摘 要：風災是自然災害的主要災種之一, 由于全球氣候變暖, 風災變得更為頻繁, 每年造成全球經濟損失達數百億甚至千億美元, 而我國東南沿海地區又是受風災影響比較嚴重的區域。隨著我國經濟的高速發展, 越來越多的高層和超高層建筑在我國東南沿海地區拔地而起, 隨著我國工業化程度的提高, 單元式幕墻因其能較好地吸收層間位移的特點而廣泛地使用于這些高層與超高層建筑。同時, 建筑外墻結構在風災的影響下發生破壞的案例更是時有發生。本文基于石沅臺風風譜, 模擬風荷載, 將其應用于對超高層（詞條“超高層”由行業大百科提供）的單元式幕墻板塊的動力響應分析, 簡化了相關的結構, 以期達到理想的風振響應效果。
關鍵詞：外墻結構; 臺風; 動力分析
前 言
臺風產生在熱帶海洋上, 具有突發性強、破壞力大的特點, 是世界上最嚴重的自然災害之一。臺風的破壞力主要由強風、暴雨和風暴潮3個因素引起。2006年的1號強臺風/ 珍珠0( Chanchu), 在菲律賓、中國東南部、臺灣總共造成104人死亡以及12億美元的損失。2006年的4號強熱帶風暴/碧利斯0 ( B-ilis), 在菲律賓、臺灣、中國東南部總共造成672人死亡以及44億美元的損失。我國東南沿海各省市是遭受臺風襲擊最為頻繁的地區, 同時, 這一地區又是我國經濟騰飛的翅膀, 隨著近20年的經濟發展, 東南沿海珠三角、長三角已成為我國經濟最為發達地區。在現代化、工業化的驅使下, 這一地區的高層和超高層建筑正逐年遞增, 玻璃幕墻對現代建筑美學的詮釋更是毋庸置疑, 對于作為地標（詞條“地標”由行業大百科提供）性建筑的這些高層或是超高層建筑, 更是青睞于玻璃幕墻結構。
建筑幕墻作為一個跨專業、跨行業的新興行業進入我國不過20多年, 現今, 中國已成為全球最大的建筑門窗與建筑幕墻的生產加工與使用國, 每年生產使用各類門窗總面積超過4億平方米, 每年生產安裝各類建筑幕墻超過5000萬平方米, 每年產值數千億。單元式玻璃幕墻的結構形式特點是: 首先將構成玻璃幕墻的單元(骨架材料、玻璃、保溫隔熱材料)在專門的工廠中裝配成為整框, 然后將其運送至施工現場。在施工現場只需將一個個幕墻單元依次安裝固定在建筑的主體結構（詞條“主體結構”由行業大百科提供）上。單元件在工廠內加工制作, 可以把玻璃、鋁板或其他材料在加工廠內組裝在一個單元件上, 促進了建筑工業化（詞條“建筑工業化”由行業大百科提供）程度。因為單元件在加工廠內整件組裝, 易于在工廠內進行檢查, 有利于保證多元化整體質量, 保證了幕墻的工程質量。單元式幕墻從樓層下方向上方安裝能夠和土建配合同步施工, 大大縮短了工程周期。幕墻單元件安裝聯接接口構造設計能吸收層間變位, 通常可承受較大幅度建筑物移動, 對高層建筑和鋼結構類型建筑特別有利。單元式幕墻這種并不是很新的幕墻結構因為造價高近些年才開始在我國使用,但隨著我國經濟的發展及工業化程度的提高, 單元式幕墻開始廣泛地使用于國內的重大工程, 如上海環球金融中心。
目前, 玻璃幕墻抗風的研究, 因為起步早, 國外的研究機構及企業進行的比較多。20世紀60 年代Davenpo rt采用等效靜風荷載代替實際的風荷載進行結構設計, 同時被美國、加拿大、澳大利亞、中國在內的多國規范所采用。M.Mahendran , R. B. Tang[ 1]等人著重對幕墻連接構件的極限破壞做了相關研究實驗, 為幕墻連接構件設計提供了依據。Peter J.V ickery[ 2]提出在幕墻鋼結構加入拱背以達到減小應力。國內滕軍、馬伯濤等人[ 3]則提出在高層建筑頂部懸挑幕墻處使用阻尼片隔振控制, 達到了比較好的效果。
1 單元式幕墻
單元式玻璃幕墻是將構成玻璃幕墻的單元(橫豎骨架材料、玻璃、保溫隔熱材料)在專門的工廠中裝配成為整框, 然后通過掛件直接在施工現場懸掛在主體結構的預埋件上, 水平方向相鄰兩板塊通過插槽連接, 并在相應位置開孔用活動螺栓連接, 以達到板塊可以在水平、豎直兩個方向產生位移。
1. 1 單元式幕墻板塊連接
單元式幕墻板塊豎向懸掛連接如圖1所示, 陰影部分表示開長槽, 以便板塊可以活動, 橫向板塊同樣通過活動螺栓連接, 如圖2所示。
1. 2 模型簡化
