某超高層結(jié)構(gòu)塔冠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

周 旋

(同濟(jì)大學(xué)建筑設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

1 工程概況

某超高層結(jié)構(gòu)辦公樓項(xiàng)目主要包括一棟超高層建筑及其裙房。辦公樓主樓全高約280 m，包括框架-核心筒體系的主體塔樓和位于塔樓頂部的鋼結(jié)構(gòu)塔冠觀光平臺。

該項(xiàng)目的塔冠結(jié)構(gòu)布置形式非常規(guī)則對稱，體現(xiàn)了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的簡潔之美。在平面上，外圍由四片完全相同的立面桁架組成，通過角部的弧形過渡聯(lián)系圍成盒式結(jié)構(gòu)；在立面上，中間部分是一個對稱的重型設(shè)備支架，下端支承于主樓核心筒上，主要用于擱置天線、擦窗機(jī)等設(shè)備。外圍的立面桁架和中部設(shè)備支架通過斜屋面聯(lián)系，圍成一個封閉的觀光平臺，實(shí)現(xiàn)了建筑與結(jié)構(gòu)的和諧統(tǒng)一(見圖1)。

圖1 塔冠結(jié)構(gòu)剖面

塔冠結(jié)構(gòu)范圍內(nèi)的幕墻懸掛在外圍的立面桁架上，將幕墻的自重和水平風(fēng)作用立面桁架傳到主體結(jié)構(gòu)上。由于建筑師對視覺效果要求較高，結(jié)構(gòu)形式力求簡潔干凈，所以采用魚腹形的空腹桁架作為主要的豎向抗風(fēng)構(gòu)件。整個立面桁架系統(tǒng)造型簡潔輕巧，承受的風(fēng)荷載大，水平變形大，相關(guān)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來很大的難度。

2 結(jié)構(gòu)體系與布置

塔冠結(jié)構(gòu)主要由幕墻立面支撐結(jié)構(gòu)、中部設(shè)備支承框架和屋面支撐系統(tǒng)三部分組成。幕墻支撐結(jié)構(gòu)主要承受來自外幕墻的重力荷載和水平風(fēng)荷載。由于塔冠位于超高層塔樓的頂部，高空風(fēng)力大，而且作用形式復(fù)雜，故采用以魚腹式空腹桁架作為主要的豎向承重和抗風(fēng)構(gòu)件，內(nèi)、外雙層環(huán)梁作為水平支撐的平面空腹桁架結(jié)構(gòu)體系(見圖2)，既滿足了建筑的視覺通透性要求，又符合結(jié)構(gòu)的受力特性。

圖2 幕墻立面支撐結(jié)

魚腹式桁架全高約25 m，矢高1.5 m，共設(shè)置5道水平腹桿，腹桿間距4.5 m。在腹桿相應(yīng)標(biāo)高布置水平外環(huán)梁，用于懸掛幕墻板塊；同時(shí)為了限制魚腹桁架的面外失穩(wěn)，布置兩道內(nèi)環(huán)梁，內(nèi)環(huán)梁間距9 m。雙層環(huán)梁共同作用，將單榀魚腹桁架編織成整體的平面空腹桁架結(jié)構(gòu)。為了滿足建筑設(shè)計(jì)對外立面造型塑造的要求，環(huán)梁在角部采用弧形連接，在內(nèi)、外環(huán)梁之間增設(shè)“M”形腹桿，保證角部構(gòu)造的傳力安全。

中部設(shè)備支承結(jié)構(gòu)由內(nèi)部的鋼框架和外圈的三角桁架組成，下端與核心筒剪力墻的內(nèi)置鋼骨剛性連接，主要承受設(shè)備和樓板的重力荷載及地震作用。三角桁架在增加觀光平臺空間高度的同時(shí)，還作為擦窗機(jī)運(yùn)行平臺的支撐結(jié)構(gòu)。內(nèi)部鋼框架作為電梯機(jī)房和局部可上人屋面的支承結(jié)構(gòu)，在外圍柱間沿環(huán)向、徑向布置斜支撐，抵抗水平風(fēng)荷載和地震作用。屋面支撐系統(tǒng)主要是為了聯(lián)系幕墻立面支撐結(jié)構(gòu)和中部設(shè)備支架，協(xié)調(diào)兩者的受力，同時(shí)使觀光平臺在頂部閉合，形成一個封閉的大空間。

