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摘要：大跨度精制钢板肋玻璃幕墙，由于有着极高的透光性能和一般幕墙无以比拟的视觉效果，通常用于高层建筑顶部城市观光造型、高档售楼中心、展馆等公共建筑的幕墙设计。大跨度精制钢板肋可以解决夹层玻璃（词条“夹层玻璃”由行业大百科提供）肋作为幕墙结构支撑成本高、易破损、稳定性差、吊装（词条“吊装”由行业大百科提供）困难等缺陷，而逐渐被其替代。
关键词：精制钢板肋大跨度截面设计器有限元 结构设计
1 引言
大跨度精制钢板肋玻璃幕墙，由于有着极高的透光性能和一般幕墙无以比拟的视觉效果，近年来应用渐渐多了起来，通常用于高层建筑顶部城市观光造型、高档售楼中心、展馆等公共建筑的幕墙设计。由于跨度较大，如果采用超长夹层玻璃肋作为幕墙结构支撑不仅加工不易、成本非常高，且容易破损稳定性差、吊装也困难等缺陷，而大跨度精制钢板肋玻璃幕墙刚好可以解决这些问题，它可以和钢板肋横梁或不锈钢玻璃夹具组成隐框玻璃幕墙。本列采用SAP2000进行结构分析与设计。
2 工程设计条件
南京某售楼中心幕墙项目招标方案图显示：该地区建筑物类别：B类，抗震设防烈度为：7度(0.10 g);基本风压:0.4 KN/m2。幕墙玻璃板块设计为对边简支梁力学模型。
该幕墙最高处为23.2m，局部外立面采用了大跨度精制钢板肋结构隐框玻璃幕墙，玻璃采用12mm+12A+12 mm双钢化超白LOW-E玻璃，玻璃板块规格最大为4000 mm×2250 mm，用铝合金（词条“铝合金”由行业大百科提供）附框形式，把玻璃板块安装在氟碳饰面处理的幕墙钢板肋结构体系中。
2.1风荷载标准值的计算
3 建立分析模型
大跨度钢板肋结构隐框玻璃幕墙招标方案图显示：幕墙采用钢板肋(T346×100×20×20)立柱与钢板肋(T181×100×20×20)横梁作结构支撑，用铝合金（词条“合金”由行业大百科提供）附框形式把中空双钢化玻璃，固定安装在氟碳饰面处理的幕墙钢板肋结构体系中。幕墙跨度为12000mm、设计为单跨梁力学模型、玻璃板块高度为4000mm，宽度为2250mm，玻璃幕墙尺寸见图-1与图-2钢板肋结构玻璃幕墙CAD尺寸图所示。
此例我们可以先定义轴网数据的命令方式建立模型，具体操作如下：
3.1创建模型
(1)初始化设置
启动SAP2000软件，显示程序界面进行初始化设置(略)。
(2)定义轴网数据
轴网由坐标系组成，坐标系有两种类型一种是笛卡尔坐标系(直角坐标系)，另一种是柱坐标系。在SAP2000中，定义的第一个坐标系被作为整体坐标系(GLOBAL)是不能更改的，它是生成其他附加坐标系的前提条件，通过添加附加笛卡尔坐标系就能生成我们所需要的轴网系统。
(3)绘制模型图
3.2定义材料参数与属性
(1)定义钢板肋截面
3.3建立导荷“虚面”与指定钢板肋截面
完成了钢板肋截面的定义后，如果在建模时未指定，我们可以选择指定已建模型中的钢板肋立柱、钢板肋横梁及用于导荷载的所建立的“虚面”(无质量、无刚度)。
我们查看旋转图时，程序默认钢板肋横梁在钢板肋立柱中间，还需把钢板肋横梁向-Y移动(346-181)/2=82.5mm，见图-8移动对象所示。
点击界面上工具条中的【编辑E】➩【移动】弹出“移动对象”对话框，输入“增量”“Y=-82.5”点击【应用】➩【确定】完成平移。
3.4节点支座约束
大跨度钢板肋玻璃幕墙，不仅要满足幕墙规范，还应要满足钢结构相关规范。为降低温度效应作用而产生的应力，幕墙钢板肋立柱设计为受拉铰接状态。那么，立柱上端可设置为约束3个平动自由度铰接、立柱的下端部位设置为不约束Z轴向2个平动自由度铰接形式。
