京沪高速南京南站大空间大跨度钢结构明框玻璃幕墙设计

京沪高速南京南站大空间大跨度钢结构明框玻璃幕墙设计

1结构形式的选择新京沪高速铁路南京南站属于典型的中国建筑。在确定立面形状时，设计师不希望融入更多的现代元素。北入口玻璃覆盖层的单跨高度为27.8米。在比较其结构形式时，考虑到结构类型中的支架和扶手，我们仍然避免了结构中的扶手和扶手等便于解决大周疲劳的结构类型，最终采用传统的框架式结构。从北入口幕墙立面上看(图1、图2)，幕墙除了钢结构杆件和玻璃面板以外，还有金属窗花、椽子等建筑元素，它们和立柱、横梁、玻璃面板一起形成了共同的结构体系，这种结构类型之前甚少涉及，幕墙结构体系中部分传力机构是针对本工程的专门设计。2结构体系2.1中心框架(1)门柱、门梁构成第一级门式框架结构，门柱和柱底埋件作刚性连接;(2)幕墙钢箱柱和柱顶平面桁架构成第二级门式框架，幕墙钢箱柱通过内置铰固定在门柱柱顶上方，钢箱柱柱顶通过摇臂机构和屋盖网架连接;(3)幕墙横梁、幕墙次立柱为最终的幕墙面板承载体依附在幕墙主立柱上;钢箱柱、横梁、次立柱之间均作刚性连接;(4)上部椽子一端通过滑移铰搭接在幕墙桁架梁上，另一端悬挂在顶部承重钢梁上，顶部承重钢梁和网架球刚接。2.2幕墙安装梁25(1)门柱:箱型柱500×250×20×20/Q345(2)门梁;箱型方管桁架(弦杆80×80×4/Q235,腹杆50×50×3/Q235)(3)幕墙主立柱:箱型柱720×250×20×30/Q345、柱底铰、柱顶摇臂P121×8/Q235(4)幕墙横梁:钢方管200×120×50/Q235(5)幕墙次立柱:钢方管120×120×4/Q235(6)窗花主梁:定制H型钢H116×100×6/Q235(7)顶部椽子:箱型方管桁架(弦杆50×30×3/Q235，腹杆30×30×3/Q235)2.3幕墙摇臂的布置(1)柱顶平面桁架(图3):设置柱顶桁架是为了承载幕墙体系的全高度累集自重，并给椽子的搭接生根。(2)钢箱柱柱底铰:幕墙体系的载荷最终通过钢立柱传递到主体结构上，铰支座是消除弯矩的常见设计手法，由于从建筑设计角度考虑希望幕墙构件看上去古朴庄重，所以将幕墙柱底铰隐藏在大立柱空腔内(图4)。(3)柱顶摇臂:柱顶摇臂只是用来平衡水平风力，在多数情况下，摇臂是垂直于幕墙平面的，由于本工程幕墙的分格模数和网架球节点不完全吻合，所以本设计存在两种类型的摇臂形式:直摇臂和斜摇臂，从图5可看出斜摇臂是对称布置的，在风载荷作用下，摇臂轴力的水平分量能相互抵消。为了在风载荷作用下箱型柱不产生扭转，斜摇臂作用点向心布置(图6)。(4)椽子的悬挂机构:由于幕墙体系的刚度远大于椽子体系的刚度，所以椽子和幕墙之间不宜进行水平力传递，否则幕墙的位移将会对椽子构件产生直接破坏，设计采用了悬挂装置及双向摆动铰来实现解决这个问题(图7-图10)。a)窗花的结构窗花在建筑效果上要追求通透，所以将窗花的装饰构件纳入了受力体系作综合受力分析。窗花的横梁设计成H型钢，可以利用其内凹空间来放置玻璃装配构件。2.4计算结果及分析本设计采用SAP2000有限元分析软件做整体建模分析，从挠度和承载力两个方面对结构体系的每个局部单元进行分别校核。10+A12+10玻璃面板及铝合金附件的自重标准值取值0.60KN/M2，幕墙大面的风载荷标准值取值采用风洞试验的结果数据1.16KN/M2(图13)，地震力按照底部剪力法由分析软件自动加载，作用效应组合主要考虑不同风向的两种典型组合类型:挠度组合:COMB1=1.0DEAD+1.0WIND+0.50QUAKE强度组合:COMB2=1.2DEAD+1.4WIND+0.65QUAKE分析模型见图14。2.5体系的变形与变形按照《玻璃幕墙工程技术规范》，钢结构幕墙立柱横梁在风载荷作用下的变形控制指标为1/250，本幕墙的主立柱高度达到27.80m，适当加大立柱的刚度有利于结构的整体稳定，特别是抑制立柱的P-D效应，本设计将主立柱的变形控制指标确定为1/350。(1)自重下结构体系挠度:对于超高幕墙，应该考虑到恒载引起的横梁沉降，当沉降超标或造成观感下降时，应对横梁进行反变形预调，图15为体系在DEAD工况的变形云图，图形显示结构自重下幕墙大面的沉降量最大值为2.49mm，相对变形值=2.49/2000=1/803，满足设计要求。(2)垂直于玻璃面的风载荷WIND＿Y标准值下结构体系挠度。图16为WIND＿Y工况的变形云图，图形显示:悬臂门柱的最大变形值为15.99mm，相对变形值=15.99/3855=1/241;钢箱柱在风载荷标准值下的最大变形量为84mm，相对变形值=(84-15.99)/(27800-3855)=1/352;横梁在风载荷标准值下的最大绝对变形为94mm，相对变形值=(94-84)/8000=1/800;门柱、箱型柱、横梁的挠度值均满足设计要求。3)图17为平行于玻璃面风载荷WIND＿X标准值下结构体系挠度:平行于玻璃面风载荷WIND＿X主要影响对象是顶部椽子，在WIND＿X工况下，顶部椽子的位移量为4mm，相对变形值=4/5000=1/1250，满足设计要求。2.6从钢箱柱与门柱的弯矩对比来看，所有幕墙条最大的应力比为体系的承载力校核方法是将各级杆件分类，利用图表或色示图将各强度组合工况下的应力比输出，设计控制应力比为0.95，当应力比超标时应调整设计。(1)门柱为悬臂构件，其根部承受较大的弯矩，杆件最大应力比列表如表1，其最大应力比0.81，从表1中可清楚看出弯矩应力为控制应力:(2)钢箱柱两端铰接，由于跨度较大所以在杆件中部有较大的弯矩，杆件最大应力比前5最值列表如表2，其最大应力比0.46，同样，其弯矩应力为控制应力:图18分别表示门柱及钢箱柱在强度组合COMB2工况下的轴力(左上)、剪力(右上)、弱轴弯矩(左下)、强轴弯矩(右下):(3)幕墙横梁最大应力比前5最值列表如表3，杆件最大应力比0.89，幕墙横梁为双向受弯构件，其强轴弯矩为主要控制因素:图19分别表示幕墙横梁在强度组合COMB2工况下的轴力(左上)、剪力(右上)、弱轴弯矩(左下)、强轴弯矩(右下):(4)幕墙次立柱最大应力比前5最值列表如表4，杆件最大应力比0.54，幕墙次立柱亦为双向受弯构件，其强轴弯矩为控制因素:下面的色示图分别表示幕墙次立柱在强度组合COMB2工况下的轴力(左上)、剪力(右上)、弱轴弯矩(左下)、强轴弯矩(右下):结论:经过对幕墙杆件的挠度和强度的验算分析，证明幕墙体系的变形成都和承载力满足设计要求。3单元模块分析和组