濟(jì)南萬象城幕墻支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)概況

張 濤

(北京潤置商業(yè)運(yùn)營管理有限公司，北京 101500）

0 引言

隨著國內(nèi)商業(yè)地產(chǎn)的高速發(fā)展，大型商業(yè)綜合體項(xiàng)目越來越多，產(chǎn)品出現(xiàn)高度同質(zhì)化，開發(fā)商為打造專屬的建筑特點(diǎn)，在建筑空間營造上追求“大挑空、大采光、大通透”，期待給消費(fèi)者帶來更好的空間體驗(yàn)。幕墻是由支撐結(jié)構(gòu)體系及面板組成的，可相對(duì)主體結(jié)構(gòu)有一定位移能力、不分擔(dān)主體結(jié)構(gòu)所受作用的建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)或裝飾性結(jié)構(gòu)[1]，吊掛大跨度空間桁架結(jié)構(gòu)是實(shí)現(xiàn)上述“三大”建筑特點(diǎn)的幕墻支撐結(jié)構(gòu)的最佳選型之一。何志軍通過上海中心幕墻支撐結(jié)構(gòu)選型研究指出幕墻支撐結(jié)構(gòu)具有分區(qū)懸掛重量大、支撐剛度柔、荷載效應(yīng)及節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜等特點(diǎn)[2]。針對(duì)復(fù)雜形體的大跨幕墻系統(tǒng)，幕墻及支撐幕墻的鋼結(jié)構(gòu)往往分開設(shè)計(jì)，幕墻部分由幕墻顧問或幕墻施工單位完成，幕墻支撐結(jié)構(gòu)通常交給結(jié)構(gòu)顧問或者主體結(jié)構(gòu)施工圖院完成。在幕墻支撐結(jié)構(gòu)選型時(shí)，經(jīng)常遇到實(shí)腹式柱或桁架柱加連系梁的結(jié)構(gòu)選型，上述選型存在豎向構(gòu)件截面大占用室內(nèi)空間，桿件空間分布密集干擾視線、鋼結(jié)構(gòu)室內(nèi)裸露影響裝飾效果、整體用鋼量大導(dǎo)致經(jīng)濟(jì)性差等缺點(diǎn)。陳曉晴等人通過大跨度體育館鋼屋蓋與幕墻子結(jié)構(gòu)分析研究提出，對(duì)于復(fù)雜的大跨幕墻系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行幕墻及結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，充分考慮幕墻與幕墻支撐結(jié)構(gòu)的協(xié)同作用[3]，董越、羅憶通過分析常見結(jié)構(gòu)體系的優(yōu)缺點(diǎn)，提出張弦梁與魚腹式索桁架組合實(shí)現(xiàn)幕墻結(jié)構(gòu)支撐，該體系具有較好的結(jié)構(gòu)剛度，索力自平衡，且建筑效果簡潔、通透的特點(diǎn)[4]。濟(jì)南萬象城東南角主入口屬于典型復(fù)雜大跨度幕墻系統(tǒng)，采用幕墻及支撐結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)，東南角主入口建筑縱跨4～ 6 層，根據(jù)建筑形體及荷載分布特點(diǎn)，幕墻支撐方案選型時(shí)，采用可以跨越較大結(jié)構(gòu)洞口、傳力途徑清晰、穩(wěn)定性高、用鋼量少的吊掛空間桁架結(jié)構(gòu)，該方案優(yōu)化結(jié)構(gòu)傳力路徑，采用水平向抗風(fēng)的桁架代替豎向構(gòu)件截面大、且占用室內(nèi)空間的承重、抗風(fēng)一體柱，豎向采用多根承重吊桿將水平桁架吊掛在主體結(jié)構(gòu)上。在幕墻方案設(shè)計(jì)時(shí)，創(chuàng)造性地將水平向桁架外置包覆在室外橫向金屬格柵中，方案采用S32205 高強(qiáng)度的雙相不銹鋼作為豎向吊桿，有效減小吊桿截面直徑，確保其充分隱藏在豎向玻璃膠縫中。為方便現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)測量放線及安裝，方案在桁架與吊桿連接處，設(shè)置了萬向球鉸節(jié)點(diǎn)。以上方案創(chuàng)新，通過結(jié)構(gòu)外置，將結(jié)構(gòu)全部隱藏在幕墻構(gòu)造中，實(shí)現(xiàn)室內(nèi)的結(jié)構(gòu)消隱，充分釋放了室內(nèi)空間，給消費(fèi)者著眼看山不見山的空間體驗(yàn)。