命令路径：首先用鼠标左键选择模型上的第“1”～“13”号节点(立柱上端)，再点击界面上工具条中的【指定A】下拉列表，选【节点】➩点击【支座】弹出“指定节点支座”对话框，点击“铰接支座”按钮，这样就约束了3个平动自由度，而旋转的3个自由度无约束。即完成了立柱上端为铰接约束，见图3-17指定节点支座。
同样，用鼠标左键选择模型上的第““14”～“26”号节点(立柱下端)，再点击界面上工具条中的【指定A】下拉列表，选【节点】➩点击【支座】弹出“指定节点支座”对话框，点击“铰接支座”按钮，其中“平动3”不勾选(可以向Z轴平移活动)，这样就只约束了2个平动自由度，而旋转的3个自由度无约束。见图3-18约束平动1平动2轴所示。
3.5构件连接释放
由于本例大跨度钢板肋幕墙立柱承受轴力、弯矩与剪力作用，因此无须进行杆件（词条“杆件”由行业大百科提供）连接的释放;横梁承受弯矩与剪力作用，为增加框架体系稳定性，一般对对杆件也不进行连接释放。
3.6定义荷载模式
钢板肋玻璃幕墙所受力的主要荷载模式可定义为：恒载DL、迎风面水平荷载标准值wk、垂直幕墙面的地震荷载qEk。
命令路径：点击界面上工具条中【定义D】下拉列表，选【荷载模式】弹出“定义荷载模式”对话框，设置如下：
(1)定义恒载
在本例“定义荷载模式”对话框中，“名称”栏输入“DL”，“类型”栏选“Dead”，“自重乘数选”栏选“1”，“自动侧向荷载”栏为“灰”色，再点击【添加荷载模式】。
(2)定义垂直幕墙面风荷载标准值
在本例“定义荷载模式”对话框中，“名称”栏输入“wk”为垂直幕墙面风荷载标准值，“类型”栏选“Wind”，“自重乘数选”栏选“0”，由于本例已手工计算出相应的wk值，“自动侧向荷载”栏选“无”，再点击【添加荷载模式】。
(3)定义垂直幕墙面的地震作用
在本例“定义荷载模式”对话框中，“名称”栏输入“qEk”为垂直幕墙面的地震作用，“类型”栏选“Quake”，“自重乘数选”栏选“0”，由于本例已手工计算出相应的qEk值，“自动侧向荷载”栏选“无”。
以上选项完成之后，如果需要修改模式可点击【修改荷载模式】，然后再按【确定】按钮就完成了整个荷载模式的定义，见图1-13定义荷载模式。
3.7定义荷载工况
荷载工况定义了荷载模式的作用方式和结构的响应方式、分析方等。
命令路径：点击界面上工具条中【定义D】下拉列表，选【荷载工况】弹出“定义荷载工况”对话框，点击【添加荷载工况】弹出“定义荷载工况数据”对话框，在“工况名称”项中填写恒荷载DL;在“结构刚度”栏中选“零初始条件-无应力状态”;“工况类型”选“Static静态”;“分析类型”选“线性”;在“施加荷载”栏中“荷载类型”选“Load Pattern”(荷载工况)“荷载名称”选已输入的恒荷载DL“比例系数”选“1”;然后再按【添加】➩【确定】按钮，这就完成了荷载DL的荷载工况数据选定。
按上述步骤分别选填完成迎风面水平荷载标准值wk、垂直幕墙面的地震荷载qEk的荷载工况数据，若需修改数据，可以点击【修改】➩再【确定】按钮。
由于本例不必进行抗震验算，可不进行模态分析，也就无须定义质量源，因此程序自动生成的MODAL(模态)工况，可以删除或后续设置运行工况时采用取消运行模式。
3.8定义荷载组合
荷载工况组合是包括构件节点在内的所有位移、力、单元的内力或应力。这里的组合是不同荷载工况结果的总和或包络。组合数量我们可以任意指定，但每个组合需要定义一个不相同的名称，且名称不能与荷载工况的名称相同。一般常用的是通过基于规范定义的组合方式来进行添加，也可以根据需要自行定义组合或选择自动添加默认设计组合。
