕墙 单元件安装联接接 口构造设计能吸收层 间变位 通 常可承受较大幅度建筑物移动 对高层建筑和钢结 构类型建筑特别有利 单元式幕墙这种并不是很新 的幕墙结构因为造价高近些年才开始在我国使用 但随着我国经济的发展及工业化程度 的提高 单元 式幕墙开始广泛地使用于国内的重大工程 如上海 环球金融中心 目前 玻璃幕墙抗风的研究 因为起步早 国外 的研究机构及企业进行的比较多 2 O世纪 6 O年代 D a v e n p o r t 采用等效静风荷载代替实际 的风荷 载进 行结构设计 同时被美国 加拿大 澳大利亚 中国在 内的多国规范所采用 M Ma h e n d r a n R B T a n g J 等人着重对幕墙连接构件的极限破坏做了相关研究 实验 为幕墙连接构件设计 提供 了依据 P e t e r J V ick e r y 2 提出在幕墙钢结构加入拱背 以达到减小 应力 国内滕军 马伯涛等人 则提出在高层建筑 顶部悬挑幕墙处使用阻尼片隔振控制 达到 了比较 好的效果 1 单元式幕墙 单元式玻璃幕墙是将构成玻璃幕墙 的单元 横 竖骨架材料 玻璃 保温隔热材料 在专门的工厂 中 装配成为整框 然后通过挂件直接在施工现场悬挂 在主体结构的预埋件上 水平方向相邻两板块通过 插槽连接 并在相应位置开孔用活动螺栓连接 以达 到板块可以在水平 竖直两个方向产生位移 1 1 单元式幕墙板块连接 单元式幕墙板块竖向悬挂连接如图 1 所示 阴 影部分表示开长槽 以便板块可以活动 横向板块同 样通过活动螺栓连接 如图 2所示 1 2模型 简化 现行设计中 通常把板块当作简支 的双向板来 考虑 往往也只施加板垂直面的静荷载来检验玻璃 的挠度或是型材的极限破坏设计值 而对 于板块横 向的位移一般都忽略考虑 仅按照以往经验值给于 板块之间 5 e m的活动空间 以满足温度应力下单元 板块的横向位移 本文中拟用两弹簧并联连接两个 图 1 竖向连接件 F ig 1 Ve r ti ca l co n n ec t in g p ie ce 图 2单元板块水平向连接 Fig 2 Hor iz o n co n ne ct ion o f u nit s 板块 使得两位多板块能够协调变形 对 于侧风作 用下 单元板块竖向位移及平面外 的扭转本文不作 考虑 在 以后的研究中有待进一步分析 在本文 中 并不直接在单元板块的节点施加位移约束 而是在 与板块连接的主体结构的 B E A M1 8 8单元上施加响 应的 U Y U Z方向约束 对于 U X不约束 2 台风作用下单元板块 的动力响应 2 1 台风风 谱模拟 一 般情况下 脉动风速可作为高斯平稳 的随机 过程处理 且风速谱服从正态分布 台风振动本身 是一个非平稳 的随机过程 然而 由于计算上 的困 难 往往按平稳假定 目前 我国设计规范采用的是不 随高度变化 的 D a v e n p o r t 谱 J 该风谱也是国际上用得最多的水平 脉动风谱 S v 1 1 式中戈 1 2 0 0 f 1 0 厂 脉动风频率 H z 标准高度为 1 0 m处的平均风速 m s k 一种表达地面粗糙度系数 s 脉动风速功率谱 m s 徐旭 等 台风侧 向作 用下单元 式幕墙动力分析 2 1 石沅台风风谱是石沅等学者对上海地区台风进 行的实测 提出了不随高度变化的石沅台风风谱 其 公式为 s 2 慧 式中 1 2 0 0 n 1 0 s l O m高度处的脉动风速功率谱 1 T I S 本文采用基于石沅 台风风谱 用 MA T L A B语 言 编制程序进行石 沅 台风风谱分析 模拟 出 1 0层共 4 O个单元板块相应的 l 0个点的脉动风载时程 图 3 为结构标高为 2 1 6 m处的脉动风荷载时程图 8 0 0 0 6 00 0 z 4 00 0 墨 2 0 0 0 0 2 00 0 4 0 00 0 1 0 0 2 00 3 0 0 4 O 0 50 0 60 0 ti me s f c 图 3基于石沅 台风风谱 的风载 时程 Fig 3 The wind l oa d ing t ime his t or y dr awin g of t he ba s e d o n s t on e t ypho ons wind s p e ct