大跨度建筑幕墻桁架外凸型單向滑動鉸支座技術在酒店A字形塔樓施工中的應用

張體輝 倪勝利 戴玉帥 張新輝

中國建筑第八工程局有限公司鋼結構工程公司 上海 200125

1 概述

隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，大跨度鋼桁架和混凝土組合結構建筑不斷涌現(xiàn)，多體現(xiàn)于大型廠房結構以及外部有特殊造型結構的建筑中。

在大跨度鋼桁架結構中，鋼構件大多處于超靜定狀態(tài)，桿件之間相互約束，桁架整體剛度大，對建筑結構的約束性強，溫度應力使鋼桁架結構產(chǎn)生膨脹，由中間向外部延伸，使鋼結構建筑物由中間向兩端變形增大，因此溫度應力的影響在鋼桁架結構變形中是必須考慮的因素，在設計中必須計算溫度應力和變形程度。目前，常規(guī)的施工辦法是在鋼結構一定的溫度區(qū)間設置伸縮縫，縮短溫度區(qū)，減小溫度對一般建筑物的影響，從而在設計時可以不考慮溫度產(chǎn)生的應力應變，以此來降低溫度應力對結構的影響，但這個方法必然會影響建筑立面的造型美觀需求，也會帶來防水等問題[1-4]。

對于那些不適合設置伸縮縫的結構，只能普遍采用加大安全系數(shù)法，即加大鋼構件截面，減小溫度應力對變形的影響，而這就會導致用鋼量的大幅增加。從理論上考慮，在大跨度鋼桁架結構中，如果適當設置滑動支座，在滿足結構剛度和穩(wěn)定性的條件下，可以釋放掉一部分溫度應力，這就可以降低溫度應力對結構的影響，從而解決了對結構條件的依賴和用鋼量增加的困擾。

因此，單向滑動鉸支座被廣泛應用于建筑上，尤其適用于大跨度鋼桁架結構中屋頂結構和下部支承結構的鉸接連接。其可以實現(xiàn)以下功能：支座具有各方向的轉(zhuǎn)動能力；能夠?qū)⑸喜拷Y構產(chǎn)生的豎向荷載傳遞到下部支承結構；能夠?qū)⑸喜拷Y構產(chǎn)生的某一方向的水平荷載傳遞到下部支承結構；能夠釋放垂直方向的水平荷載并允許結構在此水平方向滑動。但是，在支承結構側向設置單向滑動鉸支座時，需要設計轉(zhuǎn)換件，并將轉(zhuǎn)換件通過預埋件剛接固定在支承結構側部。如果滑動鉸支座轉(zhuǎn)換件設置不當，則不但起不到滑動鉸支座應有的作用，甚至會導致整個結構失穩(wěn)倒塌。

2 工程概況

上海JW萬豪侯爵酒店項目（圖1）位于上海市浦東新區(qū)，總占地面積為11 340 m2，總建筑面積為119 600 m2。

本工程由塔樓和裙樓組成，塔樓結構為型鋼混凝土外框架-核心筒組合結構，共40層，高度為157.1 m，裙樓為鋼框架結構，共5層，高度為24.1 m。項目地下室結構為5層，底板標高為－19.6 m?？傆娩摿考s12 000 t。

為滿足造型要求，工程采用了帶滑動鉸支座的大跨度三角管桁架＋A字形勁性鋼骨混凝土柱結構體系（圖2）。三角管桁架共設18榀，外凸型滑動鉸支座36個，位于塔樓A字形大堂，東側8榀，西側10榀。本工程造型獨特，塔樓大堂處采用A字造型，勁性鋼骨混凝土柱最大傾斜角度11.5°，整個塔樓A字形南側處于獨立體系，使得施工十分復雜困難。幕墻三角管桁架在桁架本身自重和因水平方向偏心而產(chǎn)生的扭矩的共同作用下，使得端部節(jié)點內(nèi)力的發(fā)展和位形的變化都非常復雜。