1 工程概況

濟(jì)南萬象城位于山東省濟(jì)南市，總建筑面積36.80 萬m2（圖1），商業(yè)建筑面積18.82 萬m2，可租賃面積11.68 萬m2，建筑擁有地上8 層垂直空間，平面采用環(huán)形動(dòng)線設(shè)計(jì)，將每層不同商業(yè)業(yè)態(tài)有機(jī)串聯(lián)。濟(jì)南萬象城東南角主入口上方為外傾異形曲面（圖2），室外橫向設(shè)置漸變金屬裝飾線條，該體塊縱跨13.7m 建筑挑空（圖3）。

圖1 濟(jì)南萬象城鳥瞰

圖2 東南角局部建筑效果

圖3 東南角室內(nèi)效果

2 結(jié)構(gòu)體系布置

濟(jì)南萬象城東南角主入口幕墻支撐結(jié)構(gòu)（圖4）建筑高度37.9m，水平向桁架跨度26.4m、拱高8.8m，豎向最大跨度13.7m，桁架兩側(cè)固定在左右角柱上，14 榀桁架通過豎向8 根吊桿懸掛在主體結(jié)構(gòu)上，24.2m 標(biāo)高位置，水平桁架與主體結(jié)構(gòu)邊梁設(shè)置拉結(jié)點(diǎn)。

圖4 幕墻支撐結(jié)構(gòu)圖

豎向承重吊桿采用?50×5mm 圓管截面，材質(zhì)使用雙相S32205 不銹鋼，材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為385N/mm2具備良好的抗拉壓性能，吊桿上下為固定球鉸支座，桿件端部彎矩充分釋放的二力桿，圓管截面直徑小可以充分隱藏在玻璃膠縫中。為適應(yīng)曲面找形設(shè)計(jì)，方便現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)施工，在橫向桁架與豎向承重吊桿連接位置，頂部與主體結(jié)構(gòu)連接位置設(shè)置鑄鋼萬向球鉸節(jié)點(diǎn)（圖4c）。

表1 主要構(gòu)件截面

3 荷載與作用

濟(jì)南萬象城項(xiàng)目主入口幕墻支撐結(jié)構(gòu)，采用橫向桁架抗風(fēng)、豎向吊桿承重的結(jié)構(gòu)體系，建筑設(shè)計(jì)使用年限50 年、建筑抗震設(shè)防烈度為6 度、結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為二級(jí)。

3.1 恒載

恒載主要加載0.85kN/m2玻璃面板荷載、兩側(cè)邊部飛翼及底部鋁板飾面荷載0.29kN/m2、中間橫向裝飾線條鋁板飾面荷載0.55kN/m2及部分LOGO 荷載，鋼結(jié)構(gòu)自重荷載由計(jì)算軟件自動(dòng)添加。

3.2 雪荷載

由《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）規(guī)定[5]，基本雪壓：0.30kN/m2，由表7.2.1 第3 項(xiàng)取值，橫向突出的鋁板裝飾線條取荷載0.60kN/m2。

3.3 風(fēng)荷載

幕墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，計(jì)算維護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí)，應(yīng)按照下式計(jì)算[5]：

考慮建筑立面造型復(fù)雜，按照轉(zhuǎn)角區(qū)域選擇荷載體型系數(shù)，同時(shí)考慮室內(nèi)負(fù)壓作用，并按照從屬面積進(jìn)行折減，橫向鋁板裝飾線條按照檐口、雨篷、遮陽板、邊棱處的裝飾條等突出構(gòu)件，取-2.0。根據(jù)立面特點(diǎn)將風(fēng)荷載按照5 種工況（圖5）施加到模型虛面上。

