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摘要：本文介紹了北京首都國際機(jī)場專機(jī)與公務(wù)機(jī)樓玻璃幕墻工程栓接T型鋼梁的結(jié)構(gòu)設(shè)計，分析了栓接T型鋼梁結(jié)構(gòu)受力特點，采用了非線性有限元計算方法，并通過結(jié)構(gòu)實驗進(jìn)行了驗證。
關(guān)鍵詞：幕墻結(jié)構(gòu)、栓接T型鋼梁、結(jié)構(gòu)實驗。
1.工程概況
北京首都國際機(jī)場專機(jī)與公務(wù)機(jī)樓工程位于北京首都國際機(jī)場內(nèi)(如圖1)，總用地面積為178222平方米，新建專機(jī)與公務(wù)機(jī)樓面積為6352平方米，地上兩層，局部夾層，主體結(jié)構(gòu)（詞條“主體結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供）形式采用鋼結(jié)構(gòu)。整個專機(jī)與公務(wù)樓分二期進(jìn)行，其中一期工程包括專機(jī)與公務(wù)機(jī)樓、交運行李服務(wù)樓和停車場服務(wù)樓三座建筑及室外道路、廣場、綠化、停車場及室外管線等，二期為公務(wù)機(jī)停機(jī)坪遠(yuǎn)期發(fā)展用地、附屬設(shè)施用地及部分景觀綠化用地。該工程2006年12月建成，2007年6月正式投入使用。
圖1專機(jī)與公務(wù)機(jī)樓立面效果
北京首都國際機(jī)場專機(jī)與公務(wù)機(jī)樓玻璃幕墻工程幕墻面積約為28000平方米，主要由石材幕墻、鋁合金玻璃幕墻、玻璃采光頂等組成。其中鋁合金玻璃幕墻部分支撐結(jié)構(gòu)采用了栓接T型鋼梁結(jié)構(gòu)(如圖2)。
圖2栓接T型鋼梁節(jié)點構(gòu)造示意圖
2.結(jié)構(gòu)說明
專機(jī)與公務(wù)機(jī)樓玻璃幕墻工程采用T型鋼梁作為主要承力體系。施工圖深化設(shè)計初始采用焊接T型梁，并要求在加工完成后將焊縫刨平，以保持外觀簡潔，美觀。這種做法，對焊縫的要求很高，必須全熔透，否則會因為焊縫高度降低而對結(jié)構(gòu)的受力產(chǎn)生不利影響。所以這種設(shè)計必然導(dǎo)致工藝復(fù)雜，施工周期長。為了保證進(jìn)度，同時又不影響外觀。將焊接T型梁改為栓接T型梁。T型梁翼緣和腹板采用大六角頭8.8級M8高強(qiáng)螺栓連接，間距300mm，加勁板兼平面（詞條“平面”由行業(yè)大百科提供）外栓接T型橫梁的連接板每1200mm一塊(具體布置參見圖3)。這樣變更后，T型鋼梁加工速度快，外觀更簡潔。但其受力性能需要經(jīng)過試驗和理論分析驗證。
圖3栓接T型鋼結(jié)構(gòu)布置圖
3.材料性質(zhì)
栓接T型梁的主體結(jié)構(gòu)采用Q235鋼，其材料的本構(gòu)關(guān)系曲線見圖4(a)。螺栓采用8.8級M8高強(qiáng)螺栓，有效截面直徑6.827mm。有效截面面積S=36.587mm2。該類螺栓的抗拉，抗剪強(qiáng)度檢測值分別為：Ft=32.67KN;Fv=25.83KN。所以根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范(GB50017-2003)》，其屈服強(qiáng)度為：fu=32.67/36.587×1000=892.94Mpa;抗拉強(qiáng)度設(shè)計值（詞條“強(qiáng)度設(shè)計值”由行業(yè)大百科提供）ft=fu/2=446Mpa;抗剪強(qiáng)度設(shè)計值fv=Fv/s/2.5=282Mpa。該螺栓經(jīng)測試滿足規(guī)范規(guī)定的抗拉強(qiáng)度設(shè)計值ftb=400n/mm2;抗剪強(qiáng)度設(shè)計值fvb=250N/mm2的要求。螺栓由于是高強(qiáng)鋼，其本構(gòu)關(guān)系采用雙折線模型，見圖2(b)，曲線強(qiáng)化段Es=0.03E。結(jié)構(gòu)計算采用美國CSI公司的結(jié)構(gòu)設(shè)計軟件Sap2000進(jìn)行結(jié)構(gòu)的初步分析。采用美國ANSYS公司著名的通用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行詳細(xì)的三維結(jié)構(gòu)有限元分析。
圖4鋼材應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線
4.結(jié)構(gòu)分析荷載
4.1標(biāo)準(zhǔn)荷載
北京地區(qū)基本風(fēng)壓:0.45KN/m2;抗震設(shè)防烈度：8度(0.20g);地面粗超度:B類;風(fēng)荷載體型系數(shù)：1.2;玻璃橫向網(wǎng)格為1.548米, 設(shè)計標(biāo)高10.6米。T型鋼為連續(xù)梁（詞條“連續(xù)梁”由行業(yè)大百科提供），總長10.04米，一層跨度5.17米，二層跨度4.89米。
幕墻構(gòu)件自重標(biāo)準(zhǔn)值：Gks=0.8 KN/m2
4.2荷載計算
單根T型鋼重力方向荷載：Gkt=1.2×1.548×10.04×0.8=14.92KN.