r um 2 2 算例分析 2 2 1 算例模 型 如图 4所示 本工程为上海市陆家 嘴地块某 超 高层建筑 本工程外墙采用横滑式单元幕墙 玻璃采 用 6 m m 1 2 mr n 6 m m 的中空玻璃 弹性模量 为 7 2 E l 1 N m 密 度为 2 5 6 1 0 k N m 泊 松 比为 0 2 铝型材 采用 6 0 6 1 T 6型材 弹性模 量为 7 0 E l l N m 密度为 2 8 X 1 0 k N m 泊松 比为 0 2 单元 板块为 4 0 0 0 mm X 4 5 0 0 m m 竖向采用 2 2 5 0 7 5 0 1 5 0 0的网格构成一个单元 一个单元为一层 每层 共取 4个单元 相邻单元两个弹簧 串联连接 各单元 约束情况见表 1 图 4 模型结构 Fig 4 S t r uct ur e d r awing o f moda l 表 1 单元约束情况 Ta b l e 1 Re s t r a in o f u n it s 2 2 2模 态分析 采用大型通用有限元软件 A N S Y S对该结构进 行动力特性 的分析 整个结构共划分 5 5 2个线单元 1 2 0个面单元 使用 B L O C K L A N C Z O S法对结构进 行模态分析 计算 了结构 的前 2 O阶模态 图 5 8 为前 4阶振型 频率计算结果见表 2 0 3 E j 咖 7 m I 3 图 5 第 一振型 F ig 5 Th e t n s t mo d e o f v ib r a ti o n m E 5 77 E 0 l 1 2 E 0 髻 l B o 5 图 6 第二振型 Fig 6 The s e co nd m od e o fvi bra t io n E 器 4 7 E E 啬 j mm 6 7 6 E 品 2 2 图 7 第三振型 Fig 7 Th e t hir d mod e o f v ibr a t ion 2 2 四川建筑科学研究 第 3 7卷 y 83嚣 9 4 E 品 1 4 7 E 6 5 E 0 5 图 8 第四振型 Fig 8 The f o r t h mo de o f v ibr a t io n 从以上振型图可以看 出 板块基本都是 以 l 方 向变形为主 这也符合实际工程规律 表 2 频率计算结果 Tabl e 2 Ca l cul a t io n o f f r e que n cy 2 2 3板 块 动 力 响 厘 将台风石沅风谱模拟得 到 1 O个点 的台风荷载 时程导入 A N S Y S并施加于结构三维有限元模型再 加载到一侧单元的各个节点上 对于主体结构约束 I z向位移 板块除 Z 0处约束三向位移 其他均 不约束 而板块与主体结构 的连接采用 L I N K 8单 元 板块之间采用并联弹簧形式 同一层弹簧刚度相 同 第 l 0层 弹 簧 刚 度 为 1 0 E 8 N m 第 一 层 为 1 0 E 7 N m 中间层从 1 0 E 8 N m 1 0 E 7 N m渐变 插入 如图 9 1 3所示 方向位移幅值对 比见表 3 04 0 3 0 2 0 1 0 o 1 0 2 o 3 0 4 o 5 O 6 0 4 0 8 0 1 2 0 l 6 0 2 0 0 2 4 0 2 8 0 3 2 0 3 6 0 4 0 0 T M 图9第 6层板块位移 时程 Fig 9 The d is pl ace me nt t im e fi g o f t he u nit in 6 flo o r 0 4 0 8 O l 2 0 l 6 O 2 0 0 2 4 0 28 0 3 20 3 6 0 4 O0 TI M E 图 1 O 第 6 层 板块加速度时程 Fig 1 0 The a cce l e r a t e d s pe e d t ime fi g o f t h e un it in 6 flo o r 0 4 0 8 0 l 2 01 6 0 2 o o 2 4 0 2 8 0 3 2 0 3 6 0 4 0 0 T眦 图 1 1 第8层板块位移时程 Fig 1 1 The dis p l a ce me nt t ime fi g o f t he un it