滑動式天窗屋蓋開合的數值模擬及現場監測研究

何 曦

(四川大學建筑與環境學院， 四川成都 610065)

隨著社會的進步和生活水平的提高，人們對居住生活環境的要求越來越高，綠色、環保成為了當代建筑的發展趨勢?；瑒邮轿萆w是人們以向往大自然空氣、陽光和天空為動機，將不斷發展的建筑結構設計理念和機械設備安裝技術相結合的產物，它是集建筑、結構、機械、控制等諸多領域于一體的綜合技術的體現。開合式屋蓋建筑已然成為一個越來越重要的發展趨勢，我國著名建筑大師馬國馨院士更把開合屋蓋建筑稱之為第三代建筑[1-2]。在歐美、日本等發達國家，開合式屋蓋建筑的研究取得了輝煌的成就[3]。隨著我國綜合國力的增強以及體育的發展，也不斷涌現出大型的開合式屋蓋體育場[7-10]。國內現已建成的大型開合屋蓋建筑有2000年建成的浙江黃龍體育場、2005年建成的上海旗忠網球館、2006年建成的南通體育會展中心以及2011年建成的鄂爾多斯東勝體育場。文章將結合貴陽市西南國際商貿城工程，對該工程某一區域的滑動式玻璃天窗屋蓋進行數值模擬和現場監測，確定玻璃天窗屋蓋是否具有良好的安全性和穩定性。

1 工程概況

貴陽西南國際商貿城，位于貴陽市觀山湖區西南部，規劃面積約10 km2，總建筑面積約1 420×104m2，是一個集市場經營、國際貿易、現代物流、電子商務、次級CBD于一體的大型綜合性商業集群，工程效果見圖1。該項目商業步行街采用開合屋蓋結構，其上安裝可以整體平動開合的滑動玻璃天窗。玻璃天窗屋蓋采用鋼化夾膠玻璃作為防水層，與型鋼梁網架組合成獨立板塊，型鋼梁網架設置6組12個滑輪，并擱在下部主承重鋼梁上的軌道系統上，通過齒條傳動機構和消防聯動系統自動啟閉，滿足采光、封閉、消防排煙要求；下部主承重構件為伸臂式箱型鋼梁。屋蓋采用雙坡屋頂的形式，每片開合屋蓋為(10.8×10.8) m2的正方形，由42塊鋼化夾膠玻璃作為防水層，每片鋼化夾膠玻璃重量為250 kg，防水層自重較大。每片開合屋蓋都由屬于自己的驅動設備控制其開閉運行，操作控制互不影響。

文章將以貴陽西南國際商貿城一期工程2#地塊為例對該區域的滑動式玻璃天窗屋蓋進行數值模擬和現場監測。2#地塊的玻璃天窗覆蓋面積為11 691.11 m2，玻璃天窗主骨架設計為鋼結構，以相鄰單體的鋼筋混凝土柱作為下部傳力構件，設計和施工考慮了地震、溫度等引起的水平位移。

圖1 貴陽西南國際商貿城項目一期工程效果

2 數值模擬

2.1 模型建立與荷載取值

為了了解滑動式天窗屋蓋在開閉過程中的受力情況，將滑動屋面與底部支承結構分開，采用單獨分析方法，利用有限元軟件Midas 建模并進行結構受力分析，計算模型如圖 2所示。作用在鋼梁上的移動荷載可分為間距保持不變的幾個集中力和均布荷載，為了簡化問題，先分析單個移動荷載，再根據疊加原理分析多個荷載以及均布荷載作用的情況。由于移動荷載的作用位置是變化的，使得結構的支座反力、截面內力、應力、變形也是變化的。因此，在移動荷載作用下，通過分析結構內力、反力或變形隨荷載位置移動而變化的的影響線來研究滑動天窗在開合運行狀態時的動力響應。

圖2 Midas模型

2.2 結果分析

限于篇幅，僅給出部分雙拼工字型鋼梁各個控制截面的位移和彎矩的影響線(圖3～圖5)。分析各個控制截面及梁單端的內力影響線計算結果，得出最大位移為0.002 mm，最大彎矩僅為2.62 kN·m。由以上數值模擬結果可以看出，玻璃天窗在開合運行過程中，對屋蓋鋼梁內力和變形的影響很小。