4.2.1風(fēng)荷載計算
標(biāo)高為10.600m處風(fēng)荷載計算:
Wk=βgz×μz×μs×W0 (GB50009-2001)
式中：Wk---作用在幕墻上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2)，方向垂直于板面;
βgz---10.600m高處陣風(fēng)系數(shù)(按B類區(qū)計算);
μf=0.5×(10.600/10)-0.16=0.495;
βgz=0.89×(1+2×0.495)=1.772;
μz---10.600m高處風(fēng)壓高度變化系數(shù)(按B類區(qū)計算)，μz=(10.600/10)0.32=1.020;
μs---風(fēng)荷載體型系數(shù)，取1.200
Wk=βgz×μz×μs×W0
=1.772×1.020×1.200×0.450
=0.976 kN/m2
計算值小于1.0kN/m2，取Wk=1.0kN/m2 (JGJ 102-2003 5.3.2)
4.2.2水平地震作用計算
qEK=βE×αmax×Gks (JGJ102--2003 5.3.4)
式中：qEK---水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2)，方向垂直于上翼緣表面;
qEK=βE×αmax×Gks
=5.0×0.16×0.8
=0.640 kN/m2
4.2.3水平向荷載組合（詞條“荷載組合”由行業(yè)大百科提供）
qK：荷載組合標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2);
q：荷載組合設(shè)計值(kN/m2);
風(fēng)載：組合系數(shù)1.00，分項系數(shù)1.40;
地震荷載：組合系數(shù)0.50，分項系數(shù)1.30;
qK=1.00×1.000+0.50×0.64=1.32 kN/m2
q=1.00×1.40×1.000+0.50X1.30×0.64=1.815 kN/m2
4.3工況組合
剛度工況：
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工況1 |
1.0恒載+1.0風(fēng)載+0.5地震荷載 |
強(qiáng)度工況：
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工況2 |
1.0恒載+1.4正向風(fēng)載+0.5×1.3地震荷載 |
|
工況3 |
1.0恒載+1.4負(fù)向風(fēng)載+0.5×1.3地震荷載 |
5.結(jié)構(gòu)初步分析及試驗設(shè)計
5.1結(jié)構(gòu)初步分析
根據(jù)實際結(jié)構(gòu)布置，我們進(jìn)行結(jié)構(gòu)的初步分析，采用SAP2000結(jié)構(gòu)計算軟件，結(jié)構(gòu)的翼緣和腹板采用實體單元，在栓釘位置采用普通梁元模擬，為了分析螺栓的連接性能，我們設(shè)定翼緣和腹板之間2mm間隙(實際結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)沒有這么大)，初步分析結(jié)構(gòu)模型中不考慮實際結(jié)構(gòu)中連接耳板的作用。結(jié)構(gòu)的分析模型如圖5。經(jīng)過分析后得到結(jié)果如表1。
表1 實際結(jié)構(gòu)的初步分析結(jié)果匯總
圖5栓接T型鋼初步分析模型
根據(jù)結(jié)構(gòu)的初步分析可以得出，栓接T型鋼在5.7米標(biāo)高有面內(nèi)支承，形成連續(xù)梁結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)的剛度能夠滿足要求規(guī)范要求，因為未考慮材料塑性，所以栓釘?shù)?a target='_blank' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;'>剪力（詞條“剪力”由行業(yè)大百科提供）值只是理想彈性狀態(tài)下的結(jié)果，但大體反應(yīng)了栓釘群受力狀態(tài)。對我們的試驗方案有參考價值。