圖5 風(fēng)荷載工況

3.4 地震作用

建筑抗震設(shè)防分類：乙類；本地區(qū)抗震設(shè)防烈度：6 度；設(shè)計(jì)基本地震加速度值：0.05g；水平地震影響系數(shù)最大值：0.04；設(shè)計(jì)地震分組：第三組；場地特征周期：0.9s；結(jié)構(gòu)阻尼比ζ ＝0.04。按照上述參數(shù)，進(jìn)行水平的多遇地震反應(yīng)譜分析，同時(shí)考慮兩個(gè)方向水平地震作用，每一振型的峰值反應(yīng)均采用CQC 方法組合。水平方向按照反應(yīng)譜分析方法取X 向、Y 向、XY 向、YX 向，豎直方向根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50011-2010）第 5.3.4 ?。核降卣鹩绊懴禂?shù)的 65%[6]。

3.5 溫度荷載

本工程施工鋼結(jié)構(gòu)合攏時(shí)間為6～ 7 月份，鋼結(jié)構(gòu)可選擇清晨、傍晚或較為涼爽的時(shí)間合攏，合攏溫度在+20℃左右，而36℃-20℃=16℃，故升溫取保守 30℃；-9℃-20℃=-29℃，故降溫，取-30℃。

3.6 荷載組合

表2 無地震作用荷載組合

表3 地震作用荷載組合

4 靜力分析

4.1 桿件承載力分析

觀察風(fēng)荷載作用下，水平桁架內(nèi)、外側(cè)弦桿的受力狀態(tài)（圖6a），在W2（單風(fēng)壓）工況下，上層吊掛結(jié)構(gòu)中，最頂上的外水平拱桁架大部分受壓，內(nèi)水平拱桁架大部分受拉；其他外水平拱桁架大部分受拉，內(nèi)水平拱桁架大部分受壓。在W（5單風(fēng)吸）工況下（圖6b），上層吊掛結(jié)構(gòu)中，最頂上的外水平拱桁架大部分受拉，內(nèi)水平拱桁架大部分受壓；其他外水平拱桁架大部分受壓，內(nèi)水平拱桁架大部分受拉。其他外水平拱桁架大部分受壓，內(nèi)水平拱桁架大部分受拉（備注：圖中紅色為受壓，藍(lán)色為受拉）。

計(jì)算結(jié)果表明水平桁架外側(cè)弦桿存在連續(xù)受壓的狀態(tài)，風(fēng)吸力作用下連續(xù)受壓弧長約8 個(gè)節(jié)間長度約 14m，風(fēng)壓力作用下，最上一榀桁架外弦桿全部連續(xù)受壓，長度約27m，外弦桿斷面為口200mm×150mm×8mm，平面外計(jì)算長度按連續(xù)受壓長度計(jì)算，長細(xì)比分別185 和370。根據(jù)內(nèi)力分析，14m 長的外弦桿按直線計(jì)算，主軸方向極限穩(wěn)定承載力為315kN，而實(shí)際承受的軸向壓60.2kN，結(jié)構(gòu)安全（弱軸方向有桁架腹桿支撐，計(jì)算長1.7m，非控制項(xiàng)）。對(duì)于最頂上桁架，長細(xì)比超規(guī)范，外弦桿平面外穩(wěn)定無法保證，對(duì)最上一榀桁架，在外弦桿上對(duì)應(yīng)的位置布置不銹鋼桿件（圖6c）。

