東南國際航運中心總部大廈B座索幕墻結(jié)構(gòu)體系設(shè)計研究

董 越，羅 憶

(中國建筑設(shè)計研究院， 北京 100044)

1 工程概況

東南國際航運中心總部大廈B座位于廈門市海滄新區(qū)，西鄰東嶼南路，東鄰海滄大道，建筑功能為辦公及商業(yè)，建筑實景見圖1。地下2層，地上20層，建筑物總高度為87.9m，主體選用框架-剪力墻結(jié)構(gòu)體系。中庭外立面幕墻位于北側(cè)1～17層(標高0.000～71.100m)，立面尺寸約為25.0m×71.1m。幕墻立面以7層樓板為界，7層樓板標高以下垂直于地面，7層樓板標高以上向外傾斜，立面玻璃每層向室外偏移760mm。北立面中庭幕墻立面圖、剖面圖、幕墻支撐結(jié)構(gòu)局部三維示意及現(xiàn)場實景分別如圖2～4所示。

圖1 建筑實景圖

圖2 北立面中庭幕墻立面及剖面圖

圖3 幕墻支撐結(jié)構(gòu)局部三維示意

圖4 幕墻支撐結(jié)構(gòu)現(xiàn)場實景圖

幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計使用年限為50年，抗震設(shè)防烈度為7度(0.15g)，Ⅱ類場地土。基本風(fēng)壓0.8kN/m2，地面粗糙度類別A類，陣風(fēng)系數(shù)βgz=1.51，風(fēng)荷載體型系數(shù)μs=1.0?？紤]到本項目對風(fēng)荷載比較敏感，承載力設(shè)計時基本風(fēng)壓乘以1.1的增大系數(shù)考慮。

2 結(jié)構(gòu)方案選型

東南國際航運中心總部大廈B座北立面中庭索幕墻屬高大幕墻。常見結(jié)構(gòu)支撐體系有實腹鋼梁方案、鋼桁架方案和單層索網(wǎng)方案[1-2]。實腹鋼梁方案結(jié)構(gòu)簡潔，傳力直接、明確，但本項目橫梁跨度接近25m，采用此方案構(gòu)件尺寸會過大，結(jié)構(gòu)稍顯笨拙，與建筑師期望的設(shè)計理念違背。鋼桁架方案優(yōu)點是結(jié)構(gòu)剛度大，支撐體系牢靠，且可有效減小構(gòu)件截面尺寸；缺點是除上下弦桿外，桁架還應(yīng)設(shè)置斜腹桿，構(gòu)件數(shù)量過多，略顯凌亂，鋼桁架方案布置方式如圖5所示。單層索網(wǎng)體系簡潔通透、輕盈美觀，建筑效果好，如新保利大廈中庭柔性索網(wǎng)幕墻便是一個成功實例，但本工程7層樓板標高以上幕墻剖面呈L形布置，L形幕墻單元上下端頭不具備提供牢靠邊界支撐的條件，因此豎向索無法設(shè)置，幕墻拉索只能沿水平向單向設(shè)置；根據(jù)以往類似工程經(jīng)驗及軟件試算，橫向索施加到結(jié)構(gòu)邊框上的反力將達到220kN/m，索力過大，結(jié)構(gòu)難以承受。

圖5 鋼桁架方案布置方式

為實現(xiàn)更好的建筑效果，減輕幕墻對主體結(jié)構(gòu)的負擔，針對立面尺寸過大的高大幕墻，筆者提出張弦梁與魚腹式索桁架組合的支撐體系，豎向承重體系為張弦梁結(jié)構(gòu)，水平抗側(cè)結(jié)構(gòu)為自平衡魚腹式索桁架，張弦梁與魚腹式索桁架通過豎向龍骨連為一體，以限制豎向承重結(jié)構(gòu)和水平向抗側(cè)結(jié)構(gòu)繞自身中心軸旋轉(zhuǎn)。典型張弦梁跨度為25m，矢高為2.6m，矢跨比為1/9.6[3]。上弦梁采用□300×150×12×12鋼梁(材質(zhì)Q345B)，下弦承重拉索為φ30的不銹鋼索(材質(zhì)等級316)，截面□150×100×8×8幕墻豎向龍骨兼做撐桿。自平桁魚腹式索桁架跨度為22.9m，矢高為3.4m，矢跨比為1/7[4]。魚腹式索桁架以φ250×14鋼管為主梁，撐桿為截面φ89×8的圓管，撐桿兩端通過φ34的不銹鋼索給撐桿以壓力，從而增強主梁剛度。為減小魚腹式索桁架主梁在其平面外的計算長度，在魚腹式索桁架主梁上沿幕墻剖面吊掛φ22背索(圖2)。背索將魚腹式索桁架串聯(lián)在一起，并吊掛在主體結(jié)構(gòu)屋頂鋼梁上。張弦梁與魚腹式索桁架組成的典型結(jié)構(gòu)單元如圖6所示。