圖1 上海JW萬豪侯爵酒店效果圖

圖2 大跨度建筑幕墻桁架模型

為使三角管桁架內(nèi)部不產(chǎn)生“施工階段殘余應力”、三角管桁架節(jié)點處的焊縫不產(chǎn)生撕裂和變形等不良受力狀態(tài)，在三角管桁架端部與勁性鋼骨混凝土柱之間設置滑動鉸支座。以上海JW萬豪侯爵酒店項目為研究載體，在充分集成現(xiàn)有施工技術的基礎上，創(chuàng)新提出了大跨度建筑幕墻桁架“外凸牛腿＋單向滑動支座”的成套施工技術。本技術以幕墻桁架“外凸牛腿＋單向滑動支座”為核心，運用施工全過程模擬分析、施工變形監(jiān)測、實時應力或應變監(jiān)測等手段全方位控制結構施工質(zhì)量，以保證結構性能。

3 外凸型單向滑動鉸支座技術

3.1 桁架單向滑動鉸支座節(jié)點設計

為使幕墻桁架水平能夠相對自由變形，且防止桁架彎矩傳遞到混凝土結構上，本工程幕墻桁架采用了單向滑動鉸支座技術。該節(jié)點由埋件、連接板、短斜柱、U形卡槽、聚四氟乙烯板、桁架端部嵌入式牛腿等組成。聚四氟乙烯板置于U形卡槽內(nèi)，具有較強的滑動性和抗震性，起到了非常關鍵的作用。U形卡槽與短斜柱相連，短斜柱通過埋件和連接板與混凝土結構相接，再由桁架通過牛腿嵌入U形卡槽，形成外凸型單向滑動鉸支座，如圖3所示。

圖3 外凸型單向滑動鉸支座效果圖

在幕墻桁架施工過程中，首先在混凝土柱上進行預埋，通過連接板將U形卡槽短斜柱固定在混凝土柱上（圖4），現(xiàn)場拼接桁架主體與嵌入式牛腿，將聚四氟乙烯板粘于嵌入式牛腿上，然后通過端部嵌入式牛腿與U形卡槽對接（圖5），完成單榀桁架安裝。待單榀桁架微調(diào)至指定位置后，在牛腿兩側封焊抗剪鋼板（南柱節(jié)點只焊一側），如此一來，單榀桁架只能傳遞z軸方向荷載，繞y軸方向的彎矩以及x軸方向的水平荷載得以釋放。

圖4 U形卡槽短斜柱安裝

圖5 U形卡槽與嵌入式牛腿對接

桁架在水平方向偏心產(chǎn)生的繞x軸方向扭矩，通過嵌入式牛腿傳遞到U形卡槽的上下抗剪鋼板。本文通過Midas Gen等軟件進行模擬設計（圖6），以驗證抗剪鋼板是否滿足力學性能要求，并由此得出U形卡槽、連接板等零件尺寸規(guī)格。

圖6 利用Midas Gen模擬分析端部支座反力

3.2 變形模擬分析

本工程采用Midas軟件對結構的變形進行模擬分析（圖7）。全過程模擬分析的基本步驟如下[5]：

1）基于設計資料，一次性建立整體結構有限元模型。

2）根據(jù)現(xiàn)場實際溫度，對結構變形進行模擬分析，計算得到水平位移最大值，進而得到節(jié)點可移動的最大距離，根據(jù)此計算結果設計抗剪鋼板的具體位置。

圖7 利用軟件進行結構變形設計

3.3 外凸型單向滑動鉸支座節(jié)點焊接工藝

外凸型單向滑動鉸支座節(jié)點的后焊封板焊接在混凝土預埋件上的鋼牛腿上，上下抗剪鋼板焊接在鋼牛腿上面，最后在單向滑動鉸支座水平安裝進入節(jié)點后，加焊抗剪鋼板于端部嵌入式牛腿外側，以承受桁架在水平方向偏心而產(chǎn)生的繞x軸方向的扭矩。因此外凸型單向滑動鉸支座節(jié)點的焊接工藝尤為關鍵，焊縫質(zhì)量尤為重要。在焊接固定過程中，應遵循以下原則：

