近日，冯若强教授课题组杜辉波博士在TOP期刊《Journal of Building Engineering》 (JCR Q1)发表题为“Research on mechanical performance of novel curtain wall support system”的研究论文。

山东港口大厦的玻璃幕墙为了满足通透性和水平刚度要求，应用了大跨度新型钢扁梁-竖索幕墙支承结构体系。该结构体系采用具有显著方向性刚度的横向钢扁梁代替横向拉索作为水平受力构件承担水平风荷载，保留竖向拉索作为竖向受力构件承担幕墙重力荷载。通过风洞试验获取该结构体系顶部大堂的风压时程，研究了极值风荷载、位移响应、风振系数和等效静风荷载等在最不利风向角下的分布形式和在12个风向角下的变化规律，对极值风荷载、等效静风荷载和规范风荷载进行了比较。进一步，基于结构体系变形后平衡状态推导了该结构体系进行初步设计的计算公式，并将主要力学性能的公式计算结果与Ansys有限元数值结果进行了比较，验证了设计公式的适用性和合理性。

山东港口大厦在顶部空中大堂、中部中庭和底部中庭等3个位置应用了新型大跨度钢扁梁-竖索幕墙支承结构体系，结构体系如图1-5所示。其中，顶部空中大堂玻璃幕墙跨度为42m、高度为31.55m、倾斜角度为0°，位于167.50-199.05m的高空。中部和底部中庭玻璃幕墙最大跨度分别为36m×40.50m和29m×18.00m、倾斜角度均为8°。大跨度钢扁梁-竖索玻璃幕墙由幕墙支承结构体系和外框架组成，其中幕墙支承结构体系包括1400×80钢扁梁、600×80钢扁梁、前拉索、后拉索和吊杆，外框架包括铝合金框架和玻璃面板。

图1 山东港口大厦玻璃幕墙

图2 山东港口大厦渲染图

图3 顶部空中大堂拉索-钢扁梁现场图

图4 山东港口大厦玻璃幕墙钢扁梁现场图

图5 山东港口大厦玻璃幕墙节点图

为提高幕墙结构的通透性和稳定性，并保持玻璃面板竖直，采用两种截面尺寸的扁梁进行组合设计，具体的设计方法和扁梁截面尺寸如图6所示。两种钢扁梁的箱形截面宽度均是80mm，保证了玻璃幕墙的通透性。然而其最大跨度均达到了42m，使得钢扁梁最大跨宽比达到525。且钢扁梁的截面高度分别是1400mm和600mm，使得其高宽比分别达到17.5和7.5，因此钢扁梁在水平风荷载作用下的平面外稳定性分析是至关重要的。

图6 大跨度钢扁梁-竖索玻璃幕墙

为了确定结构体系的力学性能计算公式以进行初步设计，需对结构体系变形后平衡状态进行受力分析，但是对整个结构体系变形后平衡状态进行受力分析是很复杂的。因此选取结构体系的中部截面进行变形后平衡状态的受力分析，结构体系中部截面变形前后尺寸见图 7。 

图6 扁梁-竖索单元变形前后位移和受力示意图

第四章的理论计算方法与有限元计算结果的比较并列于表2中。可以观察到，从数值计算中获得的机械性能值和数值仿真值都符合规范，且两者之间的误差控制在10%以内。误差主要由假设与实际情况之间的差异引起，实际情况验证了设计公式的适用性和合理性。理论计算方法假设所有钢平梁中跨的Y方向变形均匀，Tf1与平梁之间的β角保持不变。然而，在实际条件下，其他CFB1和CFB2构件的跨中变形小于中央段，使β成为变量而非固定值。这种简化导致CFB1和CFB2的最大位移和应力理论值略高于有限元结果。在结构系统稳定性性能的比较中，数值模拟结果与设计假设一致，均表明钢梁的面内强度失效，而非面外扭转屈曲。设计公式计算的载荷因子与数值仿真之间的差异仅为5.56%，所有负荷因子均不低于2.0。这表明所提出的设计公式能够可靠且适用地预测结构系统的整体稳定性。