京滬高速南京南站大空間大跨度鋼結(jié)構(gòu)明框玻璃幕墻設(shè)計

京滬高速南京南站大空間大跨度鋼結(jié)構(gòu)明框玻璃幕墻設(shè)計

1結(jié)構(gòu)形式的選擇新京滬高速鐵路南京南站屬于典型的中國建筑。在確定立面形狀時，設(shè)計師不希望融入更多的現(xiàn)代元素。北入口玻璃覆蓋層的單跨高度為27.8米。在比較其結(jié)構(gòu)形式時，考慮到結(jié)構(gòu)類型中的支架和扶手，我們?nèi)匀槐苊饬私Y(jié)構(gòu)中的扶手和扶手等便于解決大周疲勞的結(jié)構(gòu)類型，最終采用傳統(tǒng)的框架式結(jié)構(gòu)。從北入口幕墻立面上看(圖1、圖2)，幕墻除了鋼結(jié)構(gòu)桿件和玻璃面板以外，還有金屬窗花、椽子等建筑元素，它們和立柱、橫梁、玻璃面板一起形成了共同的結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)類型之前甚少涉及，幕墻結(jié)構(gòu)體系中部分傳力機構(gòu)是針對本工程的專門設(shè)計。2結(jié)構(gòu)體系2.1中心框架(1)門柱、門梁構(gòu)成第一級門式框架結(jié)構(gòu)，門柱和柱底埋件作剛性連接;(2)幕墻鋼箱柱和柱頂平面桁架構(gòu)成第二級門式框架，幕墻鋼箱柱通過內(nèi)置鉸固定在門柱柱頂上方，鋼箱柱柱頂通過搖臂機構(gòu)和屋蓋網(wǎng)架連接;(3)幕墻橫梁、幕墻次立柱為最終的幕墻面板承載體依附在幕墻主立柱上;鋼箱柱、橫梁、次立柱之間均作剛性連接;(4)上部椽子一端通過滑移鉸搭接在幕墻桁架梁上，另一端懸掛在頂部承重鋼梁上，頂部承重鋼梁和網(wǎng)架球剛接。2.2幕墻安裝梁25(1)門柱:箱型柱500×250×20×20/Q345(2)門梁;箱型方管桁架(弦桿80×80×4/Q235,腹桿50×50×3/Q235)(3)幕墻主立柱:箱型柱720×250×20×30/Q345、柱底鉸、柱頂搖臂P121×8/Q235(4)幕墻橫梁:鋼方管200×120×50/Q235(5)幕墻次立柱:鋼方管120×120×4/Q235(6)窗花主梁:定制H型鋼H116×100×6/Q235(7)頂部椽子:箱型方管桁架(弦桿50×30×3/Q235，腹桿30×30×3/Q235)2.3幕墻搖臂的布置(1)柱頂平面桁架(圖3):設(shè)置柱頂桁架是為了承載幕墻體系的全高度累集自重，并給椽子的搭接生根。(2)鋼箱柱柱底鉸:幕墻體系的載荷最終通過鋼立柱傳遞到主體結(jié)構(gòu)上，鉸支座是消除彎矩的常見設(shè)計手法，由于從建筑設(shè)計角度考慮希望幕墻構(gòu)件看上去古樸莊重，所以將幕墻柱底鉸隱藏在大立柱空腔內(nèi)(圖4)。(3)柱頂搖臂:柱頂搖臂只是用來平衡水平風(fēng)力，在多數(shù)情況下，搖臂是垂直于幕墻平面的，由于本工程幕墻的分格模數(shù)和網(wǎng)架球節(jié)點不完全吻合，所以本設(shè)計存在兩種類型的搖臂形式:直搖臂和斜搖臂，從圖5可看出斜搖臂是對稱布置的，在風(fēng)載荷作用下，搖臂軸力的水平分量能相互抵消。為了在風(fēng)載荷作用下箱型柱不產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，斜搖臂作用點向心布置(圖6)。(4)椽子的懸掛機構(gòu):由于幕墻體系的剛度遠大于椽子體系的剛度，所以椽子和幕墻之間不宜進行水平力傳遞，否則幕墻的位移將會對椽子構(gòu)件產(chǎn)生直接破壞，設(shè)計采用了懸掛裝置及雙向擺動鉸來實現(xiàn)解決這個問題(圖7-圖10)。a)窗花的結(jié)構(gòu)窗花在建筑效果上要追求通透，所以將窗花的裝飾構(gòu)件納入了受力體系作綜合受力分析。窗花的橫梁設(shè)計成H型鋼，可以利用其內(nèi)凹空間來放置玻璃裝配構(gòu)件。2.4計算結(jié)果及分析本設(shè)計采用SAP2000有限元分析軟件做整體建模分析，從撓度和承載力兩個方面對結(jié)構(gòu)體系的每個局部單元進行分別校核。