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摘要：本文介紹了北京首都國際機場專機與公務機樓玻璃幕墻工程栓接T型鋼梁的結構設計，分析了栓接T型鋼梁結構受力特點，采用了非線性有限元計算方法，并通過結構實驗進行了驗證。
關鍵詞：幕墻結構、栓接T型鋼梁、結構實驗。
1.工程概況
北京首都國際機場專機與公務機樓工程位于北京首都國際機場內(如圖1)，總用地面積為178222平方米，新建專機與公務機樓面積為6352平方米，地上兩層，局部夾層，主體結構（詞條“主體結構”由行業大百科提供）形式采用鋼結構。整個專機與公務樓分二期進行，其中一期工程包括專機與公務機樓、交運行李服務樓和停車場服務樓三座建筑及室外道路、廣場、綠化、停車場及室外管線等，二期為公務機停機坪遠期發展用地、附屬設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專機與公務機樓立面效果
北京首都國際機場專機與公務機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構采用了栓接T型鋼梁結構(如圖2)。
圖2栓接T型鋼梁節點構造示意圖
2.結構說明
專機與公務機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構的受力產生不利影響。所以這種設計必然導致工藝復雜，施工周期長。為了保證進度，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高強螺栓連接，間距300mm，加勁板兼平面（詞條“平面”由行業大百科提供）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過試驗和理論分析驗證。
圖3栓接T型鋼結構布置圖
3.材料性質
栓接T型梁的主體結構采用Q235鋼，其材料的本構關系曲線見圖4(a)。螺栓采用8.8級M8高強螺栓，有效截面直徑6.827mm。有效截面面積S=36.587mm2。該類螺栓的抗拉，抗剪強度檢測值分別為：Ft=32.67KN;Fv=25.83KN。所以根據《鋼結構設計規范(GB50017-2003)》，其屈服強度為：fu=32.67/36.587×1000=892.94Mpa;抗拉強度設計值（詞條“強度設計值”由行業大百科提供）ft=fu/2=446Mpa;抗剪強度設計值fv=Fv/s/2.5=282Mpa。該螺栓經測試滿足規范規定的抗拉強度設計值ftb=400n/mm2;抗剪強度設計值fvb=250N/mm2的要求。螺栓由于是高強鋼，其本構關系采用雙折線模型，見圖2(b)，曲線強化段Es=0.03E。結構計算采用美國CSI公司的結構設計軟件Sap2000進行結構的初步分析。采用美國ANSYS公司著名的通用有限元分析軟件ANSYS進行詳細的三維結構有限元分析。
圖4鋼材應力應變關系曲線
4.結構分析荷載
4.1標準荷載
北京地區基本風壓:0.45KN/m2;抗震設防烈度：8度(0.20g);地面粗超度:B類;風荷載體型系數：1.2;玻璃橫向網格為1.548米, 設計標高10.6米。T型鋼為連續梁（詞條“連續梁”由行業大百科提供），總長10.04米，一層跨度5.17米，二層跨度4.89米。
幕墻構件自重標準值：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風荷載計算
標高為10.600m處風荷載計算:
Wk=βgz×μz×μs×W0 (GB50009-2001)
式中：Wk---作用在幕墻上的風荷載標準值(kN/m2)，方向垂直于板面;
βgz---10.600m高處陣風系數(按B類區計算);
μf=0.5×(10.600/10)-0.16=0.495;
βgz=0.89×(1+2×0.495)=1.772;
μz---10.600m高處風壓高度變化系數(按B類區計算)，μz=(10.600/10)0.32=1.020;
μs---風荷載體型系數，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---水平地震作用標準值(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”由行業大百科提供）
qK：荷載組合標準值(kN/m2);
q：荷載組合設計值(kN/m2);
風載：組合系數1.00，分項系數1.40;
地震荷載：組合系數0.50，分項系數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：
強度工況：
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工況2 |
1.0恒載+1.4正向風載+0.5×1.3地震荷載 |
|