in 8 flo or 0 40 8 O 1 2 0 l 6 0 2 0 0 2 4 0 28 0 3 2 0 3 6 0 4 0 0 TI M E 图 1 2 第 8层板块加速度 时程 Fig 1 2 Th e a cce l e r a t e d s pe e d t i m e fi g of t h e unit in 8 flo or 1 0 一 0 80 1 60 2 40 3 2 0 4 O O 4 8 0 5 6 0 6 4O 7 20 8 00 T眦 图 1 3 第 6 层 l 向加弹簧板块位移时程 Fig 1 3 Th e d is pl a ce me nt t ime fi g o f t he un it in 6 flo or wit h combina t io n in Y a x e s 下转第 6 6页 2 6 2 8 4 O 4 8 2 6 2 o f 1 r A 盯 一 L 们 0叭 们 r 2 6 2 8 4 0 4 8 2 6 2 1 l O O O O l 1 I r A 0 m 舭 4 I rA 四川建筑科学研究 第 3 7卷 验的具体情况 针对各试件的泊松比 对试验结果进 行 了初步分析 得到了以下主要结论 1 对于钢管混凝土 钢管对 于核心混凝土的 套箍作用 是提高构件承载能力的根本原因 而钢管 对于混凝土的约束效应 的强弱 是影响其力学性 能 的直接因素 2 在轴压情况下 钢管对于核心混凝土的约 束区域大致分布在核心混凝土对称的两个 区域 而 对于偏心情况下的钢管混凝土 钢管对于核心混凝 土的约束区域集中在受压一侧 并且随着偏心率 的 增大 约束区域的面积逐渐减少 其承载能力也相应 减小 3 偏心率是影 响钢管套箍作用的主要 因素 偏心率越大 钢管对于核心混凝土的套箍作用越小 试件的承载能力也越小 参 考 文 献 1 王颁 瞿伟廉 钢管混凝土弹塑性极限承载力研究现状 J 华中科技大学学报 城 市科学版 2 0 0 4 2 4 4 2 李鹏 钢管 高强 混凝 土核 心柱受 压性 能试 验 与理论 研究 D 杭州 浙江大学土木系 2 0 0 5 3 钟善桐 钢管混凝土结构 M 3 版 北京 清华大学出版社 2 0 o 2 4 A z i z l n a mi m i A t o r o d G b o s h S K S t e e l R e i n f o r ce d C o n cr e t e S tr u c t u r e i n 1 9 9 5 H y o g o k e n N a n b u E a r t h q u a k e M J 0 u m a l o f S t r u e t u r e En g in e e ri n g V1 2 3 n 8 Au g 1 9 9 7 5 陈宝春 王来永 韩林海 等 钢 管混凝 土偏 心受压应力一应变 试验研究 J 工程力学 2 0 0 3 2 0 6 1 5 4 1 5 9 上接 第 2 2页 表 3 X方向位移 幅值对 比 Ta b l e 3 M a x v a l ue o f dis p l a ce me n t in X dime n s ion al compa r is on m 3 结论与建议 1 实际工程 中 幕墙设计只计算垂直 于平 面 的风载 虽然考虑到侧向可能产生的位移 但一般不 作具体计算 虽然板块的连接可以采用刚性连接 但 刚性连接有其弊端 对于结构抗风是抗而不是引导 而采用弹簧软连接对风载采用引导耗能 有利于结 构抗 风 2 在平面垂直方向板块和主体结构的连接如 加入阻尼耗能装置 不仅能减小片面垂直方 向的位 移 也能有效地减小平面内板块位移 3 高层结构设计方 向是使得结构趋 于更柔 外墙结构侧 向刚度较大时 结构对于风载的响应 比 较小 但是 当刚度较小 时 结构会有 比较大 的响 应 本文中即模拟了刚度较小 的外墙结构对台风荷 载 的响应 4 在外墙结构中使用 弹簧软连接对板块加工 工艺要求比较高 板块在台风作用下振动 容易造成 密封胶开裂 对幕墙的使用可能会造成较大影响 5 本文未考虑幕墙板块在侧 向和垂直两 向荷 载共同作用下可能产生的扭转效应 有待在今后 的 工作 中进一步完善 参 考 文 献