UHPC新材料在幕墙设计中的结构应用
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摘 要：本文简要介绍一种UHPC超高性能混凝土建筑外装饰结构，此种工程设计应用的工程背景为三沙文体馆幕墙项目实际情况，其表皮自承重受力，融建筑幕墙、泛光照明为一体，对大尺寸外装饰结构设计有一定的借鉴意义。
关键词：UHPC超高性能混凝土;自承重受力; 大尺寸UHPC材料
1 前言
建筑本身位于海南省三沙市永兴岛港口东侧，客运码头大楼南侧，文体馆建筑占地面积约 2646.9m2。包括活动室、天光展厅、图书室、球类馆等。
当地属热带海洋性季风气候，具有“三强”（日照强、台风强、降雨强）和 “三高”（高温、高湿、高盐）特点。所以对于材料的选择非常重要，不仅需要有效抵抗外界有害物质渗透和侵蚀，而且对材料受到干湿交替，温度上升和下降时的尺寸稳定性要求较高，并且自身强度要大，需要抵抗住遭受台风影响。需要考虑到建筑的外观穿孔需求。综上所述，我们进行了材料的比选，并最终选择了UHPC超高性能混凝土板。
2 方案比选
在方案设计初期，采用20mm厚UHPC板材，间隔800mm距离设置幕墙连接件，并且在板材连接处局部加厚，采用背附耐候钢架，支座形式为入槽式连接，保证安装便利性的同时使得钢架与主体的连接更为可靠（如图2）。
由于穿孔率比较大，采用这种方式无法让让背附钢架避开前部的镂空位置，在可视区能看见部分钢架，显得厚重且杂乱，缺少美感 。
作为在三沙地区的文体馆，服务于永兴岛居民及常驻人员的体育，休闲娱乐中心 ，它不仅是建筑立面，更是祖国的大好河山的建筑化寓意，经多方面考虑后采用新型的设计理念：UHPC材料自支撑结构体系。
3 材料方案优点
本项目采用大镂空率超大尺寸穿孔板，无法进行配筋，完全靠材料自身优异的力学实现建筑设计意图，UHPC的优异抗弯性能保证了实现这种异形大镂空率构件的同时，构件具有长期的耐久性。
本项目所处环境具有强烈的日晒和台风影响，干湿及温度变化较大，对材料受到干湿交替，温度上升和下降时的尺寸稳定性要求较高，普通混凝土或者GRC由于吸水率大，弹性模量较小，导致随环境温湿度变化产生较大的体积变形，在约束条件下造成较大的开裂和变形风险。UHPC吸水率极低，体积稳定性好，在温湿度变化较大的环境条件下出现开裂变形的风险大大降低。
本项目位于南海三沙，常年处于较为强烈的盐雾侵蚀环境中，混凝土受到氯离子的渗透作用较大，氯离子和空气中的其他侵蚀介质可以通过混凝土的毛细孔渗透到内部，对钢筋形成腐蚀作用。普通钢筋混凝土无法常年抵御这种侵蚀，UHPC致密性高，耐久性为普通混凝土的数倍，可以有效抵抗外界有害物质渗透和侵蚀。
本项目所处环境具有强烈的日晒和台风影响，干湿及温度变化较大，对材料受到干湿交替，温度上升和下降时的尺寸稳定性要求较高，普通混凝土或者GRC由于吸水率大，弹性模量较小，导致随环境温湿度变化产生较大的体积变形，在约束条件下造成较大的开裂和变形风险。UHPC吸水率极低，体积稳定性好，在温湿度变化较大的环境条件下出现开裂变形的风险大大降低。
UHPC相对GRC而言，致密度高，吸水率大大降低，不易变形，材料性能几乎不随使用时间延长而降低，其体积的稳定性保证了在环境中产生开裂和变形的风险大为降低。这比GRC材料存在易老化，性能衰减有很大的优势。UHPC较高的致密度使得表面孔隙大大减少，外界的污染物不易渗透到构件内部，其抗污性能显著提升。
4 UHPC 面板的穿孔选择及连接计算
4.1 基本参数
基本风压：1.8kPa，阵风系数：1.57，风压高度变化系数：1.41，体形系数：1.6，风荷载标准值：6.37kPa。
4.2 计算说明
一般情况下，对幕墙起控制作用的是风荷载。幕墙面板本身必须具有足够的承载能力，避免在风荷载作用下破碎。沿海地区经常受台风的袭击，设计中应考虑有足够的抗风能力。鉴于设计风荷载对玻璃幕墙设计的重要性，对UHPC幕墙进行风洞试验和风力测试分析，更有利于保证幕墙的安全性。
本部分选取东西立面UHPC系统进行分析，采用130mm厚UHPC板，面板自承重，保证建筑效果。
分析校核的构件包括挂件、UHPC面板荷载的强度（包括UHPC后面部分玻璃幕墙自重荷载、风荷载、地震荷载）。采用有限元计算软件sap2000 V15进行建模分析。
4.3 荷载说明
（1）計算说明。
UHPC 面板幕墙面板承受水平风压，自身重力荷载。
（2）负风荷载：荷载标准值：
Wk=7.96kPa
组合设计值：
qk=8.74kPa
水平地震荷载：荷载标准值：
qck=1.56kPa
4.4 材料属性及其截面参数
UHPC板具有超强力学性能，高韧性，抗疲劳性，超高耐久性及耐候性，耐高温性能，及优异的抗渗性，绝缘性，和优良浇筑及成型性能。超高性能混凝土通过选用优质水泥和其他高活性的微细材料，采用最紧密堆积和纤维增强技术配制而成。所有原材料均不含有对人体和环境有害的成分及物质，为环境友好型的环保无机材料。
本项目中基本分格：
宽×高=2200mm×5150mm
4.5 面板强度校核
东西立面的UHPC板通过软件计算得出uhpc的最大应力如图3。
面板强度设计值：
σ= 13.8MPa
强度设计值： fg=15MPa
面板强度设计值与允许值比值：
k1=σ/fg=0.92≤1
抗弯强度满足规范要求。
采用有限元计算软件ansys进行复核，不同穿孔面板的应力，得出不同板块的最大局部应力分布在支座附近及孔边缘位置，分别为：28.3MPa，35.5MPa，27.2MPa，33.0MPa.大面区域面板应力均小于13MPa。UHPC材料可通过改变纤维种类及含量改变面板强度，孔边及支座附近可通过局部增配钢筋加强来提高强度。
4.6 面板的位移
主体结构最大层间位移比为1/998，因主体结构位移导致面板平面内水平位移为5150×3/998=15.5mm，面板转接件之间预留空隙为6mm，面板变形能力计算值为23.39mm>15.5mm，故面板间隙可完全吸收此主体结构变形引起的位移。
4.7 UHPC背部玻璃幕墙面板强度校核
UHPC后部玻璃幕墙立柱跨度不大，考虑到本地高风压的气候特性，我们选用钢龙骨作为幕墙支撑，龙骨外包铝合金型材，保证建筑外观效果的同时，提高龙骨的耐腐蚀性。立柱吊挂简支梁，采用200×80×8mm镀锌矩形钢管，Q355B钢材，外包铝合金型材。
立柱最大应力为209.6MPa<305MPa，立柱最大挠度为18.9mm，挠跨比1/272<[1/250]。荷载规范中西沙岛上年温差为17[℃]，考虑岛内温差变化大、急的特点，设计时我们按升降30度温差考虑，立柱升温变形量为2.35[×]4700[×]30/100000=3.33mm，考虑施工误差等4mm，立柱总变形量为7.33mm<20mm（立柱预留变形量）
4.8 挂件选择与分析
为确保型材的固定件、连接件不外露，具有较高的工艺观赏性，充分展现机械创造的美感。我们在挂件的连接方式上，初步构思三种方案：
第一种，为减少预埋件的数量，采取集中连接，把四块UHPC板通过连接件和螺栓固定在钢型材上，钢型材与幕墙预埋件焊接（见图4）。
第二种，采取两块UHPC板集中连接，减小连接板的厚度与加劲肋，使整体性能提高，分别与对应的两个预埋件连接（见图5）。
第三种，采取每块UHPC板独立连接的形式。每块板设置4个单独的预埋件。在层间梁的位置处，对于梁的高度和宽度都有所要求（见图6）。
由于“三强”和“三高”的特点，并且风压大，经多方论证分析，前两种方案的连接形式刚度和强度余量较小，选择第三种独立的连接形式。
第三个方案单个面板四点支撑，采用140×140×10的方管与埋件焊接，并开长圆孔，采用M27的不锈钢螺栓与转接件进行可调节连接。
水平反力：
Fh=q[×]A1[×]B1/4=36.71.kN
竖向反力：
Fv=1.3Gk[×]（A1B1）/2=28.72kN
螺栓型号为M27，螺栓材质为不锈钢70，挂件材质316不锈钢，剪切面为2个，螺栓直径：
de1=27mm
采用四点连接。螺栓所受剪力与抗拉承载力比值：
k9=Flsv/Nv=0.19≤1
螺栓抗剪承载力满足规范要求。
5 结束语
根据项目自身情况，结合建筑需求，根据材料特性做出结构优化，三沙文体馆的UHPC板在保证安全的前提下，满足了建筑设计的要求，体现了建筑设计的理念，并在连接方式的选擇上面，提供多种方案可供其他工程借鉴，本设已达到受力与工艺观赏性上的完美呈现。
本次三沙文体馆的UHPC板不仅在结构形式上做出了创新，并实现了多土建专业的协同设计，节省了造价并节约了项目建造时间。同时，也是一次材料科学、建筑美学、结构力学、工程建造等多学科的一次有效探索。本次的UHPC材料在自支撑结构体系中的应用也为可持续优化设计、多学科综合提供一种新思考。
参考文献：
[1] DGJ 08-56—012.建筑幕墙工程技术规范[S].
[2] GB 20429—2007.铝合金结构设计规范[S].
[3] GB/T 21086—2007.建筑幕墙[S].
[4] JGJ 133—2001.金属与石材幕墙工程技术规范[S].
[5] GB 50017—2003.钢结构设计规范[S].
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