中部設(shè)備支架+屋面支撐見圖3。

圖3 中部設(shè)備支架+屋面支撐

3 荷載與作用

3.1 重力荷載

幕墻立面支撐結(jié)構(gòu)承受的重力荷載主要是來自幕墻的板塊自重，按面荷載施加，取為1.5 kN/m2；由幕墻重力偏心導(dǎo)致的彎矩較小，整體計(jì)算時(shí)可不考慮其影響。

3.2 風(fēng)荷載

該項(xiàng)目為C類地貌，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用基于重現(xiàn)期為50年的、風(fēng)速為11 m/s的風(fēng)荷載。由于辦公樓的幕墻構(gòu)造特殊，裝飾檁條突出建筑表面較為明顯，具有很強(qiáng)的擋風(fēng)效應(yīng)，所以在進(jìn)行幕墻立面支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)時(shí)，除了要考慮垂直于幕墻表面的法向風(fēng)荷載，還要考慮沿著表面的水平切向風(fēng)荷載的影響。在整體分析時(shí)，風(fēng)荷載按面荷載施加。根據(jù)同濟(jì)大學(xué)風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室提供的風(fēng)洞試驗(yàn)報(bào)告，將幕墻按圖4形式分區(qū)，取包絡(luò)值進(jìn)行設(shè)計(jì)，風(fēng)荷載具體取值見表1。整體計(jì)算時(shí)考慮X向和Y向風(fēng)的包絡(luò)。

圖4 幕墻風(fēng)荷載分區(qū)示意

表1 幕墻風(fēng)荷載數(shù)值

表1中，法向風(fēng)荷載以風(fēng)吸為“+”，風(fēng)壓為“-”；切向風(fēng)以順風(fēng)向?yàn)椤?”。進(jìn)行幕墻支撐結(jié)構(gòu)的變形分析時(shí)，采用幕墻公司提供的荷載資料，按集中荷載的形式逐層施加到外環(huán)梁上，考慮偏心彎矩的影響。

3.3 地震作用

塔冠單獨(dú)模型地震作用采用等效側(cè)力法進(jìn)行簡化計(jì)算，地震等效系數(shù)取為0.4，結(jié)構(gòu)重力標(biāo)準(zhǔn)值考慮50%活荷載影響。帶下部框架核心筒進(jìn)行整樓分析時(shí)，水平地震作用考慮反應(yīng)譜法和時(shí)程分析法的較大者，抗震設(shè)防烈度為7度(0.10g)，場地類別為Ⅳ類，設(shè)計(jì)地震分組為第1組，塔冠結(jié)構(gòu)按中震彈性設(shè)計(jì)，相應(yīng)的水平地震影響系數(shù)最大值為0.23。

3.4 溫度作用

塔冠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)考慮+/-30℃的溫差效應(yīng)，共兩種設(shè)計(jì)工況。

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 靜力分析

幕墻立面支撐結(jié)構(gòu)在水平風(fēng)荷載作用下，水平面內(nèi)呈現(xiàn)空腹桁架的受力形態(tài)，豎直面內(nèi)呈現(xiàn)無側(cè)移框架的受力機(jī)制。本文如下分析均以Y向風(fēng)為例。

4.1.1 水平桁架受力分析

水平風(fēng)荷載通過幕墻檁條直接作用到外環(huán)梁上，使中部外環(huán)梁呈現(xiàn)多跨連續(xù)梁的受力形態(tài)，單跨環(huán)梁跨中正彎矩，支座處負(fù)彎矩。內(nèi)、外環(huán)梁和腹桿組成空腹桁架，正常情況下，風(fēng)壓力作用時(shí)，外環(huán)梁和腹桿受壓，內(nèi)環(huán)梁受拉；風(fēng)吸力作用時(shí)，外環(huán)梁和腹桿受拉，內(nèi)環(huán)梁受壓。然而本工程中由于側(cè)面和角部產(chǎn)生了較大的水平切向風(fēng)荷載，使側(cè)面桁架產(chǎn)生較大的面內(nèi)變形，帶動迎、背風(fēng)面的桁架，而這種效應(yīng)在迎風(fēng)面桁架上的作用甚至超過了法向風(fēng)產(chǎn)生的效應(yīng)，導(dǎo)致水平環(huán)梁受力形態(tài)出現(xiàn)異常，在迎風(fēng)面風(fēng)壓力作用下，外環(huán)梁受拉，內(nèi)環(huán)梁受壓。環(huán)梁軸力見圖5，環(huán)梁水平彎矩見圖6，桁架腹桿內(nèi)力見圖7。