5.2試驗方案制定
與一般組合梁一樣，在結(jié)構(gòu)整體計算通過的情況下，結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié)就是連接部分了。栓接T型鋼的栓釘承載力對整個結(jié)構(gòu)的耐久性（詞條“耐久性”由行業(yè)大百科提供）至關(guān)重要。因此我們決定對T型鋼進(jìn)行靜力和10萬次疲勞測試，以確保結(jié)構(gòu)安全。試驗?zāi)康?a.考察栓釘連接方式的T型鋼在靜力和動力作用下的結(jié)構(gòu)性能。B.驗證理論分析的是否正確。我們委托東南大學(xué)工程結(jié)構(gòu)與材料試驗中心進(jìn)行該項試驗。
為了真實的模擬T型鋼梁的實際可能的荷載狀態(tài)，本次采用高頻疲勞和低周頻勞滿負(fù)荷試驗，試驗要求T梁的下弦最大應(yīng)力幅達(dá)到150Mpa左右，另外由于疲勞機(jī)噸位較大，結(jié)構(gòu)的剛度不能太小，否則無法成功循環(huán)加載。由于T型鋼總長10米，采用1:1模型試驗有困難，根據(jù)栓接T型鋼的初步分析中栓釘?shù)募袅Ψ植记闆r，依據(jù)栓釘剪力和彎矩等效原則，考慮結(jié)構(gòu)疲勞試驗要求，我們分別采用2.1米跨度梁承受高頻4KN～26KN正弦波循環(huán)荷載，4.2米跨度梁承受低周4KN～14KN正弦波循環(huán)荷載。這樣既接近實際鋼梁尺寸，又能夠有足夠的剛度使疲勞機(jī)加載能夠得以順利進(jìn)行。兩種跨度梁均采用試驗室易于實現(xiàn)的簡支條件，相對于實際結(jié)構(gòu)的連續(xù)梁體系，該邊界條件對T型鋼梁的承載更不利。兩種跨度梁的初步計算結(jié)果如表2所示:
表2 在14KN靜荷載作用試驗用栓接T型鋼的初步分析
6.有限元精細(xì)模型分析
為了更準(zhǔn)確的分析結(jié)構(gòu)的真實受力狀態(tài)，我們又采用ANSYS軟件進(jìn)行精細(xì)模型分析，栓接T型鋼的有限元精細(xì)模型見圖 6，上翼緣和腹板以及栓釘均采用SOLID92單元，該單元為帶邊中點的四面體單元，10個節(jié)點，每個節(jié)點3個自由度，能夠適用于彈塑性，幾何非線性等結(jié)構(gòu)分析中。由于在螺栓擰緊后，螺帽（詞條“螺帽”由行業(yè)大百科提供）與翼緣板焊牢，所以在建模時省卻螺帽，僅僅建立螺桿模型。翼緣與腹板之間采用面面接觸單元，接觸算法選用Augment-Lagrange乘子算法。栓釘連接施工時，沒有進(jìn)行嚴(yán)格的扭力測試，預(yù)緊力無法估出，故在精細(xì)模型中不計螺栓預(yù)緊力。在該模型中還將T型鋼梁平面外連接板作用考慮在內(nèi)，經(jīng)計算分析連接板對栓接T型鋼梁的作用不可忽略。
圖6 栓接T型鋼有限元精細(xì)模型
栓接T型鋼與焊接T型鋼(未經(jīng)過焊縫磨平)的承載力和剛度的區(qū)別也為我們所關(guān)注，所以我們還進(jìn)行了焊接T型鋼的精細(xì)模型分析，焊接T型鋼的翼緣腹板完全連接，全部采用Solid92單元。為了方便比較對照，焊接T型鋼也采用4.2米跨度，簡支。
下面首先進(jìn)行的是與實驗結(jié)構(gòu)相同T型鋼梁的理論分析。由于T梁的幾何和受載具有對稱性，根據(jù)結(jié)構(gòu)對稱原理，選取T型鋼模型一半進(jìn)行分析。
6.1焊接T型鋼分析結(jié)果
焊接T型鋼梁有限元力學(xué)模型見圖7。
圖7 焊接T型鋼梁有限元力學(xué)模型
6.1.1工況2(11.7KN)作用下結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布
4.2米梁的工況2總水平荷載為11.7KN(后文均在工況名后的括號內(nèi)給出荷載值)。圖8～9給出了在工況2作用下結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力分布。