現行設計中, 通常把板塊當作簡支的雙向板來考慮, 往往也只施加板垂直面的靜荷載來檢驗玻璃的撓度或是型材的極限破壞設計值, 而對于板塊橫向的位移一般都忽略考慮, 僅按照以往經驗值給于板塊之間5 cm的活動空間, 以滿足溫度應力（詞條“溫度應力”由行業大百科提供）下單元板塊的橫向位移。本文中擬用兩彈簧并聯連接兩個板塊, 使得兩位多板塊能夠協調變形。對于側風作用下, 單元板塊豎向位移及平面外的扭轉本文不作考慮, 在以后的研究中有待進一步分析。在本文中并不直接在單元板塊的節點施加位移約束, 而是在與板塊連接的主體結構的BEAM188 單元上施加響應的UY, UZ 方向約束, 對于UX 不約束。
2 臺風作用下單元板塊的動力響應
2. 1 臺風風譜模擬
一般情況下, 脈動風速可作為高斯平穩的隨機過程處理, 且風速譜服從正態分布。臺風振動本身是一個非平穩的隨機過程, 然而, 由于計算上的困難, 往往按平穩假定。
目前, 我國設計規范采用的是不隨高度變化的Davenport譜[ 4], 該風譜也是國際上用得最多的水平脈動風譜：
石沅臺風風譜是石沅等學者對上海地區臺風進行的實測, 提出了不隨高度變化的石沅臺風風譜, 其公式為：
本文采用基于石沅臺風風譜, 用MATLAB 語言編制程序進行石沅臺風風譜分析, 模擬出10層共40個單元板塊相應的10個點的脈動風載時程, 圖3為結構標高為216 m處的脈動風荷載時程圖。
2. 2 算例分析
2. 2. 1 算例模型
如圖4所示, 本工程為上海市陸家嘴地塊某超高層建筑, 本工程外墻采用橫滑式單元幕墻, 玻璃采用6 mm + 12mm + 6 mm 的中空玻璃, 彈性模量為712E 11 N /m, 密度為2156 @ 103 kN /m3, 泊松比為012; 鋁型材采用6061T6型材, 彈性模量為710E 11N /m, 密度為218 @ 103 kN /m3, 泊松比為012。單元板塊為4000mm @ 4500 mm, 豎向采用2250+ 750+1500的網格構成一個單元。一個單元為一層, 每層共取4個單元, 相鄰單元兩個彈簧串聯連接, 各單元約束情況見表1。
2. 2. 2 模態分析
采用大型通用有限元（詞條“有限元”由行業大百科提供）軟件ANSYS對該結構進行動力特性的分析, 整個結構共劃分552個線單元,120個面單元, 使用BLOCK LANCZOS 法對結構進行模態分析, 計算了結構的前20階模態。圖5 ~ 8為前4階振型, 頻率計算結果見表2。
從以上振型圖可以看出, 板塊基本都是以Y方向變形為主, 這也符合實際工程規律。
2. 2. 3 板塊動力響應
將臺風石沅風譜模擬得到10個點的臺風荷載時程導入ANSYS 并施加于結構三維有限元模型再加載到一側單元的各個節點上, 對于主體結構約束Y, Z 向位移, 板塊除Z = 0處約束三向位移, 其他均不約束, 而板塊與主體結構的連接采用LINK8 單元, 板塊之間采用并聯彈簧形式, 同一層彈簧剛度相同, 第10 層彈簧剛度為110E 8 N /m, 第一層為110E 7 N /m, 中間層從110E 8N /m~ 110E 7 N /m 漸變插入, 如圖9~ 13所示, X 方向位移幅值對比見表3。
3 結論與建議
(1)實際工程中, 幕墻設計只計算垂直于平面的風載, 雖然考慮到側向可能產生的位移, 但一般不作具體計算, 雖然板塊的連接可以采用剛性連接, 但剛性連接有其弊端, 對于結構抗風是抗而不是引導,而采用彈簧軟連接對風載采用引導耗能, 有利于結構抗風。
(2)在平面垂直方向板塊和主體結構的連接如加入阻尼耗能裝置, 不僅能減小片面垂直方向的位移, 也能有效地減小平面內板塊位移。
(3)高層結構設計方向是使得結構趨于更柔,外墻結構側向剛度較大時, 結構對于風載的響應比較小。但是, 當剛度較小時, 結構會有比較大的響應, 本文中即模擬了剛度較小的外墻結構對臺風荷載的響應。
(4)在外墻結構中使用彈簧軟連接對板塊加工工藝要求比較高, 板塊在臺風作用下振動, 容易造成密封膠開裂, 對幕墻的使用可能會造成較大影響。
(5)本文未考慮幕墻板塊在側向和垂直兩向荷載共同作用下可能產生的扭轉效應, 有待在今后的工作中進一步完善。
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