(a)外環(huán)梁

(a)外環(huán)梁

(a)軸力

在弧形轉(zhuǎn)角，由于設(shè)置了“M”形的腹桿，組成實(shí)腹桁架結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致角部剛度遠(yuǎn)大于其它跨；不同方向風(fēng)在角部和相鄰立面同時(shí)作用，造成角部出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)和彎曲效應(yīng)，導(dǎo)致內(nèi)、外環(huán)梁和腹桿產(chǎn)生較大的水平彎矩(見圖6(b)、圖7(b))。再者，原本角部所受風(fēng)荷載也要大于其它部位，這些因素都造成角部構(gòu)件受力大于周邊構(gòu)件，設(shè)計(jì)時(shí)需對角部相應(yīng)構(gòu)件進(jìn)行構(gòu)造加強(qiáng)。

4.1.2 立面桁架受力分析

側(cè)立面桁架在水平切向風(fēng)荷載作用下呈現(xiàn)框架結(jié)構(gòu)的受力形態(tài)。外弦桿下端通過銷軸節(jié)點(diǎn)支承于轉(zhuǎn)換層的鋼梁上，上端與屋面支撐結(jié)構(gòu)相連，約束水平變形。弦桿的最大側(cè)移出現(xiàn)在跨中部位，弦桿和環(huán)梁在跨中位置處的豎向彎矩最小，隨著向上、下兩端移動，彎矩不斷增大。

同時(shí)考慮到在重力荷載作用下，弦桿軸力逐層累加，所以弦桿在底層受力最大，設(shè)計(jì)時(shí)可能需要加大底部弦桿的截面。面桁架豎向彎矩見圖8。

圖8 立面桁架豎向彎矩

4.2 動力分析

4.2.1 自振特性分析

采用特征向量法求解塔冠結(jié)構(gòu)振型，表2列出塔冠結(jié)構(gòu)的前4階振型信息?？梢钥闯?，塔冠結(jié)構(gòu)第1階自振周期為0.294s，說明塔冠結(jié)構(gòu)整體剛度較大；第1階振型為扭轉(zhuǎn)，說明塔冠結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度相對較弱。

表2 塔冠結(jié)構(gòu)振型

4.2.2 地震響應(yīng)驗(yàn)算

將塔冠鋼結(jié)構(gòu)并入主塔樓進(jìn)行地震效應(yīng)計(jì)算，同時(shí)采用反應(yīng)譜和時(shí)程分析兩種方法，分析結(jié)果如表3所示，可以看出，時(shí)程分析的結(jié)果要大于反應(yīng)譜分析的結(jié)果。

表3 地震響應(yīng)分析結(jié)果對比(中震)

整體分析時(shí)塔冠結(jié)構(gòu)的剪重比在25%左右，所以在單獨(dú)模型分析時(shí)采用0.4的地震等效系數(shù)是偏于安全的。通過強(qiáng)度驗(yàn)算，能夠保證塔冠結(jié)構(gòu)達(dá)到中震彈性的性能指標(biāo)。

4.3 構(gòu)件強(qiáng)度驗(yàn)算

幕墻支撐結(jié)構(gòu)作為主要的承重和抗風(fēng)構(gòu)件，是懸掛幕墻的基礎(chǔ)。而且作為空腹桁架，自由度冗余比較少，一旦某一構(gòu)件發(fā)生破壞，就可能導(dǎo)致整個幕墻立面支撐的連續(xù)性垮塌，所以必須保證其結(jié)構(gòu)體系的安全性。

設(shè)計(jì)中，通過控制主要構(gòu)件的強(qiáng)度、穩(wěn)定的最大應(yīng)力比來實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的安全。設(shè)計(jì)結(jié)果如表4所示，從表中數(shù)據(jù)可以看出，所有構(gòu)件的應(yīng)力比都控制在0.9以下，結(jié)構(gòu)不會發(fā)生強(qiáng)度和穩(wěn)定破壞。以風(fēng)荷載為控制荷載，環(huán)梁和桁架腹桿應(yīng)力最大的位置出現(xiàn)在角部附近，其他部位構(gòu)件整體應(yīng)力水平基本保持在0.6左右；桁架弦桿應(yīng)力最大的位置出現(xiàn)在底層，應(yīng)力比控制在0.8以下，留下足夠的安全冗余度，防止關(guān)鍵構(gòu)件的失效導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)破壞。