圖6 張弦梁與魚腹式索桁架組成的典型結(jié)構(gòu)單元

3 項目設(shè)計重點、難點分析

3.1 穩(wěn)定結(jié)構(gòu)體系的建立

該工程豎向承重體系為張弦梁結(jié)構(gòu)，屬直梁型張弦。拉索無法在撐桿底部提供有效的面外彈性支撐剛度[5-6]，需采取必要措施，以防止撐桿繞頂端轉(zhuǎn)到。魚腹式索桁架兩端與主體結(jié)構(gòu)鉸接連接，存在繞自身主梁旋轉(zhuǎn)趨勢，亦需采取相應(yīng)措施以限制其轉(zhuǎn)動。為解決張弦梁和魚腹式索桁架自身體系不穩(wěn)定的問題，特利用幕墻豎向龍骨兼做張弦梁撐桿將兩個體系連為一體。利用魚腹式索桁架水平剛度給張弦梁撐桿提供水平向支撐點(圖7)，利用張弦梁豎向剛度為魚腹式索桁架提供豎向支撐點(圖8)。張弦梁和魚腹式索桁架有機結(jié)合，從而形成穩(wěn)定、牢靠的幕墻支撐體系。為保證張拉時撐桿可在幕墻平面內(nèi)自由擺動，豎向龍骨頂部與主梁采用鉸接連接，連接節(jié)點如圖9所示，豎向龍骨與張弦拉索連接節(jié)點如圖10所示。

圖7 張弦梁穩(wěn)定體系

圖8 魚腹式索桁架穩(wěn)定體系

圖9 豎向龍骨與主梁連接節(jié)點

圖10 豎向龍骨與張弦拉索連接節(jié)點

3.2 合理背索索力的確定

魚腹式索桁架通過背索吊掛在主體結(jié)構(gòu)屋頂鋼梁上，屋頂鋼梁承受的荷載為全部索桁架重量與底部背索索力之和。為減小屋頂鋼梁的負擔，宜盡量降低底部拉索索力。但任何工況下，背索都不應(yīng)松弛，否則魚腹式索桁架主梁將失去跨中豎向約束，進而出現(xiàn)隨機上下擺動甚至受壓失穩(wěn)[7]。本項目背索索力的控制標準為：在最不利工況下，底部拉索索力不應(yīng)少于20kN。幕墻使用期間若發(fā)現(xiàn)背索松弛，應(yīng)及時予以處理。

3.3 背索轉(zhuǎn)折處魚腹式桁架加強措施

受外立面造型的影響，背索在6層樓板標高位置附近出現(xiàn)轉(zhuǎn)折(圖2)，6層樓板標高以上背索向外傾斜。為抵抗背索水平向分力作用，特將此處水平向魚腹式索桁架靠近室外的一側(cè)改為鋼桁架(圖11)。分析結(jié)果表明：加強前和加強后恒載作用下，背索轉(zhuǎn)折處索桁架的平面外位移分別約為35.2mm和4.76mm，索桁架剛度明顯提高，其中恒載作用下加強后背索轉(zhuǎn)折處索桁架面外位移如圖12所示。

圖11 魚腹式鋼桁架

圖12 恒載作用下索桁架面外位移/m

3.4 幕墻支撐體系與主體結(jié)構(gòu)的連接方式

幕墻支撐結(jié)構(gòu)屬于自平衡體系[8-9]，拉索索力不可傳遞至主體結(jié)構(gòu)，因此幕墻支撐體系與主體結(jié)構(gòu)的連接節(jié)點處需采取必要的構(gòu)造措施，使兩者之間可相對滑動。支座滑動常見處理方式有設(shè)置成品支座和在連接耳板上開設(shè)長圓孔。幕墻支撐體系與主體結(jié)構(gòu)兩側(cè)的連接點共計60個，成品盆式滑動支座費用過高，橡膠支座耐久性又無法保障，因此本項目采用開設(shè)長圓孔的方式來實現(xiàn)支座滑動。

