上海市建筑装饰工程集团有限公司 上海 200072 Shanghai Construction Decoration Engineering GroupCo.,Ltd. Shanghai, 20072
摘要：随着经济发展，建筑幕墙承载了美观和功能的双重需求，已成为现代城市的一种标志。成都国际机场旅客过夜用房工程飘带建筑造型屋面为开放式铝板幕墙结构体系，顶部为单层铝板，吊顶屋面为蜂窝铝板，主龙骨为钢管。本文采用有限元软件对最不利荷载组合作用下屋面面板及龙骨的受力和变形性能进行了计算，以优化施工过程。
关键词：铝板屋面；钢结构；内力和变形分析
Abstract: With development of economy, building curtain walls carry the dual demands of beauty and function, and have become a symbol of modern cities. The roof curtainwallstyle of overnight accommodation for passengers at Chengdu International Airports is an open aluminum curtain wall structure system, the top is a single-layer aluminum panel, the suspended ceiling is made of honeycomb aluminum panel, and the main keel is a steel tube. This paper uses finite element software to calculate the stress and deformation performance of roof panels and keels under the most unfavorable load combination to optimize the construction process.
Keywords: aluminum roof；steel structure；internal force and deformation analysis
1 工程概况
成都天府国际机场旅客过夜用房位于成都简阳草池镇天府机场航站区中部，最大标高为44.4 m，由1#楼(高星级旅客过夜用房)塔楼、2#楼（次高星级旅客过夜用房）塔楼及3#裙楼（公用裙楼及通往交通换乘中心（GTC）连廊）构成，总建筑面积达132221.09平方米。本工程按满足2020年接待旅客量4000万人设计，将成为中国领先的机场之一以及西部地区重要的门户。
本项目幕墙系统主要为半单元体玻璃幕墙系统，框架玻璃幕墙系统，石材幕墙系统，铝板幕墙系统，幕墙总面积约78000平方米，完美地将防风、遮雨、保温、隔热等功能融合为一体。铝板幕墙因其装饰效果好，强度高，重量轻等特点，能够很大程度上减轻幕墙对主题结构的负荷，成为建筑外围护结构面材的重要选择之一。其中位于1#楼、2#楼顶部飘带造型铝板屋面面积约为22000平方米。其龙骨跨度大，为便于施工和防止焊接带来的火灾风险，所有主次龙骨均采用铰接，且铝板及蜂窝铝板的设计分格比较大。验算铝板及蜂窝铝板强度及挠度，对主次龙骨进行整体建模计算防止主次龙骨叠加变形造成屋面变形过大，既可保证飘带造型屋面的平整度，又可优化龙骨，减轻重量，同时保证施工质量。
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图一飘带造型铝板屋面效果图
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图二飘带造型铝板屋面结构平面图
2 幕墙结构形式
屋面飘带造型屋面顶部主要为3 mm单层铝板，底部为25 mm厚蜂窝铝板，其主龙骨250×150×6 mm通过螺栓铰接于桁架主体结构球上，2000×100×6mm铰接于250×150×6 mm钢管，160×80×6 mm与50×50×4 mm钢管铰接于2000×100×6 mm钢管。钢架局部平面图见图三 ~ 图五：
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图三飘带造型铝板屋面上弦球龙骨布置图（局部）
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图四飘带造型铝板屋面下弦球龙骨布置图（局部）
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图五飘带造型铝板屋面节点图（局部）
3 幕墙结构计算
3.1 荷载作用及组合
根据《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）的相关规定，作用在飘带造型铝板屋面的荷载标准值如下：
（1） 恒荷载标准值：0.4 kN/m2(包括面板自重及其它附件自重)
（2） 风荷载取50年一遇基本风压为0.3 kN/m2；抗震设防裂度为7度；地面粗糙度为B类。
（3） μsz:建筑物表面正压区体型系数，按照(GB50009-2012，8.3.3)取1
（4） μsf:建筑物表面负压区体型系数，按照(GB50009-2012，8.3.3)取-2
（5） 基本雪压，按照(GB50009-2012，8.3.3)取0.1 kN/m2；屋面活荷载按不上人屋面取0.5 kN/m2，活荷载与雪荷载不同时考虑，故取较大值进行组合计算。计算时考虑了以下两种最不利荷载组合：
1）1.3恒荷载+1.5风荷载（正）+1.5活荷载×0.7;
2）恒荷载+1.5风荷载（负）
