多層懸挑幕墻鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計

吳社

1.工程概況

蘇州美羅商城位于繁華的觀前商業(yè)中心，該建筑高28m，共六層，一、二層層高為5.0m，其余為4.5m，建筑的西北角僅二層，以上為空，呈平面扇形，其兩條直線邊分別是六層高的西山墻和北山墻。根據(jù)建筑外觀改造的要求，從二層圓弧邊向外挑2.0m～2.5m不等的距離，做全封閉的隱框玻璃幕墻，高度從二層到五層樓面，頂面鋪設(shè)輕質(zhì)彩鋼保溫瓦。新的扇形，南北方向直線邊長13m；東西方向直線邊長18.5m，屋面挑檐出幕墻邊2m，用鋁塑板外包。下面論述此幕墻的鋼結(jié)構(gòu)支承體系的設(shè)計。

2.工程設(shè)計中的兩個關(guān)鍵問題

2.1 結(jié)構(gòu)選型

本工程的難點在于新增幕墻離原結(jié)構(gòu)太遠，原結(jié)構(gòu)沒有太多的富余量，要尋找合適的支撐點將新增結(jié)構(gòu)的荷載合理的傳遞給原結(jié)構(gòu)，并保證幕墻安裝后，主要是立桿和玻璃面板不受到主結(jié)構(gòu)豎向變形影響。

經(jīng)過初步驗算，二、三層圓弧形砼邊梁能承受懸挑2.5m單層玻璃幕墻的作用；另外，扇形屋頂范圍內(nèi)兩個二樓內(nèi)的鋼筋砼柱和四、五結(jié)構(gòu)層外側(cè)的鋼筋砼梁可以承受一定的新增荷載，但不能承受較大的集中荷載的作用。在此情況下，結(jié)構(gòu)布置為：在二、三結(jié)構(gòu)層每隔2.4m布置一道鋼挑梁與砼邊梁連接；三結(jié)構(gòu)層砼柱頂布置兩根鋼柱到五層樓面，主梁布置在兩根鋼柱之間及延長線上，與東側(cè)樓層的鋼筋砼梁相連，西側(cè)伸出鋼柱2m后向南拐1m，與南側(cè)本樓層的鋼筋砼梁相連。主梁的設(shè)置，不僅減小了懸挑梁的長度，而且，將幕墻及屋蓋、樓層上的大部分荷載傳到了二層的鋼筋混凝土柱上，減少了傳給南側(cè)鋼筋混凝土梁的荷載。次梁四層和五層一樣，由東向西每隔2.4m布置一道，并在四層次梁上做部分拉桿，與五層的主次梁交接處拉結(jié)?；《藶閼姨糇杂啥?，梁的懸挑長度不一，最大為8.10 m，南端與鋼結(jié)構(gòu)主梁以及南側(cè)本樓層的鋼筋砼梁依次相連，長度4.893m～7.168m。在每層梁的懸挑端沿弧線邊布置一道邊梁。這樣，整個結(jié)構(gòu)體系由兩部分組成：二、三層為單桿體系和四、五層由梁柱體系組成一個框架系統(tǒng)。

2.2 位移控制

根據(jù)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定：幕墻上、下立柱之間應(yīng)留有不小于15mm的縫隙。因此，一方面，在玻璃幕墻的安裝階段，要相對準確地計算出懸挑端上、下層產(chǎn)生的位移差（即相對位移），以便安裝時幕墻立桿預(yù)留這個位移差，使幕墻安裝后立柱下端的間隙為設(shè)定的20mm。另一方面，在使用階段，樓層的位移差應(yīng)盡量減小，不大于20mm，以避免樓層間的玻璃和立柱產(chǎn)生擠壓而破壞，保證幕墻的正常使用，

3.靜力計算分析

3.1 荷載效應(yīng)組合

按以下方式進行荷載效應(yīng)組合：①1.0恒載（包括兩種情況：不含幕墻（A項）和包含幕墻（B項），先計算不含幕墻情況下的變形，予以記錄后，在將幕墻荷載加上，計算含幕墻情況下的變形；②1.20 恒載+1.40 活載（含檢修荷載）；③1.20 恒載 ；④1.20 恒載 +1.40 風(fēng)載（包括左風(fēng)和右風(fēng)）；⑤1.00 恒載 +1.40 x 0.70活載+1.40 風(fēng)載；⑥1.00 恒載 +1.40 活載+1.40 x 0.70 風(fēng)載；⑦ 1.20 恒載+1.40活載+1.40 x 0.70 風(fēng)載；⑧1.20 恒載+1.40 x 0.70 活載+1.40 風(fēng)載。