根据《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003第“5.4.1”条，当作用和作用效应可按线性关系考虑时，幕墙构件承载力极限状态（词条“极限状态”由行业大百科提供）设计的作用效应组合应按下列规定组合：
(3)添加默认设计组合
以上组合均根据《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ102-2003)设定，由于本幕墙同时也为钢框架结构，为了便于按中国规范校核其强度和稳定性、方便结构设计，还要按钢框架结构添加默认组合。
命令路径：点击界面上工具条中【定义D】➩【荷载组合】弹出“定义荷载组合”对话框，点击“添加默认设计组合”弹出“添加默认设计组合”对话框， 见图7-21a添加默认设计组合，在“结构设计类型”中选择“钢框架设计”，再点击【设置荷载组合数据】，弹出“默认的钢框架设计组合-chinese 2018”对话框，见图7-21b与图7-21c默认钢框架设计组合所示，分别选择“强度”与“挠度（词条“挠度”由行业大百科提供）”中的“备选工况”DL、wk、qEk加入到“已选工况”中，点击【确定】完成了添加默认组合为：DSTL1～DSTL19，见【实例7】中表a默认设计组合。
3.9施加荷载
定义的荷载模式，并且在已指定的荷载模式中再定义了荷载工况下，就需要对荷载进行指定施加。
命令路径：用鼠标左键直接点击选定迎风面(Y向)面板，点击界面上工具条中【指定A】➩【面荷载】➩【导荷至框架的均布面荷载(壳)】弹出“指定导荷至框架的均布面荷载”对话框，分别施加重力荷载、风荷载、地震荷载过程如下。
命令路径：点击界面上工具条中【显示P】➩【对象荷载】➩【荷载模式】弹出“基于荷载模式显示荷载”对话框，勾选“导荷至框架的均布荷载”“合力”，见图7-25基于荷载模式显示荷载及图-12显示施加的重力荷载 、图-13图显示施15
在运行结构分析之前，必须对模型进行指定剖分，一般可以用“自动剖分点”选项。
命令路径：首先用鼠标左键将界面上模型图形全选中，再点击界面上工具条中【指定A】➩【框架】➩【自动剖分选项】弹出“指定框架的自动剖分选项”对话框，“剖分选项”选取“自动剖分”，在“自动剖分点”栏中，选取“框架的内部节点”、另“最大剖分长度”，选填“500mm”(经验值，根据杆件长度，也便于读取位移值)，再点击【应用】➩【确定】，即完成了指定框架的自动剖分。
4 结构分析
当模型的几何信息、荷载信息、框架剖分(“虚面”无须剖分)等设置完成并检查无误后，就可以进行分析选项进行设置与运行分析，对所建立的模型求解。
4.1自由度分析选项
在运行分析之前，还需要对所建模型进行分析选项设置，然后才可以有选择行地运行荷载工况。
命令路径：点击界面上工具条中【分析N】➩【设置分析选项】弹出“分析选项”，对话框，通过勾选“有效自由度”勾选“UX、UY、UZ、RX、RY、RZ”6个自由度，或点击“快速选择”栏中的“空间框架”图形按钮选取自由度，点击➩【确定】按钮完成自由度分析选项。
4.2运行分析
命令路径：点击界面上工具条中【分析N】➩【运行分析】弹出“设置分析工况”选项对话框，再点击【运行分析】按钮，程序自动进行模型在重力恒荷载DL、荷载工况下的wk、qEk的分析与计算。另外“MODAL”可以选择点击“运行/取消运行”按钮，再点击➩【运行分析】按钮完成运行工况分析。
(1)显示框架最大挠度初步结果
(2)显示框架最大应力初步结果
命令路径：点击界面上工具条中【设计G】➩【钢框架设计】➩【开始结构设计/校核】，程序会对模型中的构件设计类型(立柱、梁)自动判断、并自动进行了应力计算。再按上述步骤点击【显示设计信息】，便得到所建模型的应力比图。用鼠标左键点选应力最大位置杆件，再点击鼠标右键，弹出“钢应力检查信息(Steel Stress Check Information)Chinese2018”对话框，钢框架图显示“全部飘红色”，应力比高达104-105数量级。
