台风侧向作用下单元式幕墙动力分析

    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。2006年的1号强台风“珍珠”(Chanchu)，在菲律宾、中国东南部、台湾总共造成104人死亡以及12亿美元的损失。2006年的4号强热带风暴“碧利斯”(Bi-lis)，在菲律宾、台湾、中国东南部总共造成672人死亡以及44亿美元的损失。我国东南沿海各省市是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20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20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5000万平方米，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。20世纪60年代Davenport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.Mahendran，R. B.Tang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。Peter J.Vickery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。

    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 cm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BEAM188单元上施加响应的UY，UZ方向约束，对于UX不约束。

    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Davenport谱[4]，该风谱也是国际上用得最多的水平脉动风谱：

    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：

    本文采用基于石沅台风风谱，用MATLAB语言编制程序进行石沅台风风谱分析，模拟出10层共40个单元板块相应的10个点的脉动风载时程，图3为结构标高为216m处的脉动风荷载时程图。

    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 mm+12 mm+6 mm的中空玻璃，弹性模量为7.2E11 N/m，密度为2.56×103kN/m3，泊松比为0.2;铝型材采用6061T6型材，弹性模量为7.0E11N/m，密度为2.8×103kN/m3，泊松比为0.2。单元板块为4000 mm×4500 mm，竖向采用2250+750+1500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。

    2.2.2　模态分析

    采用大型通用有限元软件ANSYS对该结构进行动力特性的分析，整个结构共划分552个线单元，120个面单元，使用BLOCK LANCZOS法对结构进行模态分析，计算了结构的前20阶模态。图5~8为前4阶振型，频率计算结果见表2。

    从以上振型图可以看出，板块基本都是以Y方向变形为主，这也符合实际工程规律。

    2.2.3　板块动力响应

    将台风石沅风谱模拟得到10个点的台风荷载时程导入ANSYS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Y，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LINK8单元，板块之间采用并联弹簧形式，同一层弹簧刚度相同，第10层弹簧刚度为1.0E8N/m，第一层1.0E7N/m，中间层从1.0E8N/m~1.0E7N/m渐变插入，如图9~13所示，X方向位移幅值对比见表3。

    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。