圖6 桿件承載力分析圖

4.2 結(jié)構(gòu)位移分析

按照圍護(hù)結(jié)構(gòu)施加風(fēng)荷載，并考慮半跨風(fēng)載的影響，對(duì)結(jié)構(gòu)在各種剛度組合下的結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行分析，其中1.0D+1.0W3恒載+半跨風(fēng)載組合下結(jié)構(gòu)位移最大，絕對(duì)變形為107mm（圖7a），變形最大發(fā)生在第5 榀桁架（圖7b），取第5 榀桁架進(jìn)行相對(duì)變形分析，如圖7b 所示，第5 榀桁架上點(diǎn)500處U1變形最大為107mm；右側(cè)邊柱點(diǎn)747 處（圖7c）U1變形值為49.5mm；桁架本身為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，變形從左到右隨著U2的減小U1逐漸增大，變形平面投影為S 型，故左側(cè)選取U1，U2均比較大的點(diǎn)進(jìn)行分析，左側(cè)選點(diǎn)242（圖7d），U1變形為 50.1mm，則相對(duì)變形為107-（49.5+50.1）/2=57.2mm，點(diǎn)242 到點(diǎn)747 跨度為17281mm（圖7e），相對(duì)變形57.2mm＜L/250=17281/250=69mm，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 結(jié)構(gòu)位移圖

4.3 屈曲分析

對(duì)于主入口處的幕墻支撐構(gòu)架，每榀水平桁架形成的拱，桁架只受水平力，豎向力由吊桿承擔(dān)，與通常的天窗/屋蓋不同，屈曲分析時(shí)不必考慮豎向荷載。選取bulking-1（全面受吸風(fēng)荷載）工況和bulking-3（一半受壓一半受吸）工況，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行特征值屈曲分析，為避免吊桿的干擾，不刪除吊桿，將吊桿的直徑改為1mm，保留中間層樓板對(duì)該處水平桁架的約束，振型數(shù)取60，進(jìn)行屈曲分析，得到bulking-1 的屈曲的第一模態(tài)（模型的34 模態(tài)）是上區(qū)中間的水平桁架發(fā)生S 形振動(dòng)（圖8a），屈曲因子45.25，結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生屈曲。同理，bulking-3 工況，第一屈曲模態(tài)（模型的33 模態(tài)）是下區(qū)發(fā)生整體的S 形振動(dòng)（圖8b），屈曲因子44.94，結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生屈曲。

圖8 屈曲模態(tài)

考慮初始缺陷對(duì)結(jié)構(gòu)的影響[7]，按1/300 即27m/300=90mm，對(duì)模型施加初始缺陷，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行幾何非線性分析（圖9），結(jié)果表明，屈曲因子結(jié)果相差不大，說明本結(jié)構(gòu)不同于網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)對(duì)初始缺陷不敏感，綜上所述，主入口處的幕墻支撐結(jié)構(gòu)不會(huì)發(fā)生屈曲。

圖9 幾何非線性分析

4.4 節(jié)點(diǎn)分析

水平桁架與豎向吊桿連接位置設(shè)置固定球鉸支座（圖10），主要用來對(duì)Φ50×5mm 吊桿兩端進(jìn)行充分彎矩釋放，球鉸方向多變，可以適應(yīng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜的幾何形體，方便現(xiàn)場施工。Φ50×5mm 的不銹鋼拉桿與端頭采SR30 球頭螺栓連接，球鉸支座左右兩側(cè)用M42mm 對(duì)穿螺桿將25m 厚Q355 鋼板、球鉸支座、球頭固定成一個(gè)整體，通過鋼板與桁架焊接固定在水平桁架上，Φ50×5mm 的不銹鋼拉桿承受最大軸力200.36kN，為保證連接部分可靠性，特對(duì)球鉸、支座及連接進(jìn)行有限元受力分析。

圖10 水平桁架與承重吊桿連接節(jié)點(diǎn)

經(jīng)有限元分析SR30mm 球頭最大應(yīng)力258.74N/mm2，小于S32205 不銹鋼材料的抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值385N/mm2（圖11a）、支座最大應(yīng)力348.64N/mm2（圖11b），位于棱邊接觸擠壓位置，小于S32205 端面承壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值540N/mm2、連接螺釘最大應(yīng)力171.51N/mm2，主要位于發(fā)生剪切位置，小于S32205 不銹鋼材料的抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 220N/mm2（圖11c）。