利用長圓孔實現(xiàn)支座滑動，需注意：長圓孔在不可滑動方向銷軸與孔之間屬于點接觸，承載力極低，不應(yīng)將該方向設(shè)置成主受力方向。以支撐體系中張弦結(jié)構(gòu)上弦梁與主體結(jié)構(gòu)連接節(jié)點為例，幕墻通過張弦結(jié)構(gòu)將自重傳遞至兩端支座，若采用連接做法一(圖13(a))將長圓孔開設(shè)在支撐耳板上，在受力最大的方向銷軸與長圓孔點接觸，勢必會影響節(jié)點安全。圖14為利用連接做法一來實現(xiàn)滑動時支座von Mises應(yīng)力分析結(jié)果。由圖14可知，長圓孔與銷軸接觸部位已進入塑性，且有一定的分布范圍。由于豎向荷載較大，在滑動過程中易使得連接耳板發(fā)生材料損失，在后期長時間運行過程中存在安全隱患。實際工程中，項目采用的連接做法是將長圓孔設(shè)置在滑動底板上(圖13(b))，豎向荷載通過底板承壓傳遞，安全可靠。魚腹式索桁架主梁與主體結(jié)構(gòu)的連接方式類似，但魚腹式索桁架主梁自重主要依靠背索吊掛在主體結(jié)構(gòu)屋頂鋼梁上。其主要受力方向為水平迎風(fēng)向，支座需旋轉(zhuǎn)90°設(shè)置。

圖13 支座連接做法

圖14 支座von Mises應(yīng)力分析結(jié)果/MPa

4 力學(xué)性能分析

設(shè)計分析采用MIDAS Gen軟件，并采用ANSYS 12.0軟件進行索力校核。

4.1 位移分析結(jié)果

幕墻支撐結(jié)構(gòu)跨度接近25m，MIDAS Gen軟件計算結(jié)果得出，典型荷載工況作用下，幕墻支撐結(jié)構(gòu)跨中變形如表1所示，其中d為變形值，L為結(jié)構(gòu)跨度。由表1可知：恒載作用下，支撐結(jié)構(gòu)跨中豎向變形為15mm，為跨度的1/1 666；風(fēng)壓荷載作用下，跨中水平向變形為26mm，為跨度的1/961；風(fēng)吸荷載作用下，跨中水平向變形的絕對值為18mm，為跨度的1/1 388?？梢钥闯?，豎向承重的張弦結(jié)構(gòu)和水平向受力的魚腹式索桁架結(jié)構(gòu)均具備較強的自身剛度，變形值均滿足《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(GB 50017—2003)中1/250的限值要求。

幕墻支撐結(jié)構(gòu)跨中變形 表1

4.2 索力分析結(jié)果

鋼索均采用材質(zhì)等級為316的不銹鋼拉索，鋼絲的破斷強度大于1 200MPa。典型荷載工況組合下，索力分布如表2所示。由表2可知：在最不利工況組合下，魚腹索最大索力設(shè)計值為315.9kN，張弦索最大索力設(shè)計值為135.4kN，拉索索力設(shè)計值與破斷力(801.9kN)的比值小于0.5，滿足規(guī)范[10]要求。魚腹索最小索力設(shè)計值為27.6kN，背索最小索力設(shè)計值為23.3kN，拉索均未松弛。

索力/kN 表2

5 結(jié)語

東南國際航運中心總部大廈B座北立面中庭索幕墻立面尺寸約為25.0m×71.1m。幕墻立面以7層樓板為界，7層樓板標高以下垂直于地面，7層樓板標高以上向外傾斜，立面玻璃每層向室外偏移760mm。針對此類高大幕墻，提出張弦梁與魚腹式索桁架組合的支撐體系。該支撐體系屬自平衡結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)剛度好，建筑效果簡潔、通透。目前項目已投入使用，且經(jīng)歷過歷次臺風(fēng)考驗。工程實踐表明：該體系安全可靠，是值得推廣的一類幕墻支撐體系。