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大型建筑幕墙钢结构支撑体系的位移与减震系统的设计来源:中国幕墙网收集整理 作者:莫英光 日期:2005-6-13 页面功能 【字体：大 中 小】【打印】【投稿】【评论】晶生璀璨 艺在和谐 第四届读者调查活动由晶艺建筑科技特别冠名赞助目前，中国越来越多的大型高层建筑物上出现了一些特种幕墙，使幕墙设计技术和工艺有了飞速的发展，也促使幕墙技术进入一个崭新的发展阶段。大型建筑幕墙钢结构支撑体系得到了广泛应用：大高度/宽度的单拉索式幕墙体系、大型中庭幕墙体系都是由这种钢结构支撑体系来承担整体受力；国内大型其他特种幕墙，如北京国际机场及北京、中央电视台新址建筑物的幕墙，也属于这种钢结构受力体系；全国各地新建的机场、高级写字楼等，数以百计的幕墙都是这种钢结构受力体系。大型建筑幕墙钢结构支撑体系(大跨度)与铝合金幕墙结构支撑体系的受力形式是无法取代的，其主要原因是：(1)100米以上、十几万平米的大型建筑物，主要以钢结构做为建筑主体结构而设计，做为外维护结构的幕墙体系必然附着在主体钢结构上；(2)这种结构设计要比全砼结构主体上的幕墙设计在技术上工艺上、难度上要大得多；幕墙本身钢结构体系与建筑主体钢结构体系，在温度变形上基本一致，位移差也比较小；(3)由于大跨度20m50m支撑系统一用钢结构受力梁做为幕墙支撑，可以得到非常大的梁剖面的惯性矩Jx值和抗弯剖面系数Wx值，而这样跨度用铝合金组合梁是做不到的，因为它们E值差3倍，材料允应力差35倍，可以想像如果用铝合金组合梁在同一个大跨度(20m以上)支撑幕墙受力的话，那么铝合金的梁当量组合结构高度是同样大跨度的钢结构支撑系统的梁剖面高度要大出近5倍以上，是无法实现的。因此，可以认定幕墙受力体系的支撑梁用铝合金结构支撑受力体系的限度跨度在7m以下足可实现的，大于lorn绝对不可以用铝合金支撑梁结构，必须考虑用钢结构支撑系统设计。由于钢结构体系受温度、地震、风荷载、重量的影响下结构会产生较复杂的位移变化，并产生很高的交变应力和产生了较大的内能量，因此在设计中要考虑消除几个方向的位移和可能由它带来的应力、势位、冲击能量，必须有一套相应减震吸收能量的机构来克服并吸收结构产生冲击的能量和势能量。众所周之，大型幕墙钢结构系统在各种外力作用下会产生35个方向(转角)的位移，设计中必须控制各方向位移，幕墙设计规范中对结构体系的位移也做了明确规定。但对大跨度建筑物具有较大的风振位移时，一定要考虑在受力的钢结构组合梁的端头设计有几个方向自由度的减震吸收能量的装置。近几年来，北京建筑的幕墙的中庭向大高度空间发展，并在中庭设计中，有时也存在各种采光顶设计，并出现在同一个建筑主体上，例如：北京新保利大厦工程之中庭外立面为单拉索式幕墙结构，总标高大于90米，周边受力体系为钢结构。这种结构受力极为复杂、索拉力吨位较大，往往要做1：1的拉索受力试验，并给出最小的残余变形量的安全值和它的安全系数。这种幕墙还要对受力的单拉索的变形和受力卸载情况进行监控，并及时进行补加予拉力值，使单拉索钢结构体系处在正常安全的受力平衡状态。但这种周边受力体系的钢结构本身产生多方向的位移和由震动冲击荷载而产生的挤压应力，在地震或其他突风外力作用下，加上主体结构本身的位移变化或沉降，将对支撑的单拉索系统的钢结构产生很大的变形位移和冲击能量，产生不均匀的应力增大很多，对这种幕墙的安全是不利的。