在“显示选择的细节”选项，点击【细节】，弹出“钢应力检查信息(Steel Stress Check Information)Chinese2018”对话框，可以看到：程序自动判断竖向立柱默认为“Column柱”、程序自动判断横梁为“Beam梁”类型、建筑为高层建筑、抗震等级为“Ⅱ”级、横梁部位显示应力比超限值“Stress Check Message - Capacity ratio exceeds limit”、立柱部位显示“Stress Check Message - lo/i exceeds seismic limit (GB50011-2010 8.3.1, JGJ99-2015 7.5.2)”长细比均超建筑抗震规范及高层建筑规范限值等类型信息。
通过以上的运行工况分析可知：已建立的幕墙模型中，钢板肋所受应力极大，且结构极不稳定!必须重新对钢板了截面进行设计。
由此而知，对于钢板肋结构幕墙来说，不仅要按幕墙相关规范，还要按《钢结构设计规范（词条“钢结构设计规范”由行业大百科提供）》GB50017等相关规范，根据强度和稳定性的要求进行校核计算。
5 结构设计
SAP2000对钢框架进行了结构分析并得到了计算初步结果后。我们可以得知，原来顾问公司给业主提供的招标图中，所设计的幕墙钢板肋，无论是位移还是应力、尤其是稳定性，完全不符合相关规范要求，有着极大的安全隐患。因此我们还必须根据中国相应的规范，通过交互式人机对话，对构件进行结构设计。
5.1人机交互设计
(1)钢框架设计首选项
命令路径：点击界面上工具条中【设计G】➩【钢框架设计】➩【查看修改首选项】弹出“钢框架设计首选项Chinese2018”对话框，在“设计规范”选“Chinese2018”、“框架类型”选“无侧移框架体系NMF抗弯框架Non Sway Moment Frame NMF”、“高层建筑”选“否”、“抗震等级”选“非抗震”、“梁按压弯构件设计”选“是”、“应力比限值”选“1”(校核是否满足强度设计值)、其他均按程序自带系数默认。
(2)钢框架选择设计组
命令路径：点击界面上工具条中【设计G】➩【钢铝框架设计】➩【查看修改首选项】弹出“选择设计组”对话框，“对象组”添加“ALL”(分组TLZ、THL)，点击【确定】，完成钢框架选择设计组。
(3)钢框架选择设计组合
命令路径：点击界面上工具条中【设计G】➩【钢框架设计】➩【查看修改首选项】弹出“选择设计组组合”对话框，“极限状态”选“挠度”、“设计组合”添加“NDZH1”“NDZH2”，点击【确定】完成选择挠度设计计组合。
同样，可以按上述操作，在“极限状态”选“强度”;“设计组合”添加“QDZHS”、同时也可以选择“自动生成基于规范的设计组合”，点击【确定】完成选择强度设计计组合。
(4)钢框架设计覆盖项
SAP2000程序默认设计为水平放置的构件为“Beam梁”，忽略轴力的影响;竖直放置的构件为“Column柱”，按框架柱类型设计。在本幕墙钢板肋结构模型中，程序默认“TLZ”分组设计为“Column柱”(计算，轴力、弯矩、剪力)、默认“THL”分组设计为“Beam梁”(计算弯矩、剪力)，那么我们按此构件类型无需进行修正。
另外，在钢框架设计覆盖项中，“选项”类别：
a.“轧制截面?”：如果型材是轧制截面是型钢（词条“型钢”由行业大百科提供），选择“是”;如果型材是焊接型钢，选择“否”。本例选择“否”。
b.“翼缘焰切的焊接截面?”：如果型材翼缘是焰切边，选择“是”;如果型材翼缘切割是其他工艺，选择“否”。