1）對稱焊接原則。在對同一個剖面對稱位置的2條焊縫進行焊接時，要求對構件的熱輸入值大體相同。

2）預熱處理?，F(xiàn)場板厚30 mm以上，常溫以下焊接環(huán)境可用火焰預熱至60～80 ℃，預熱范圍為坡口兩側各100 mm，測溫為背面坡口兩側50 mm。

3）焊接應力控制。其方法有減小焊縫尺寸、減小焊接拘束度、采取合理的焊接順序、對構件進行分解施工等。

4）焊接應力消除。其方法有對零件整平、局部烘烤、超聲波振動等。

5）進行焊縫無損檢測。

3.4 現(xiàn)場變形監(jiān)測

在外凸型單向滑動鉸支座的嵌入式牛腿上設置監(jiān)測點，在監(jiān)測點位置做好永久性標記，并記錄好初始位置。采用全站儀對外凸型單向滑動鉸支座的嵌入式牛腿下側的水平變形進行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測得到的嵌入式牛腿下側變形差值調(diào)節(jié)節(jié)點內(nèi)鋼卡板的位置。變形監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，隨著施工的進展，嵌入式牛腿下側有不同程度的水平變形，且隨著溫度的變化（隨時間推移溫度相應變化），嵌入式牛腿下側的水平變形存在一定的差值，如圖8所示。

圖8 構件變形曲線

3.5 模擬分析與現(xiàn)場監(jiān)測結果對比

通過對全過程施工模擬分析的結果與現(xiàn)場變形及應力監(jiān)測的結果對比，以對比的結果反饋于施工方案的調(diào)整，從而確定更加嚴謹、更加科學的大跨度建筑幕墻桁架施工方案。

3.6 實時應力監(jiān)測

大跨度建筑幕墻桁架在安裝完成后，連接板處會產(chǎn)生較大的剪切力。為檢查連接板處焊縫的焊接質(zhì)量是否滿足要求，在兩側連接板處設置監(jiān)測點，監(jiān)測在安裝大跨度建筑幕墻桁架前、后連接板處3 h內(nèi)的實時應力變化。同時在外凸型單向活動鉸支座處設置監(jiān)測點，監(jiān)測安裝單榀桁架吊桿前、后連接板和抗剪鋼板的實時應力變化，確保施工安全。

4 結語

以上海JW萬豪侯爵酒店工程的大跨度幕墻桁架施工實踐為基礎，提出了“外凸型單向滑動鉸支座”的成套施工技術，其中包括全周期施工模擬分析與現(xiàn)場全過程變形應力監(jiān)測結果對比的大跨度幕墻桁架焊接安裝技術與實時應力監(jiān)測技術。

在大跨度鋼桁架結構中，溫度對結構產(chǎn)生的整體變形和內(nèi)部應力分布的影響是不可忽略的。按照以往常規(guī)施工辦法設置伸縮縫，就會使得建筑的防水性能、保溫性能有所下降，建筑外立面和造型的美觀需求也難以達到人們預期。若采用加大鋼構件截面的辦法來抵抗溫度應力和溫度變形的影響，則會嚴重增加結構用鋼量，從而大大增加經(jīng)濟成本，同時有可能產(chǎn)生負面作用，即結構自重增大會對支座產(chǎn)生過大的內(nèi)力，超出支座的承載力，繼而使得支座的設計、施工困難且成本加大。

由上海JW萬豪侯爵酒店工程的大跨度幕墻桁架施工實踐可知，科學地設置滑動鉸支座，不但可以保證結構整體的穩(wěn)定性，而且可以將大跨度鋼桁架因溫度產(chǎn)生的應力及變形釋放出去，解決了在溫度影響下桁架兩端彎曲應力過大的難題，同時也滿足了大跨度幕墻桁架施工與使用階段的結構穩(wěn)定需求，為建筑施工中大跨度幕墻桁架的連接提供了一種可靠、實用、經(jīng)濟的施工工藝。