因此，支撑系统与主体连接设计中，应想办法设计相应的机构吸收这种位移和系统产生的能量。这种机构称做“幕墙弹簧阻尼减震系统”。笔者两年前曾设计了一种减震系统是四个自由度弹簧减震机构，电信大厦幕墙的钢结构梁受力体系上。图1弹簧减震机构节点图在北京，些高级、高层建筑物有时出现二个建筑物相邻之距离为2030米的空间，建筑师往往利用这个空间设计成中庭通透式大型幕墙。例如：北京菜市口移动电话调度大厦就是这种设计，它的中庭幕墙高度为34米，而其中一个建筑物局部的高窄比例=H/D=910。因此，此建筑物受风振位移影响很大，经计算在H：30m处楼之间相去水平位移受形量约为180mm左右，而在顶层这种位移可达240mm以上。在此之间的玻璃幕墙由钢结构桁架梁做为水平横向布局设计，此横向组合钢结构梁必须吸收二个建筑物之间最大可能出现150mm180mm位移和冲击能量，使玻璃幕墙安全不会破损。笔者在设计时，对长22m的钢结构支撑系统中采用了四个自由度的吸收冲击能量和位移的弹簧减震系统。针对这种特定的大位移和会产生冲击能量钢结构支撑系统而设计的减震装置。详见图2：图2减震吸收冲击能量的弹簧阻尼系统构造图目前，建筑物已建成二年，工作运转正常从上图结构可以看出不，不管来自四种不同位移，该机构可以有效防止冲击能量作用在幕墙主体上。在设计中，我们做了弹簧减震各种计算和试验，科学的论证后在工程中加以应用，下面具体简介这个支撑减震系统在大位移的钢结构系统中的设计与应用。大型钢结构支撑系统在吸收大位移和抗震设计中的应用21弹簧位移减震阻尼机构设计：(1)本工程由于二个建筑物相对变形不仅是x、y、z方向，也会出现建筑倾斜下扭转产生角位移，因此在机构设计上是四个方向进行补偿吸收位移的。图中为四个方向补偿运动，对X、Y、Z和转角位移的设计值是不一样的，本工程主要二楼之间的水平位移可达在吸收能量方面，我们采用双层复合弹簧系统，并应用予压弹簧办法，建立了弹簧阻尼措施，设计标准是吸收65吨作用距离为200mm做功能量，由于阻尼特性使减震系统的性能为交变而均匀吸收附加结构上的冲击能量。(2)弹簧减震系统具体机构(见下图)：图3弹簧位移减震机构图图4中庭框架结构排水系统节点22横向钢架支撑明框结构玻璃幕墙中庭(1)立面采用横向钢结构框架做为受力骨架。玻璃的纵向固定采用220系列铝合金型材，横向采用160系列铝合金型材，表面氟碳涂层。玻璃为：8+12A+610we中空玻璃图5中庭前立面钢结构支撑幕墙系统(2)中庭屋顶设计采用“香蕉”造型的钢框架系统。上面由220系列隔热型材和安全中空玻璃组合成天幕。玻璃为：8mm钢化+12A+6+152PVB+6的结构组成。图6中庭香蕉钢结构梁支撑天幕系统图7框架式采光顶的结构形式(3)本设计中在“香蕉”钢结构梁的一端加了自行设计的弹簧减震系统机构，体积为400X500X 300的机构外型。(4)吸收水平位移最大可达200mm，可吸收位移做功能量为1300kgM垂直位移为lOOmm(实际变化只有50mm)，角位移为土3度(计算为115度)，侧向位移为50mm(实际只有15mm计算值)。(5)抗震性能：吸收地震水平加速度g=0.3-0.6g(设计要求0.22g)，垂直地震吸收速度引起能力为g=0.15-0.2g。23其他应用：(1)用在大型机构