c.“梁按压弯构件设计?”：对于水平放置的构件，一般情况下其设计类型默认为“梁”，如果水平放置的“梁”还承载压力时，应选择“是”，则按《钢结构设计规范》GB50017与《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ 99)中的压弯构件进行验算(与幕墙规范一般只按纯弯构件验算区别)，长细比没有限值要求。设计覆盖项中其他选项按默认设置。
(5)钢板肋框架截面设计
如果钢板肋还是按原来的单片钢板设计思路，会产生几个问题：第一，钢板肋还要加厚变为实心体，导致重量增大;第二，单片钢板肋不容易焊接平直;第三，单片钢板肋稳定性相对较差。
因此，我们经过“SAP2000 Section Designer截面设计器”重新设计幕墙钢板肋后，通过截面优选，钢板肋立柱选择为T450×100×48×12、钢板肋横梁选择为T300×100×36×12，二者均由12mm钢板焊接组合起来的空心肋板。
①钢板肋T450×100×48×1立柱设计
命令路径：在上面模型(或重新复制)中，点击界面上工具条中【定义D】下拉列表，选【截面属性】➩【框架截面】➩【添加框架截面】弹出“添加框架截面”对话框，“截面类型”选择“Other(其他)”，点击“其他截面”栏中“SD截面”图案，弹出“SD截面数据”对话框，见图-15 SD截面数据在“截面名称”中输入T450×100×48×12颜色可任意)，“基本材料”栏中可以暂选“Q235”，“设计类型”选“通用钢截面”，再点击➩【截面设计器】弹出“SAP2000 Section Designer截面设计器”对话框，见 SAP2000 Section Designer所示。
首先，在SAP2000 Section Designer截面设计器界面工具条中，点击【选项O】弹出图首选项与指定显示颜色对话框，首选项“Dimensions( 尺寸)”中，“Background Guideline Spacing背景向导线间距”可以任意调整，本例为“250mm”，其他项也可以选择默认;在颜色对话框中，根据个人习惯，“XY轴”可选蓝色、“向导线”可选灰色、“局部轴”可选红色、“背景”可选白色。
命令路径：点击截面设计器界面上工具条中【绘制R】下拉列表，选【绘结构外形】➩【板】，用左键点击界面上X 、Y轴坐标原点，屏幕跳出“板”形截面图，此时把鼠标移动到“板”形截面图阴影部位(截面部位)点击鼠标右键，弹出“Shape Properties-Plate”对话框，见图-16a设置板属性，输入相关数据：“Materaial材料”选填“Q235”、“XCenter”填“18”(原点到右边肋中心距)、“YCenter”填“0”“Height高”填“450”(肋高)、“Width宽”填“12”(肋板厚度)，点击【OK】按钮完成右边肋板设置。另为便于视图操作，可以点击界面放大或缩小按钮。
同样操作，按图-16b设置板属性，可以完成左边肋板的设置。
同样操作，按图-16c设置板属性，可以完成肋立柱横向顶肋板(100mm)的设置。
同样操作，按图-16d设置板属性，可以完成竖向肋夹板(80mm)的设置。
同样操作，按图-16e设置板属性，可以完成肋板间横向支撑板(24mm)的设置。
最后完成钢板肋立柱的设计，见图-17钢板肋立柱T450×100×48×12所示。
②钢板肋T300×100×36×12横梁设计
同样，按上述步骤，也可以完成钢板肋T300×100×36×12横梁设计;钢板肋横梁高300mm、横梁顶肋板100mm、横梁夹板50mm、横梁支撑板12mm。
最后完成钢板肋横梁的设计，见图-18钢板肋横梁T300×100×36×12所示。