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圖8工況2作用下焊接T型梁的位移 圖9工況2作用下焊接T型梁的應(yīng)力分布
6.1.2在極限荷載(45KN)條件下結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分布
在極限荷載(45KN)條件下結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分布如圖10～11。由圖11可以看出，在達(dá)到最大承載力時，結(jié)構(gòu)跨中截面幾乎全部進(jìn)入塑性，形成塑性鉸，結(jié)構(gòu)成為機(jī)構(gòu)，從而喪失承載能力。
圖10 45KN荷載作用下焊接T型梁的應(yīng)力分布 圖11 45KN荷載作用下焊接T型梁的位移
6.2栓接T型鋼梁
栓接T型梁的有限元模型見圖12。
圖12栓接T型梁的有限元模型
6.2.1工況2(11.7KN)作用下結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布
工況2(11.7KN)條件下結(jié)構(gòu)的變形和應(yīng)力分布如圖13～14,工況2(11.7KN)條件下結(jié)構(gòu)中受力最大的栓釘應(yīng)力分布如圖15～16。圖12中由于支座附近的應(yīng)力集中，其發(fā)生局部塑性。在跨中，截面未進(jìn)入塑性。
圖13工況2(11.7KN)作用下結(jié)構(gòu)變形 圖14工況2(11.7KN)作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布
圖15工況2作用下受力最大的栓釘應(yīng)力分布 圖16工況2作用下受力最大的栓釘應(yīng)力分布(橫截面)
通過栓釘?shù)氖芰梢钥闯�，受力最大的栓釘，部分進(jìn)入塑性，但沒有進(jìn)入全截面塑性。
6.2.2極限荷載條件下(36.8KN)結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布
極限荷載條件下(36.8KN)結(jié)構(gòu)變形和應(yīng)力分布如圖17～18，極限荷載條件下(36.8KN) 結(jié)構(gòu)中受力最大的栓釘應(yīng)力分布如圖19～20。與焊接T型鋼梁類似的是，在極限狀態(tài)，跨中截面僅有中和軸附近截面而其余大部分截面進(jìn)入塑性，進(jìn)而形成塑性鉸，結(jié)構(gòu)失去承載能力。
圖17 36.8KN作用下結(jié)構(gòu)變形圖 圖18 36.8KN作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖
圖19 36.8KN作用下受力最大的栓釘應(yīng)力分布 圖20 36.8KN作用下受力最大的栓釘應(yīng)力分布(橫截面)
在極限荷載條件下，栓釘全截面塑性，而且截面大部分到達(dá)屈服極限(800Mpa)。
6.3T型鋼梁理論與實驗承載力曲線比較
將理論分析結(jié)果與試驗結(jié)果比較可得圖21～22。
圖21 2.1米栓接T型鋼梁理論分析與實驗結(jié)果比較 圖22 4.2米T型鋼梁理論分析與實驗結(jié)果比較
通過，圖20～21可以發(fā)現(xiàn)，栓接T型梁的精細(xì)模型分析得到的結(jié)果與試驗值十分接近。其荷載位移曲線在線性段幾乎是重合，證明該精細(xì)有限元分析模型合理，能夠用來準(zhǔn)確分析栓接T型鋼梁的受力狀態(tài)。由圖20看出，由于1.2米一對連接板存在，增強(qiáng)了栓接T型鋼梁的承載力，其最終理論分析極限承載力為36.8KN，試驗得出為40KN左右。 而焊接T型鋼梁的極限承載力為45KN，按照此連接方式(M8@300,連接板@1200)制作的栓接T型鋼梁的承載力較焊接T型鋼梁的承載力下降了大約18%。
表3 4.2米栓接T型鋼梁螺栓狀態(tài)比較.