工況3 |
1.0恒載+1.4負向風載+0.5×1.3地震荷載 |
5.結構初步分析及試驗設計
5.1結構初步分析
根據實際結構布置，我們進行結構的初步分析，采用SAP2000結構計算軟件，結構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，我們設定翼緣和腹板之間2mm間隙(實際結構遠沒有這么大)，初步分析結構模型中不考慮實際結構中連接耳板的作用。結構的分析模型如圖5。經過分析后得到結果如表1。
表1 實際結構的初步分析結果匯總
圖5栓接T型鋼初步分析模型
根據結構的初步分析可以得出，栓接T型鋼在5.7米標高有面內支承，形成連續梁結構，結構的剛度能夠滿足要求規范要求，因為未考慮材料塑性，所以栓釘的剪力（詞條“剪力”由行業大百科提供）值只是理想彈性狀態下的結果，但大體反應了栓釘群受力狀態。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，在結構整體計算通過的情況下，結構的薄弱環節就是連接部分了。栓接T型鋼的栓釘承載力對整個結構的耐久性（詞條“耐久性”由行業大百科提供）至關重要。因此我們決定對T型鋼進行靜力和10萬次疲勞測試，以確保結構安全。試驗目的:a.考察栓釘連接方式的T型鋼在靜力和動力作用下的結構性能。B.驗證理論分析的是否正確。我們委托東南大學工程結構與材料試驗中心進行該項試驗。
為了真實的模擬T型鋼梁的實際可能的荷載狀態，本次采用高頻疲勞和低周頻勞滿負荷試驗，試驗要求T梁的下弦最大應力幅達到150Mpa左右，另外由于疲勞機噸位較大，結構的剛度不能太小，否則無法成功循環加載。由于T型鋼總長10米，采用1:1模型試驗有困難，根據栓接T型鋼的初步分析中栓釘的剪力分布情況，依據栓釘剪力和彎矩等效原則，考慮結構疲勞試驗要求，我們分別采用2.1米跨度梁承受高頻4KN～26KN正弦波循環荷載，4.2米跨度梁承受低周4KN～14KN正弦波循環荷載。這樣既接近實際鋼梁尺寸，又能夠有足夠的剛度使疲勞機加載能夠得以順利進行。兩種跨度梁均采用試驗室易于實現的簡支條件，相對于實際結構的連續梁體系，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.有限元精細模型分析
為了更準確的分析結構的真實受力狀態，我們又采用ANSYS軟件進行精細模型分析，栓接T型鋼的有限元精細模型見圖 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個節點，每個節點3個自由度，能夠適用于彈塑性，幾何非線性等結構分析中。由于在螺栓擰緊后，螺帽（詞條“螺帽”由行業大百科提供）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，沒有進行嚴格的扭力測試，預緊力無法估出，故在精細模型中不計螺栓預緊力。在該模型中還將T型鋼梁平面外連接板作用考慮在內，經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型鋼有限元精細模型
栓接T型鋼與焊接T型鋼(未經過焊縫磨平)的承載力和剛度的區別也為我們所關注，所以我們還進行了焊接T型鋼的精細模型分析，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。
下面首先進行的是與實驗結構相同T型鋼梁的理論分析。由于T梁的幾何和受載具有對稱性，根據結構對稱原理，選取T型鋼模型一半進行分析。
6.1焊接T型鋼分析結果
焊接T型鋼梁有限元力學模型見圖7。
圖7 焊接T型鋼梁有限元力學模型
6.1.1工況2(11.7KN)作用下結構變形和應力分布
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給出荷載值)。圖8～9給出了在工況2作用下結構的位移和應力分布。
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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型梁的應力分布
6.1.2在極限荷載(45KN)條件下結構的變形和應力分布
在極限荷載(45KN)條件下結構的變形和應力分布如圖10～11。由圖11可以看出，在達到最大承載力時，結構跨中截面幾乎全部進入塑性，形成塑性鉸，結構成為機構，從而喪失承載能力。
圖10 45KN荷載作用下焊接T型梁的應力分布 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)作用下結構變形和應力分布
工況2(11.7KN)條件下結構的變形和應力分布如圖13～14,工況2(11.7KN)條件下結構中受力最大的栓釘應力分布如圖15～16。圖12中由于支座附近的應力集中，其發生局部塑性。在跨中，截面未進入塑性。