圖3 雙拼工字型鋼梁單元i節點的位移影響線

圖4 雙拼工字型鋼梁單元i節點的彎矩影響線

圖5 雙拼工字型鋼梁單元1/2處的彎矩影響線

3 現場監測

3.1 監測內容及設備

對滑動式天窗屋蓋施工過程及使用階段關鍵部位構件進行監測，跟蹤結構構件施工過程中的內力變化，可以確保屋蓋結構的穩定性和安全性。本項目通過對滑動玻璃天窗的鋼梁主要控制截面應力、振動數據進行監測，分析其在玻璃天窗運動至不同位置時的應力變化情況以及在不同受力狀態下振動信號和振動頻率的變化情況。本次監測的設備如表1所示。

表1 試驗儀器及設備一覽

3.2 監測方法及測點布置

(1)應力監測。根據2#地塊玻璃天窗的實際布置，選取A-B樓的屋頂為監測對象，在A-B樓軸線為AK、AL的兩榀鋼梁上布置相應的應力測點。每榀鋼梁上各布置7個應力測點(1#～14#)，分布在21.6 m跨鋼箱梁及10.8 m跨工字鋼梁的1/4、1/2、3/4等分點處。同時為明確AK、AL兩榀鋼梁之間的相互作用，在AK、AL兩榀鋼梁中跨跨中的系梁上布置2個應力測點(15#、16#)，受現場測點安裝的條件限制，將布置在AK、AL兩榀鋼梁中跨跨中系梁上的15#、16#測點調整為AM、AN兩榀鋼梁邊跨跨中工字鋼之間的系梁上。應力測點平面布置如下圖6所示。

圖6 應力測點平面布置示意

應力監測工況分別為：①工況I：AK、AL兩榀鋼梁上的滑動天窗從邊跨工字鋼上(即天窗處于完全打開狀態)滑移至中跨鋼箱梁上(即天窗處于完全閉合狀態)。當滑動天窗移動至相應等分點且靜止穩定后，采集相應狀態下測點(1#～14#)的應力數據。②工況II：AK、AL兩榀鋼梁上的滑動天窗從中跨鋼箱梁上滑移至邊跨工字鋼上，數據采集同工況I。③工況III：AM、AN兩榀鋼梁上的滑動天窗從中跨鋼箱梁上滑移至邊跨工字鋼上，當滑動天窗移動至相應等分點且靜止穩定后，采集相應狀態下測點(15#、16#)的應力數據。

(2)振動監測。 將拾振器布置于鋼箱梁和工字鋼的跨中位置，在滑動玻璃天窗處于打開、關閉兩個靜止狀態下，測試鋼梁靜止狀態下的固有頻率；在滑動玻璃天窗移動至鋼梁各個1/8等分點處，待鋼梁在相應位置靜止穩定時，分別測試各位置鋼梁相應的脈動頻率。此外，在滑動玻璃天窗從完全關閉至完全打開以及從完全打開至完全關閉的滑移運動過程中，測試鋼梁的實時受迫振動豎向加速度值及頻率。

3.3 監測結果及分析

3.3.1 應力監測結果及分析

限于篇幅，僅給出在工況I下部分測點(8#～14#)的應變數據如表2所示。根據表2，測點9#、12#的實測數據有較明顯的變化趨勢，選取以上典型測點繪制相應的天窗位移—應變圖，如下圖7、圖8所示。

表2 工況I實測應變數據

圖7 測點9#工況I天窗位移-應變曲線

圖8 測點12#工況I天窗位移-應變曲線

分析監測結果，當天窗位于滑移軌道不同位置時，中跨鋼箱梁的實測應變范圍為-101.9～118.0 με，邊跨工字鋼實測應變范圍為-110.5～103.6 με，鋼箱梁間的連系梁及玻璃天窗網架的應變并不隨滑移位置變化而產生變化，可忽略不計。結果表明，現場監測的應變范圍均在鋼材的彈性應變范圍，其應力范圍也小于鋼材的屈服強度，能保證滑動式天窗鋼梁的結構安全運行條件，即使滑動天窗頻繁開合，其往復荷載也不易使鋼結構箱梁和雙拼工字梁到達疲勞極限。