可以看到在11.7KN荷載(工況2)作用下，4.2米T型鋼梁沒有發(fā)現(xiàn)螺栓進(jìn)入全截面塑性，在13.5KN荷載作用下，有4根螺栓退出工作，占栓釘總數(shù)的26.6%，而這個荷載工況在疲勞試驗中得到體現(xiàn)，經(jīng)過10萬次循環(huán)，T型鋼梁的不可逆變形為1.1mm，主要原因在于有少量栓釘在最大荷載14KN下全截面塑性。當(dāng)然，隨著這個比例的加大，T型鋼梁的承載能力也逐漸達(dá)到極限。
7.實際尺寸栓接T型鋼梁承載力分析
按照圖3所示實際結(jié)構(gòu)，采用有限元精細(xì)模型進(jìn)行分析，其有限元模型如圖23。在工況2作用下，分析結(jié)果如圖24～28所示。
圖23 10米栓接T型鋼有限元模型
圖24工況2作用下結(jié)構(gòu)變形圖 圖25工況2作用下結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布圖
圖26工況2作用下螺栓孔應(yīng)力分布圖 圖27 工況2作用下螺栓應(yīng)力分布圖
圖28 工況2作用下螺栓應(yīng)力分布圖(橫截面)
根據(jù)圖23～28可知，在工況2作用下，栓接T型鋼的位移最大17mm，對應(yīng)樓層為一層，跨度5.17米，撓度比值為1/304，滿足規(guī)范要求。T型鋼主體結(jié)構(gòu)的最大米塞斯應(yīng)力為444Mpa,但該應(yīng)力出現(xiàn)在螺栓孔周圍，翼緣和腹板中米塞斯應(yīng)力最大為151Mpa。但是，在工況2,3的荷載組合作用下，栓接T型鋼中少量栓釘出現(xiàn)了全截面塑性狀態(tài)，共4根，占栓釘總數(shù)的11.7%。如果局部栓釘過早進(jìn)入全截面塑性狀態(tài)，對結(jié)構(gòu)的變形和承載力均不利，容易導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不可逆變形，同時承載力會下降。為了避免在設(shè)計荷載(工況2，3)作用下有栓釘進(jìn)入全截面塑性，在施工圖設(shè)計當(dāng)中對原方案進(jìn)行了整改。
8.栓接T型鋼整改方案
8.1 整改方案分析
整改方案是在支座附近進(jìn)行間斷焊加固鋼梁，從而減小支座附近的栓釘剪力，以達(dá)到避免栓釘進(jìn)入全截面塑性狀態(tài)的目的。間斷焊接在精細(xì)模型中(圖29)中得以體現(xiàn)。
圖29 整改方案有限元模型局部示意
圖30 結(jié)構(gòu)整改后工況2作用下變形圖 圖31 結(jié)構(gòu)整改后工況2作用下應(yīng)力分布圖
圖31 整改后工況2作用下受力最大螺栓應(yīng)力分布圖 圖32 整改后工況2作用下受力最大螺栓應(yīng)力分布圖(橫截面)
圖33 結(jié)構(gòu)整改后工況3作用下變形圖 圖34 結(jié)構(gòu)整改后工況2作用下變形圖
8.2實際結(jié)構(gòu)采用精細(xì)模型整改前后計算結(jié)果匯總
表4 整改前結(jié)構(gòu)計算結(jié)果
表5 整改后結(jié)構(gòu)計算結(jié)果
圖35 整改前后實際結(jié)構(gòu)荷載位移曲線
根據(jù)整改后，結(jié)構(gòu)的分析結(jié)果可知，在設(shè)計荷載作用下，結(jié)構(gòu)中沒有栓釘進(jìn)入全截面塑性，結(jié)構(gòu)承載力增加了大約13%。
9.結(jié)論
a.通過試驗和理論分析結(jié)果對比,可知我們采用的精細(xì)有限元模型能夠正確反映栓接T型鋼梁的受力狀態(tài),分析結(jié)果合理可靠;
b.經(jīng)過理論分析可知,本工程中栓接T型鋼梁整體的剛度和承載力能夠滿足規(guī)范要求;
c.栓接T型鋼連接件（詞條“連接件”由行業(yè)大百科提供）的耐久性經(jīng)過了權(quán)威檢測機(jī)構(gòu)的疲勞試驗驗證;
d.在實際結(jié)構(gòu)分析的時候發(fā)現(xiàn)，在設(shè)計荷載作用下，結(jié)構(gòu)中有少量栓釘進(jìn)入全截面塑性。鑒于首都機(jī)場專機(jī)樓幕墻工程的重要性，必須保證結(jié)構(gòu)在設(shè)計荷載內(nèi)絕對安全，根據(jù)檢測報告和理論分析結(jié)果，該幕墻工程栓接T型鋼作了適當(dāng)整改，在確保在設(shè)計荷載作用下無栓釘進(jìn)入全截面塑性的同時，進(jìn)一步提高栓接T型鋼的承載力。
作者單位： 江蘇省裝飾幕墻工程有限公司
江蘇合發(fā)集團(tuán)有限責(zé)任公司