表4 主要構(gòu)件應(yīng)力驗(yàn)算

4.4 結(jié)構(gòu)變形校核

由于幕墻支撐結(jié)構(gòu)既要承受垂直于幕墻表面的法向風(fēng)荷載，又要承受沿著幕墻表面的切向風(fēng)荷載，所以魚腹式桁架除了會出現(xiàn)面外的撓曲，還會在側(cè)面產(chǎn)生面內(nèi)的側(cè)移(見圖9)。

圖9 立面支撐結(jié)構(gòu)變形(風(fēng)荷載)

作為幕墻板塊的懸掛基礎(chǔ)，支撐結(jié)構(gòu)的平面內(nèi)側(cè)移會對板塊產(chǎn)生剪切作用，造成板塊之間的擠壓。擠壓力一旦超過限值，會導(dǎo)致幕墻玻璃的碎裂，引發(fā)安全事故。所以對于幕墻的立面支撐結(jié)構(gòu)，要同時(shí)控制面內(nèi)、面外的變形。

結(jié)構(gòu)變形分析采用幕墻公司提供的風(fēng)荷載數(shù)據(jù)，按集中荷載施加到外環(huán)梁上，考慮偏心彎矩的影響。結(jié)果見表5。

表5 幕墻支撐結(jié)構(gòu)撓度驗(yàn)算

側(cè)面桁架底層最大層間側(cè)移為22.9 mm，層高按4.5 m計(jì)，層間位移角為1/197，滿足幕墻公司提供的幕墻板塊剪切變形限值條件。

5 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

塔冠立面桁架弦桿與屋面支撐和下部結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點(diǎn)是設(shè)計(jì)中的難點(diǎn)之一。立面桁架主要承受幕墻的豎向重力荷載，同時(shí)還要承擔(dān)來自幕墻的水平向風(fēng)荷載。弦桿自身為壓彎構(gòu)件，同時(shí)由于魚腹桁架和幕墻安裝的偏心作用，切向的風(fēng)荷載會使弦桿產(chǎn)生較大的扭矩，傳到弦桿上下兩端的節(jié)點(diǎn)，給節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)帶來很大的困難。設(shè)計(jì)時(shí)，上下端節(jié)點(diǎn)均采用銷軸連接，用于釋放弦桿兩端的彎矩，減小幕墻支撐結(jié)構(gòu)對屋面支撐的影響?？紤]到銷軸節(jié)點(diǎn)抗扭性能不足，在弦桿頂部和屋面支撐相連部位增加了限位構(gòu)造(見圖10)，通過設(shè)置長圓孔的插板限制弦桿的扭轉(zhuǎn)幅度。而在弦桿下端，通過加大銷軸節(jié)點(diǎn)插板的厚度，以保證銷軸構(gòu)造的強(qiáng)度。

圖10 弦桿上端鉸接節(jié)點(diǎn)

6 結(jié) 論

1)塔冠結(jié)構(gòu)通常兼具觀光空間的建筑功能，所以對結(jié)構(gòu)通透性要求較高。一般建筑設(shè)計(jì)不設(shè)置豎向支撐，以防影響視覺效果。因此，穩(wěn)定性設(shè)計(jì)是塔冠結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。

2)塔冠結(jié)構(gòu)中部與核心筒相連，幕墻重力荷載沿周邊分布，結(jié)構(gòu)的剛度中心在正中間，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的自振特性以扭轉(zhuǎn)為主。第1階自振周期較小，說明結(jié)構(gòu)整體剛度較大。

3)塔冠作為幕墻的支撐結(jié)構(gòu)，與外幕墻直接連接，同步變形。由于高空風(fēng)荷載較大，為了防止因幕墻板塊之間產(chǎn)生過大擠壓而導(dǎo)致玻璃爆裂，需要嚴(yán)格控制塔冠立面桁架結(jié)構(gòu)的變形。

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