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】

   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20m—50m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3—5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3—5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。