圖13工況2(11.7KN)作用下結構變形 圖14工況2(11.7KN)作用下結構應力分布
圖15工況2作用下受力最大的栓釘應力分布 圖16工況2作用下受力最大的栓釘應力分布(橫截面)
通過栓釘的受力可以看出，受力最大的栓釘，部分進入塑性，但沒有進入全截面塑性。
6.2.2極限荷載條件下(36.8KN)結構變形和應力分布
極限荷載條件下(36.8KN)結構變形和應力分布如圖17～18，極限荷載條件下(36.8KN) 結構中受力最大的栓釘應力分布如圖19～20。與焊接T型鋼梁類似的是，在極限狀態，跨中截面僅有中和軸附近截面而其余大部分截面進入塑性，進而形成塑性鉸，結構失去承載能力。
圖17 36.8KN作用下結構變形圖 圖18 36.8KN作用下結構應力分布圖
圖19 36.8KN作用下受力最大的栓釘應力分布 圖20 36.8KN作用下受力最大的栓釘應力分布(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
將理論分析結果與試驗結果比較可得圖21～22。
圖21 2.1米栓接T型鋼梁理論分析與實驗結果比較 圖22 4.2米T型鋼梁理論分析與實驗結果比較
通過，圖20～21可以發現，栓接T型梁的精細模型分析得到的結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，證明該精細有限元分析模型合理，能夠用來準確分析栓接T型鋼梁的受力狀態。由圖20看出，由于1.2米一對連接板存在，增強了栓接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型鋼梁沒有發現螺栓進入全截面塑性，在13.5KN荷載作用下，有4根螺栓退出工作，占栓釘總數的26.6%，而這個荷載工況在疲勞試驗中得到體現，經過10萬次循環，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。當然，隨著這個比例的加大，T型鋼梁的承載能力也逐漸達到極限。
7.實際尺寸栓接T型鋼梁承載力分析
按照圖3所示實際結構，采用有限元精細模型進行分析，其有限元模型如圖23。在工況2作用下，分析結果如圖24～28所示。
圖23 10米栓接T型鋼有限元模型
圖24工況2作用下結構變形圖 圖25工況2作用下結構應力分布圖
圖26工況2作用下螺栓孔應力分布圖 圖27 工況2作用下螺栓應力分布圖
圖28 工況2作用下螺栓應力分布圖(橫截面)
根據圖23～28可知，在工況2作用下，栓接T型鋼的位移最大17mm，對應樓層為一層，跨度5.17米，撓度比值為1/304，滿足規范要求。T型鋼主體結構的最大米塞斯應力為444Mpa,但該應力出現在螺栓孔周圍，翼緣和腹板中米塞斯應力最大為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了全截面塑性狀態，共4根，占栓釘總數的11.7%。如果局部栓釘過早進入全截面塑性狀態，對結構的變形和承載力均不利，容易導致結構產生不可逆變形，同時承載力會下降。為了避免在設計荷載(工況2，3)作用下有栓釘進入全截面塑性，在施工圖設計當中對原方案進行了整改。
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行間斷焊加固鋼梁，從而減小支座附近的栓釘剪力，以達到避免栓釘進入全截面塑性狀態的目的。間斷焊接在精細模型中(圖29)中得以體現。
圖29 整改方案有限元模型局部示意
圖30 結構整改后工況2作用下變形圖 圖31 結構整改后工況2作用下應力分布圖
圖31 整改后工況2作用下受力最大螺栓應力分布圖 圖32 整改后工況2作用下受力最大螺栓應力分布圖(橫截面)
圖33 結構整改后工況3作用下變形圖 圖34 結構整改后工況2作用下變形圖
8.2實際結構采用精細模型整改前后計算結果匯總
表4 整改前結構計算結果
表5 整改后結構計算結果
圖35 整改前后實際結構荷載位移曲線
根據整改后，結構的分析結果可知，在設計荷載作用下，結構中沒有栓釘進入全截面塑性，結構承載力增加了大約13%。
9.結論
a.通過試驗和理論分析結果對比,可知我們采用的精細有限元模型能夠正確反映栓接T型鋼梁的受力狀態,分析結果合理可靠;
b.經過理論分析可知,本工程中栓接T型鋼梁整體的剛度和承載力能夠滿足規范要求;
c.栓接T型鋼連接件（詞條“連接件”由行業大百科提供）的耐久性經過了權威檢測機構的疲勞試驗驗證;
d.在實際結構分析的時候發現，在設計荷載作用下，結構中有少量栓釘進入全截面塑性。鑒于首都機場專機樓幕墻工程的重要性，必須保證結構在設計荷載內絕對安全，根據檢測報告和理論分析結果，該幕墻工程栓接T型鋼作了適當整改，在確保在設計荷載作用下無栓釘進入全截面塑性的同時，進一步提高栓接T型鋼的承載力。
作者單位： 江蘇省裝飾幕墻工程有限公司
江蘇合發集團有限責任公司
