丁潔民， 何志軍， 李久鵬

(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)

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上海中心大廈巨型懸掛式幕墻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與思考

丁潔民， 何志軍， 李久鵬

(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)

摘要：上海中心大廈外幕墻系統(tǒng)采用了分區(qū)懸掛的巨型柔性懸掛式幕墻支撐結(jié)構(gòu)體系.該體系遠(yuǎn)離主體結(jié)構(gòu)、幾何造型扭曲、分區(qū)懸掛重量大、懸掛高度高、豎向支承剛度柔且不均勻，整個(gè)幕墻結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成及傳力較為特殊導(dǎo)致其與主體結(jié)構(gòu)協(xié)同工作復(fù)雜，給結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)帶來許多前所未有的技術(shù)挑戰(zhàn).從方案到施工圖設(shè)計(jì)過程，無論是結(jié)構(gòu)體系還是節(jié)點(diǎn)構(gòu)造均經(jīng)歷了多輪的反復(fù)論證分析與優(yōu)化.尤其是采用整體模型協(xié)同分析，對(duì)水平和豎向荷載下幕墻支撐結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)協(xié)同工作性能、豎向地震反應(yīng)、以及施工過程中幕墻支撐結(jié)構(gòu)的受力特性等問題進(jìn)行了深入地分析和研究.確保了工程建設(shè)的順利實(shí)施，實(shí)際安裝施工也驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性.上海中心幕墻支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)歷了艱辛的設(shè)計(jì)歷程，其相關(guān)設(shè)計(jì)方法和成果是對(duì)現(xiàn)有高層建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念和方法的豐富和完善，同時(shí)也引發(fā)了對(duì)高層建筑復(fù)雜幕墻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的新的思考.

關(guān)鍵詞：懸掛式幕墻支撐結(jié)構(gòu)； 結(jié)構(gòu)選型； 節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)； 協(xié)同工作分析； 豎向地震反應(yīng)分析； 施工過程分析

傳統(tǒng)的幕墻系統(tǒng)一般采用橫梁立柱支撐并逐層懸掛在主體結(jié)構(gòu)之上[1].近年來，隨著建筑技術(shù)的提高，外幕墻向著尺度更大、形態(tài)更復(fù)雜的方向發(fā)展.對(duì)于這類大尺度、復(fù)雜形態(tài)的外幕墻，往往需要為其設(shè)置獨(dú)立的幕墻支撐結(jié)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)外幕墻復(fù)雜的表皮形態(tài)或跨越較大的跨度，并協(xié)調(diào)外幕墻與主體結(jié)構(gòu)的幾何關(guān)系.如，近年來建成的北京新保利大廈，上海東方藝術(shù)中心，中國航海博物館等以幕墻設(shè)計(jì)而知名的建筑，都具有其獨(dú)特的幕墻支撐結(jié)構(gòu)[2-4].大尺度、復(fù)雜形態(tài)幕墻系統(tǒng)的支撐結(jié)構(gòu)往往結(jié)構(gòu)體系及受力性態(tài)復(fù)雜，使得其結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)難度較高，為此許多學(xué)者結(jié)合實(shí)際工程對(duì)其與主體結(jié)構(gòu)的相互作用、抗震、抗風(fēng)分析方法、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等相關(guān)問題進(jìn)行了深入的研究[5-9]，促進(jìn)了該類幕墻系統(tