南京南站北入口27.80米高幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉子成

(上海中建八局裝飾有限公司，上海 200122)

南京南站北入口27.80米高幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

劉子成

(上海中建八局裝飾有限公司，上海 200122)

京滬高速南京南站屬于特大型旅客站房，其地上部分外立面玻璃幕墻為框架式明框玻璃幕墻，框架結(jié)構(gòu)豎向支點(diǎn)間的最大間距27.8米，屬于典型的大空間大跨度結(jié)構(gòu)形式，由于有關(guān)聯(lián)結(jié)構(gòu)(椽子)和附屬結(jié)構(gòu)(窗花)共同的作用效應(yīng)，因而幕墻的結(jié)構(gòu)受力設(shè)計(jì)較為復(fù)雜。本文以南京南站北入口局部幕墻為研討對(duì)象，介紹了幕墻的力系分解和幾種幕墻結(jié)構(gòu)受力的解決方案，進(jìn)而探討大跨度幕墻的設(shè)計(jì)分析方法。

幕墻;椽子;窗花;懸掛機(jī)構(gòu);內(nèi)置鉸

1 引言

新建京滬高速鐵路南京南站屬典型的中式建筑，由于建筑師在確定立面形式時(shí)，不希望嵌入較多的現(xiàn)代元素，所以盡管北入口玻璃幕墻的單跨高度達(dá)到27.8米，在進(jìn)行其結(jié)構(gòu)形式比較選擇時(shí)，我們還是回避了桁架和索桿這類(lèi)較易解決大跨度受力的結(jié)構(gòu)類(lèi)型，而最終采用了傳統(tǒng)的框架式幕墻結(jié)構(gòu)。

從北入口幕墻立面上看(圖1、圖2)，幕墻除了鋼結(jié)構(gòu)桿件和玻璃面板以外，還有金屬窗花、椽子等建筑元素，它們和立柱、橫梁、玻璃面板一起形成了共同的結(jié)構(gòu)體系，這種結(jié)構(gòu)類(lèi)型之前甚少涉及，幕墻結(jié)構(gòu)體系中部分傳力機(jī)構(gòu)是針對(duì)本工程的專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)。

圖1 北入口內(nèi)立面透視圖

2 結(jié)構(gòu)體系

2.1 結(jié)構(gòu)級(jí)次

(1)門(mén)柱、門(mén)梁構(gòu)成第一級(jí)門(mén)式框架結(jié)構(gòu)，門(mén)柱和柱底埋件作剛性連接;

(2)幕墻鋼箱柱和柱頂平面桁架構(gòu)成第二級(jí)門(mén)式框架，幕墻鋼箱柱通過(guò)內(nèi)置鉸固定在門(mén)柱柱頂上方，鋼箱柱柱頂通過(guò)搖臂機(jī)構(gòu)和屋蓋網(wǎng)架連接;

(3)幕墻橫梁、幕墻次立柱為最終的幕墻面板承載體依附在幕墻主立柱上;鋼箱柱、橫梁、次立柱之間均作剛性連接;

(4)上部椽子一端通過(guò)滑移鉸搭接在幕墻桁架梁上，另一端懸掛在頂部承重鋼梁上，頂部承重鋼梁和網(wǎng)架球剛接。

2.2 結(jié)構(gòu)構(gòu)件選型

(1)門(mén)柱:箱型柱500×250×20×20/Q345

(2)門(mén)梁;箱型方管桁架(弦桿80×80×4/Q235，腹桿50×50×3/Q235)

(3)幕墻主立柱:箱型柱720×250×20×30/Q345、柱底鉸、柱頂搖臂 P121×8/Q235

(4)幕墻橫梁:鋼方管200×120×50/Q235

(5)幕墻次立柱:鋼方管120×120×4/Q235

(6)窗花主梁:定制H型鋼H116×100×6/Q235

(7)頂部椽子:箱型方管桁架(弦桿50×30×3/Q235，腹桿30×30×3/Q235)

2.3 傳力機(jī)構(gòu)

(1)柱頂平面桁架(圖3):設(shè)置柱頂桁架是為了承載幕墻體系的全高度累集自重，并給椽子的搭接生根。

(2)鋼箱柱柱底鉸:幕墻體系的載荷最終通過(guò)鋼立柱傳遞到主體結(jié)構(gòu)上，鉸支座是消除彎矩的常見(jiàn)設(shè)計(jì)手法，由于從建筑設(shè)計(jì)角度考慮希望幕墻構(gòu)件看上去古樸莊重，所以將幕墻柱底鉸隱藏在大立柱空腔內(nèi)(圖4)。

(3)柱頂搖臂:柱頂搖臂只是用來(lái)平衡水平風(fēng)力，在多數(shù)情況下，搖臂是垂直于幕墻平面的，由于本工程幕墻的分格模數(shù)和網(wǎng)架球節(jié)點(diǎn)不完全吻合，所以本設(shè)計(jì)存在兩種類(lèi)型的搖臂形式:直搖臂和斜搖臂，從圖5可看出斜搖臂是對(duì)稱(chēng)布置的，在風(fēng)載荷作用下，搖臂軸力的水平分量能相互抵消。

為了在風(fēng)載荷作用下箱型柱不產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)，斜搖臂作用點(diǎn)向心布置(圖6)。

(4)椽子的懸掛機(jī)構(gòu):由于幕墻體系的剛度遠(yuǎn)大于椽子體系的剛度，所以椽子和幕墻之間不宜進(jìn)行水平力傳遞，否則幕墻的位移將會(huì)對(duì)椽子構(gòu)件產(chǎn)生直接破壞，設(shè)計(jì)采用了懸掛裝置及雙向擺動(dòng)鉸來(lái)實(shí)現(xiàn)解決這個(gè)問(wèn)題(圖7-圖10)。

a)窗花的結(jié)構(gòu)

窗花在建筑效果上要追求通透，所以將窗花的裝飾構(gòu)件納入了受力體系作綜合受力分析。窗花的橫梁設(shè)計(jì)成H型鋼，可以利用其內(nèi)凹空間來(lái)放置玻璃裝配構(gòu)件。

圖11 窗花建筑及結(jié)構(gòu)立面

圖12 窗花裝配結(jié)構(gòu)詳圖

2.4 結(jié)構(gòu)分析

本設(shè)計(jì)采用SAP2000有限元分析軟件做整體建模分析，從撓度和承載力兩個(gè)方面對(duì)結(jié)構(gòu)體系的每個(gè)局部單元進(jìn)行分別校核。

10+A12+10玻璃面板及鋁合金附件的自重標(biāo)準(zhǔn)值取值0.60KN/M2，幕墻大面的風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值取值采用風(fēng)洞試驗(yàn)的結(jié)果數(shù)據(jù)1.16KN/M2(圖13)，地震力按照底部剪力法由分析軟件自動(dòng)加載，作用效應(yīng)組合主要考慮不同風(fēng)向的兩種典型組合類(lèi)型:

撓度組合:COMB1=1.0 DEAD+1.0 WIND+0.50 QUAKE

強(qiáng)度組合:COMB2=1.2 DEAD+1.4 WIND+0.65 QUAKE

分析模型見(jiàn)圖14。

2.5 體系的撓度

按照《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》，鋼結(jié)構(gòu)幕墻立柱橫梁在風(fēng)載荷作用下的變形控制指標(biāo)為1/250，本幕墻的主立柱高度達(dá)到27.80 m，適當(dāng)加大立柱的剛度有利于結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定，特別是抑制立柱的P-D效應(yīng)，本設(shè)計(jì)將主立柱的變形控制指標(biāo)確定為1/350。

(1)自重下結(jié)構(gòu)體系撓度:對(duì)于超高幕墻，應(yīng)該考慮到恒載引起的橫梁沉降，當(dāng)沉降超標(biāo)或造成觀感下降時(shí)，應(yīng)對(duì)橫梁進(jìn)行反變形預(yù)調(diào)，圖15為體系在DEAD工況的變形云圖，圖形顯示結(jié)構(gòu)自重下幕墻大面的沉降量最大值為2.49 mm，相對(duì)變形值 =2.49/2 000=1/803，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

(2)垂直于玻璃面的風(fēng)載荷WIND_Y標(biāo)準(zhǔn)值下結(jié)構(gòu)體系撓度。

圖13 載荷模式及取值

圖16為WIND_Y工況的變形云圖，圖形顯示:

懸臂門(mén)柱的最大變形值為15.99mm，相對(duì)變形值 =15.99/3 855=1/241;

鋼箱柱在風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值下的最大變形量為84mm，相對(duì)變形值=(84-15.99)/(27 800-3 855)=1/352;

橫梁在風(fēng)載荷標(biāo)準(zhǔn)值下的最大絕對(duì)變形為94mm，相對(duì)變形值=(94-84)/8 000=1/800;

門(mén)柱、箱型柱、橫梁的撓度值均滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。3)圖17為平行于玻璃面風(fēng)載荷WIND_X標(biāo)準(zhǔn)值下結(jié)構(gòu)體系撓度:平行于玻璃面風(fēng)載荷WIND_X主要影響對(duì)象是頂部椽子，在WIND_X工況下，頂部椽子的位移量為4mm，相對(duì)變形值=4/5 000=1/1 250，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

2.6 體系桿件承載力(強(qiáng)度)校核

體系的承載力校核方法是將各級(jí)桿件分類(lèi)，利用圖表或色示圖將各強(qiáng)度組合工況下的應(yīng)力比輸出，設(shè)計(jì)控制應(yīng)力比為0.95，當(dāng)應(yīng)力比超標(biāo)時(shí)應(yīng)調(diào)整設(shè)計(jì)。

圖16 WIND_Y工況下體系變形云圖

圖17 WIND_Y工況下椽子變形云圖

(1)門(mén)柱為懸臂構(gòu)件，其根部承受較大的彎矩，桿件最大應(yīng)力比列表如表1，其最大應(yīng)力比0.81，從表1中可清楚看出彎矩應(yīng)力為控制應(yīng)力:

表1 門(mén)柱桿件PMM應(yīng)力比

(2)鋼箱柱兩端鉸接，由于跨度較大所以在桿件中部有較大的彎矩，桿件最大應(yīng)力比前5最值列表如表2，其最大應(yīng)力比0.46，同樣，其彎矩應(yīng)力為控制應(yīng)力:

表2 幕墻鋼箱柱桿件PMM應(yīng)力比

圖18分別表示門(mén)柱及鋼箱柱在強(qiáng)度組合COMB2工況下的軸力(左上)、剪力(右上)、弱軸彎矩(左下)、強(qiáng)軸彎矩(右下):

圖18 門(mén)柱及鋼箱柱內(nèi)力圖

(3)幕墻橫梁最大應(yīng)力比前5最值列表如表3，桿件最大應(yīng)力比0.89，幕墻橫梁為雙向受彎構(gòu)件，其強(qiáng)軸彎矩為主要控制因素:

表3 幕墻橫梁桿件PMM應(yīng)力比

圖19分別表示幕墻橫梁在強(qiáng)度組合COMB2工況下的軸力(左上)、剪力(右上)、弱軸彎矩(左下)、強(qiáng)軸彎矩(右下):

圖19 幕墻橫梁內(nèi)力圖

(4)幕墻次立柱最大應(yīng)力比前5最值列表如表4，桿件最大應(yīng)力比0.54，幕墻次立柱亦為雙向受彎構(gòu)件，其強(qiáng)軸彎矩為控制因素:

表4 幕墻次立柱桿件PMM應(yīng)力比

下面的色示圖分別表示幕墻次立柱在強(qiáng)度組合COMB2工況下的軸力(左上)、剪力(右上)、弱軸彎矩(左下)、強(qiáng)軸彎矩(右下):

圖20 幕墻次立柱內(nèi)力圖

結(jié)論:經(jīng)過(guò)對(duì)幕墻桿件的撓度和強(qiáng)度的驗(yàn)算分析，證明幕墻體系的變形成都和承載力滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)語(yǔ)

對(duì)于受力狀態(tài)較為復(fù)雜的幕墻體系，可將整體結(jié)構(gòu)分類(lèi)為較小和較為簡(jiǎn)單的單元模塊，先行解決小單元模塊的受力狀態(tài)，初步確定單元內(nèi)的各桿件尺寸和材質(zhì)，再分析各單元模塊之間的力學(xué)傳遞狀態(tài)，設(shè)計(jì)出傳力機(jī)構(gòu)和節(jié)點(diǎn)，最后將單元模塊進(jìn)行合并進(jìn)行整體分析，采用這種方法能有效減少設(shè)計(jì)難度和計(jì)算分析的工作量。

［1］肖銘.《2007建筑細(xì)部年鑒》［M］.華中科技大學(xué)出版社，2007，(7).

［2］崔佳等.《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范理解與應(yīng)用》［M］.中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004，(3).

［3］中國(guó)建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)研究院.《SAP2000中文版使用指南》［M］.人民交通出版社，2006，(9).

The Structure Design of 27.80-meter-curtain Wall for North Entrance of Nanjing South Station

Liu Zicheng

(China Construction Eighth Engineering Division Decoration Co.，Ltd.，Shanghai200122，China)

Nanjing South Station is the large passenger station for Beijing-Shanghai high-speed railway.The fa?ade glass curtain wall over ground is exposed frame glass curtain wall and the maximum distance of frame Structure between fulcrums is the 27.8 meters，which belongs to typically large space and long-span structure.Because of the common effect of associated structure(rafters)and subsidiary structure(grilles)，the suspension structure design for curtain wall is very complicated.In this paper，the north entrance curtain wall of Nanjing South Station is discussed and the solution of suspension structure for curtain wall is introduced.Finally，it reveals the method of long-span curtain wall design.

Curtain Wall;Rafters;Grilles;Suspension Structure

TU382

A

1674-7461(2011)01-0013-08

劉子成(1970-)，副總經(jīng)理，高工。主要從事裝飾工程結(jié)構(gòu)方面的研究。E-mail:1175947287@qq.com