3.2 鋼結(jié)構(gòu)計算模型

在鋼結(jié)構(gòu)體系計算中，采用3D3S軟件對整個結(jié)構(gòu)的三維模型進行空間分析，計算模型如圖1 所示，計算中，其邊界條件假定為：幕墻立柱上端與挑梁的環(huán)形邊梁在立柱強軸平面內(nèi)鉸接，其余方向約束線位移和轉(zhuǎn)動，下端在強軸、弱軸、和桿軸方向全部釋放。鋼梁與鋼梁、柱之間考慮為剛接，鋼梁與鋼筋砼梁間考慮到砼梁不能承受較大的扭矩，在鋼梁強軸平面內(nèi)的連接設(shè)為鉸接，其余方向約束線位移和轉(zhuǎn)動，鋼柱與砼柱剛接連接。

圖1

由于屋面檁條間距為1.1m，屋面荷載能較均勻地傳到次梁上，通過單向?qū)Ш蓪⑽菝婷婧奢d施加到次梁上，二、三層挑梁上施加活載和檢修荷載，四層鋼梁上施加檢修荷載，通過雙向?qū)Ш蓪L(fēng)荷載面荷載施加到幕墻立柱和圓弧鋼梁上。

3.3 計算結(jié)果分析

3.3.1 結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計

在上述荷載組合下，先按照經(jīng)驗試取構(gòu)件的截面，然后再根據(jù)荷載組合下的各單元的內(nèi)力對構(gòu)件截面進行調(diào)整。經(jīng)過反復(fù)的計算，最后確定的結(jié)構(gòu)主要桿件截面，經(jīng)過分析，結(jié)構(gòu)在自重、活載的作用下，采用組合（2）構(gòu)件的強度、強軸穩(wěn)定性、弱軸穩(wěn)定性最大應(yīng)力比為分別為0.85、0.75、0.73，其中主次梁的最大應(yīng)力比均在0.56以下，滿足現(xiàn)行規(guī)范的要求。

3.3.2 位移分析

計算表明，次梁自由端豎向最大位移發(fā)生在組合（2）的情況，與恒載作用下有一定的位移差，詳見表1。

表1 幾種情況下次梁自由端的位移（單位：mm）

從計算不難看出，當(dāng)鋼架安裝完成（包括屋頂和樓面）后，各層在自重情況下的豎向位移（即A項），以及幕墻安裝完成后的豎向位移（即B項），兩者之差就是僅幕墻自重引起的豎向位移，即表中B-A項。有了這個數(shù)據(jù)，就能知道幕墻立桿下料時應(yīng)減去的長度，才能保證幕墻安裝后立柱下端的間隙不被壓縮。也可以看出，組合（1）（2）時的相對位移之差就是玻璃幕墻在活荷載的作用下引起的位移，也就是玻璃間的位移，最大值為9mm，因此，玻璃不會因擠壓而破壞，滿足使用要求。在最不利荷載組合（2）的情況下，從鋼結(jié)構(gòu)安裝完成到幕墻實際使用階段，最大的總位移差為（35.4-13）-（18.6-7.9）=11.7，滿足使用要求，能保證幕墻的正常使用。

另外，幕墻在使用階段，在最不利荷載組合（4）和組合（8）的情況下，水平X、Y向的位移分別為7.993mm和7.0mm，滿足使用要求。

3.3.3 整體穩(wěn)定性分析

在風(fēng)荷載作用下，幕墻面上的風(fēng)荷載通過橫梁和立柱傳到挑梁的端部，挑梁平面內(nèi)、外受到風(fēng)荷載分力的作用，一個分力沿挑梁的桿軸縱向傳遞，挑梁承受軸力，對挑梁的影響不是很大。另一個分力則垂直作用于挑梁的側(cè)面，如果不將此力傳遞到可靠的支承點上，將嚴重影響鋼梁的平面外穩(wěn)定，為此在挑梁端部和中部分別設(shè)置了20#工字鋼和Ф152mmX6mm鋼管作為剛性撐桿，將力傳到砼梁上，同時，由于這兩個桿件在砼梁上有可靠的支撐，減小了挑梁平面外的長度，增強了平面外的穩(wěn)定性。

4.結(jié)語

（1）本結(jié)構(gòu)從強度，剛度、穩(wěn)定性、位移等幾個方面，通過建立三維模型分析、計算、設(shè)計，滿足了現(xiàn)行國家規(guī)范的要求，解決了多層懸挑幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計和相對位移的問題，現(xiàn)已投入使用，效果很好。

（2）端部懸掛幕墻的懸挑結(jié)構(gòu)，不僅要進行承載能力極限狀態(tài)下的荷載效應(yīng)組合，進行強度計算、穩(wěn)定性計算，還應(yīng)進行正常使用極限狀態(tài)下的荷載效應(yīng)組合，使結(jié)構(gòu)變形達到正常使用要求的限值。

（3）裝飾幕墻改造工程的設(shè)計，既要保證裝飾效果，又要建立可靠的幕墻支承結(jié)構(gòu)體系，還要保證原結(jié)構(gòu)不受破壞和建筑幕墻的正常使用，結(jié)構(gòu)選型至少要考慮這三方面的因素。