圖11 應(yīng)力云圖

Φ50×5mm 豎向承重吊桿，作為結(jié)構(gòu)體系重要的承重構(gòu)件，為驗(yàn)證理論分析的準(zhǔn)確性，在桿件安裝前，送檢實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行拉拔實(shí)驗(yàn)（圖12），試驗(yàn)最大破斷力414.44kN（圖13）遠(yuǎn)大于構(gòu)件抗拉設(shè)計(jì)值200.36kN 構(gòu)件安全可靠。

圖12 拉拔試驗(yàn)

圖13 實(shí)驗(yàn)報(bào)告

5 承重吊桿荷載張拉

在東南角鋼結(jié)構(gòu)承重吊桿安裝過程中，為保證豎向承重吊桿張緊后軸力值與理論計(jì)算模型一致，在吊桿張拉過程中，提取1.2D（自重荷載）工況下桿件軸力值，采用計(jì)數(shù)液壓千斤頂對(duì)吊桿自上而下，左右同步對(duì)稱張拉，拍照留存張拉記錄數(shù)值（圖14）。

吊桿張拉完畢后，部分吊桿發(fā)生松動(dòng)，豎向承重吊桿不張緊，構(gòu)件無法參與受力，結(jié)構(gòu)體系不成立。最初判斷是由于鋼構(gòu)施工單位對(duì)承重吊桿張拉措施不當(dāng)造成，但對(duì)松動(dòng)的吊桿重新張緊后，仍有其他吊桿發(fā)生松動(dòng)。將關(guān)注點(diǎn)聚焦到吊桿與球頭的螺栓連接位置，經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)吊桿與球頭連接位置止松螺母存在構(gòu)造缺陷，無法有效限制螺母松動(dòng)，解決吊桿松動(dòng)問題關(guān)鍵在于防止鎖緊螺母松動(dòng)，最后采用Φ2mm-ER2209 雙相不銹鋼焊條對(duì)拉桿鎖緊螺母進(jìn)行局部對(duì)稱點(diǎn)焊，有效解決承重吊桿螺母松動(dòng)問題，Φ50×5mm 吊桿全部張緊，順利完成結(jié)構(gòu)吊裝。

6 結(jié)論

濟(jì)南萬象城東南角幕墻支撐結(jié)構(gòu)是近期國內(nèi)完成的較為復(fù)雜的吊掛大跨空間桁架結(jié)構(gòu)體系，通過以上分析總結(jié)結(jié)論如下：

（1）東南角幕墻支撐結(jié)構(gòu)采用豎向吊桿承擔(dān)恒載，水平向拱形桁架抵抗風(fēng)荷載的支撐體系，結(jié)構(gòu)傳力路徑清晰、構(gòu)件截面小、用鋼量小、成本經(jīng)濟(jì)；

（2）幕墻結(jié)構(gòu)支撐方案，巧妙地將豎向吊桿隱藏在幕墻玻璃膠縫中，橫向結(jié)構(gòu)外置隱蔽在立面橫向裝飾線條中，室內(nèi)完全實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)消隱，幕墻支撐結(jié)構(gòu)選型具有一定的創(chuàng)新性；

（3）幕墻支撐結(jié)構(gòu)吊掛在主體結(jié)構(gòu)上，具有空間形狀復(fù)雜、懸掛質(zhì)量大、系統(tǒng)剛度柔、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造復(fù)雜等特點(diǎn)；

（4）固定球鉸支座的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)，不但有效解決桿件端部彎矩充分釋放問題，因其萬向多變的特點(diǎn)，不但避免了構(gòu)件連接放樣難題，還省去了現(xiàn)場節(jié)點(diǎn)安裝空間打點(diǎn)定位的放線的難題，極大方便了現(xiàn)場鋼結(jié)構(gòu)安裝；

（5）該結(jié)構(gòu)判定幕墻支撐體系，計(jì)算風(fēng)壓時(shí)，保守采用陣風(fēng)系數(shù)進(jìn)行風(fēng)壓計(jì)算，風(fēng)荷載取值較風(fēng)振系數(shù)取值偏大。