10+A12+10玻璃面板及鋁合金附件的自重標(biāo)準(zhǔn)值取值0.60KN/M2，幕墻大面的風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值取值采用風(fēng)洞試驗的結(jié)果數(shù)據(jù)1.16KN/M2(圖13)，地震力按照底部剪力法由分析軟件自動加載，作用效應(yīng)組合主要考慮不同風(fēng)向的兩種典型組合類型:撓度組合:COMB1=1.0DEAD+1.0WIND+0.50QUAKE強度組合:COMB2=1.2DEAD+1.4WIND+0.65QUAKE分析模型見圖14。2.5體系的變形與變形按照《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》，鋼結(jié)構(gòu)幕墻立柱橫梁在風(fēng)載荷作用下的變形控制指標(biāo)為1/250，本幕墻的主立柱高度達到27.80m，適當(dāng)加大立柱的剛度有利于結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定，特別是抑制立柱的P-D效應(yīng)，本設(shè)計將主立柱的變形控制指標(biāo)確定為1/350。(1)自重下結(jié)構(gòu)體系撓度:對于超高幕墻，應(yīng)該考慮到恒載引起的橫梁沉降，當(dāng)沉降超標(biāo)或造成觀感下降時，應(yīng)對橫梁進行反變形預(yù)調(diào)，圖15為體系在DEAD工況的變形云圖，圖形顯示結(jié)構(gòu)自重下幕墻大面的沉降量最大值為2.49mm，相對變形值=2.49/2000=1/803，滿足設(shè)計要求。(2)垂直于玻璃面的風(fēng)載荷WIND＿Y標(biāo)準(zhǔn)值下結(jié)構(gòu)體系撓度。圖16為WIND＿Y工況的變形云圖，圖形顯示:懸臂門柱的最大變形值為15.99mm，相對變形值=15.99/3855=1/241;鋼箱柱在風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值下的最大變形量為84mm，相對變形值=(84-15.99)/(27800-3855)=1/352;橫梁在風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值下的最大絕對變形為94mm，相對變形值=(94-84)/8000=1/800;門柱、箱型柱、橫梁的撓度值均滿足設(shè)計要求。3)圖17為平行于玻璃面風(fēng)載荷WIND＿X標(biāo)準(zhǔn)值下結(jié)構(gòu)體系撓度:平行于玻璃面風(fēng)載荷WIND＿X主要影響對象是頂部椽子，在WIND＿X工況下，頂部椽子的位移量為4mm，相對變形值=4/5000=1/1250，滿足設(shè)計要求。2.6從鋼箱柱與門柱的彎矩對比來看，所有幕墻條最大的應(yīng)力比為體系的承載力校核方法是將各級桿件分類，利用圖表或色示圖將各強度組合工況下的應(yīng)力比輸出，設(shè)計控制應(yīng)力比為0.95，當(dāng)應(yīng)力比超標(biāo)時應(yīng)調(diào)整設(shè)計。(1)門柱為懸臂構(gòu)件，其根部承受較大的彎矩，桿件最大應(yīng)力比列表如表1，其最大應(yīng)力比0.81，從表1中可清楚看出彎矩應(yīng)力為控制應(yīng)力:(2)鋼箱柱兩端鉸接，由于跨度較大所以在桿件中部有較大的彎矩，桿件最大應(yīng)力比前5最值列表如表2，其最大應(yīng)力比0.46，同樣，其彎矩應(yīng)力為控制應(yīng)力:圖18分別表示門柱及鋼箱柱在強度組合COMB2工況下的軸力(左上)、剪力(右上)、弱軸彎矩(左下)、強軸彎矩(右下):(3)幕墻橫梁最大應(yīng)力比前5最值列表如表3，桿件最大應(yīng)力比0.89，幕墻橫梁為雙向受彎構(gòu)件，其強軸彎矩為主要控制因素:圖19分別表示幕墻橫梁在強度組合COMB2工況下的軸力(左上)、剪力(右上)、弱軸彎矩(左下)、強軸彎矩(右下):(4)幕墻次立柱最大應(yīng)力比前5最值列表如表4，桿件最大應(yīng)力比0.54，幕墻次立柱亦為雙向受彎構(gòu)件，其強軸彎矩為控制因素:下面的色示圖分別表示幕墻次立柱在強度組合COMB2工況下的軸力(左上)、剪力(右上)、弱軸彎矩(左下)、強軸彎矩(右下):結(jié)論:經(jīng)過對幕墻桿件的撓度和強度的驗算分析，證明幕墻體系的變形成都和承載力滿足設(shè)計要求。3單元模塊分析和組