3.3.2 振動監測結果及分析

(1)脈動頻率實測數據。在工況I測試過程中，僅考慮天窗位置的改變而不考慮天窗的運動效應，天窗處于不同位置時均為靜態不動，實測鋼梁的頻率即為脈動頻率(一階豎向固有頻率)。對工況I各不同狀態進行測試，得到各工況下脈動實測頻率數據，如表3所示。在脈動狀態下，鋼梁由脈動引起的豎向加速度極小(<0.005 m/s2)，故表中未列出相應狀態下拾振器的實測加速度值。由于脈動頻率測試狀態較多，僅示出中跨跨中脈動實測波形及頻譜分析，如下圖9、圖10所示。

表3 各工況脈動頻率測試數據

圖9 中跨跨中拾振器實測時程曲線

圖10 中跨跨中拾振器頻譜分析

(2)強迫振動實測數據。當滑動天窗開始運動，鋼梁受天窗滑移影響產生強迫振動，振動頻率及幅值均明顯與脈動測試不同。天窗從完全打開至完全閉合以及從完全閉合至完全打開兩個過程中，實測鋼梁的強迫振動頻率及豎向加速度值如表4所示。限于篇幅，僅給出滑動天窗從完全打開至完全閉合過程中，中跨的拾振器實測時程曲線及相應的頻譜分析圖如下圖11、圖12所示。

表4 移動過程中實時振動測試數據

圖11 中跨跨中拾振器實測時程曲線

圖12 中跨跨中拾振器頻譜分析

分析監測結果，當天窗位于滑移軌道不同位置時，中跨鋼箱梁實測脈動振動頻率范圍為10.74～14.65 Hz，邊跨工字鋼實測脈動振動頻率范圍為10.16～11.13 Hz。在天窗滑移過程中，中跨鋼箱梁由滑動引起的最大豎向加速度為0.304 m/s2，實測強迫振動頻率為13.87 Hz；邊跨工字鋼由滑動引起的最大豎向加速度為0.089 m/s2，實測強迫振動頻率為8.98 Hz。結果表明，玻璃天窗由于構件安裝誤差導致的結構次生應力很小，玻璃天窗運行過程中的豎向加速度也控制在安全范圍內，能確保玻璃天窗安全開合運行。

3.4 數值模擬與現場監測對比分析

通過數值模擬得到屋蓋鋼結構箱梁和雙拼工字梁隨玻璃天窗滑動的影響線。表5所示為兩根鋼箱梁連接處(節點20)的影響線控制節點位移數值。以滑動天窗在(0/8)×L處的豎向位移為基準，按照現場監測的分段方式，求出滑動天窗每行走(1/8)L距離時，節點20處的相對位移(單位力作用下的位移值，單位mm)，如圖13所示，分析發現其與圖8所示的現場監測應變結果有著相似的變化規律。同時，分析表5可知，當滑動天窗運行至(8/8)×L時，節點20處的相對位移最大，這和現場測試結果類似。

表5 節點20影響線控制節點位移數值

圖13 鋼箱梁節點20處滑動天窗豎向位移曲線

4 結論

本文通過數值模擬和現場監測分析了滑動式天窗屋蓋在開合過程中的受力變形和振動情況，得出以下結論：

(1)數值計算所得的屋蓋鋼結構箱梁和雙拼工字鋼梁隨著玻璃天窗滑動時的位移影響線曲線和現場監測的位移-應變曲線有著相似的變化規律。

(2)數值模擬的最大位移和最大彎矩均很小，可見玻璃天窗得開合運動對屋蓋鋼梁內力和變形的影響很??；現場監測的應變遠遠小于鋼材的彈性應變，應力也遠小于所用鋼材的屈服強度，可見即使滑動天窗頻繁開合，其往復荷載也不易使鋼結構箱梁和雙拼工字梁到達疲勞極限。

(3)天窗滑移過程中屋蓋鋼梁的實測脈動振動頻率較小，能滿足構件安全運行的限制。且當樓蓋結構的豎向自振頻率大于3.3 Hz時，其人致振動舒適度一般能滿足要求。

(4)滑動天窗運行時的振動加速度很小，能夠滿足安全和舒適度要求。