3.1 面板计算
3.1.1 材料力学性能
（1） 3mm单层铝板：铝合金材料弹性模量：0.7×105 N/mm2；材料重力密度标准值：28 kN/m3；泊松比
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=0.3；线膨胀系数
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=2.35×10-5/
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（2） 25mm蜂窝铝板：蜂窝铝板弹性模量：0.14×105 N/mm2；铝合金材料重力密度标准值：28 kN/m3¬¬，铝蜂窝芯重力密度标准值：0.39 kN/m3；泊松比
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=0.25；线膨胀系数
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=2.4×10-5/
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3.1.2 铝单板及蜂窝铝板强度及刚度计算
应用SAP 2000有限元计算软件，建立了铝单板及蜂窝铝板结构计算模型，对两种面板进行了结构计算。计算细节如下：面板及杆件自重由软件自动考虑，面板采用shell单元，加强肋采用beam单元。铝单板最大板块为1350mm×6000 mm，材料为3003-H14，强度校核依据为σ ≤fa= 97N/mm2，挠度校核依据为 U ≤L100 ；加强肋采用50×50×3 mm槽铝，间距为500 mm，强度校核依据: σ ≤ fa = 85.5 N/mm2，挠度校核依据: U ≤ L/300；25mm蜂窝铝板最大板块为1350 mm×6700 mm,强度校核依据为σ ≤fa = 10.5N/mm2，挠度校核依据为 U ≤L120 ；
（1） 经计算，3mm铝单板最大应力为21 N/mm2 ≤ 97 N/mm2，强度满足要求。铝单板最大挠度为4.2mm ≤L100 = 1350/100=13.5mm，挠度满足规范要求。加强肋最大应力为63 N/mm2 ≤ 85.5N/mm2，强度满足规范要求。加强肋最大挠度为3.2mm ≤L300 = 1350/300 = 4.5mm，挠度满足规范要求。铝单板的有限元分析如图六所示。
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图六(a) 铝单板模型
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图六(b) 铝单板应力，N/mm2 ；(c) 铝单板挠度，mm
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图六(d) 铝单板加强肋应力，N/mm2
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图六(e) 铝单板加强肋挠度，mm
（2） 25 mm蜂窝铝板最大应力为3.92 N/mm2 ≤ 10.5 N/mm2，强度满足要求；最大挠度为2.8 mm ≤L120 = 1350/120 = 11.25 mm，挠度满足规范要求。蜂窝铝板的有限元分析如图七所示。
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图七(a) 蜂窝铝板模型
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图七(b) 蜂窝铝板应力，N/mm2; (c) 蜂窝铝板挠度，mm
3.2 钢架计算
钢管材料类别为钢-Q235冷弯，材料弹性模量：2.06×105 N/mm2；材料力密度标准值：78.5 kN/m3；泊松比
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=0.3。强度校核依据为σ ≤fa = 205N/mm2，挠度校核依据为 U ≤L250 ，悬挑杆件挠度校核依据为U ≤2L250 ；计算采用3D3S对钢架建模计算，钢架自重由软件自动考虑，计算模型如下图所示：
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图八(a) 模型
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图八(b) 钢架应力比
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图八(c) 钢架挠度，mm
经计算得到钢架的最大应力比为0.7，小于1，钢架强度满足要求。钢架的最大挠度为17.48mm ≤L250 = 5400/250 =21.6mm,钢架挠度满足规范要求。钢架的有限元分析如图八所示。
4 结论
本文结合成都国际机场旅客过夜用房工程飘带造型铝板屋面的特点，建立了飘带造型铝板屋面面板及钢架有限元计算模型。考虑自重，正负风压及活荷载的共同影响，并依据现行规范的要求，对面板和钢架的强度及挠度进行了分析。计算结果表明，飘带造型铝板屋面的面板及钢架的承载力及变形均能满足要求，能够给优化与控制等相关工程设计和分析提供参考，为防止幕墙受力过大及变形提供有力保障。
参考文献
[1] GB50009-2012《建筑结构荷载规范》
[2] GB/T 21086-2007《建筑幕墙》
[3] JGJ 133-2001《金属与石材幕墙工程技术规范》
[4] JGJ 336-2016《人造板材工程技术规范》