我们重新指定截面后，查看图时，程序默认钢板肋横梁在钢板肋立柱中间，因此还需把钢板肋横梁向-Y移动(450-300)/2=75mm，见移动对象设置所示。
命令路径：点击界面上工具条中的【编辑E】➩【移动】弹出“移动对象”对话框，输入“增量”“Y=-75”点击【应用】➩【确定】完成平移。
5.2计算结果分析
钢板肋幕墙经过按《玻璃幕墙技术规范》(JGJ102)、《钢结构设计规范》(GB50017)等规范的要求，进行人机交互设计后，则可以得到最终比较准确设计结果。
(1)人机交互后框架设计结果
命令路径：点击界面上工具条中【设计G】➩【钢框架设计】➩【开始设计/校核】。经程序分析计算得到在不同工况或风荷载下最大位移与最大应力，再用鼠标左键分别选定立柱、横梁杆件最大值位置，再点击右键，得到下列图示的数据。
①显示钢框架最大挠度初步结果
命令路径：点击界面上工具条中【显示P】➩【变形图】弹出“显示变形图”(或直接点击界面上工具条中按钮)对话框，在“工况/组合”名称栏中，分别选择已定义好了的挠度组合NDZH1和工况NDZH2下查看最大位移。另在“缩放比例”栏选择自动计算;在“云图选项”选择“显示位移云图”、“云图分量”分别选择UX、UY、UZ向与“Resultant(合成)”;再选择打钩“三次曲线”，其他默认;点击【应用】➩【确定】按钮，经SAP2000进行结构分析、计算、比较得到在NDZH1组合下合成最大位移为：
②显示钢框架最大应力初步结果
命令路径：点击界面上工具条中【设计G】➩【钢框架设计】➩【开始结构设计/校核】，程序会对模型中的构件设计类型(立柱、梁)自动判断、并自动进行了应力计算。再按上述步骤点击【显示设计信息】，便得到所建模型的应力比图。钢框架图显示横梁部位应力超标。其中横梁“35”～“40”节点之间的“42”杆件，应力比高达1.503;左右外围立柱应力比为0.468，但长细比超标;见图-20钢板肋框架应力图所示。
(2)人机交互后钢框架模型修正
为了不再增加材料截面，我们可以尝修正模型约束形式的方式，即：缩小跨度，把框架杆件受力距离变短。如把左右边钢板肋立柱中部各增加二个，不约束Z向的铰接点，这样可以起到稳定立柱、减少应力的作用。
(3)人机交互后钢框架最终设计结果
当完成了钢板肋框架截面的最后修正后，再次运行SAP2000如下：
命令路径：点击界面上工具条中【分析N】➩【运行分析】，再点击界面上工具条中【设计G】➩【钢框架设计】➩【开始结构设计/校核】;再点击界面上工具条中【设计G】➩【钢框架设计】➩【显示设计信息】查看构件应力信息。全部完成了结构模型的位移与应力的最后运算结果。
①钢板肋框架最大挠度
命令路径：点击界面上工具条中【显示P】➩【变形图】弹出“显示变形图”(或直接点击界面上工具条中按钮)对话框，选项设置不变，点击【应用】➩【确定】按钮，得到在不同工况或风荷载下最大位移数据为：
6 结语
大跨度精制钢板肋玻璃幕墙，无论是位移还是应力、尤其是稳定性，不仅要符合幕墙相关规范、还要同时满足钢结构的相关规范要求。
由于精制钢具有优越的抗拉强度、弹性模量、冲击韧性、冷弯性能、可焊性、冷热加工性能等特性。因此完全能够满足大跨度幕墙结构的基本受力需求，广泛应用于高层建筑顶部城市观光造型、高档售楼中心、展馆等公共建筑的幕墙设计等装饰领域，同时实现建筑外观的艺术之美感，并逐渐取代了大跨度夹层玻璃肋作为幕墙结构支撑成本高、易破损、稳定性差、吊装困难等缺陷。
参考文献：
[1].《玻璃幕墙工程技术规范》 (JGJ102-2003)
[2].《建筑结构荷载规范》 (GB50009-2012)
[3].《SAP2000在建筑异形幕墙工程的设计实例解析》(屈 铮 编著 中南大学出版社)
作者单位：港湘建设有限公司
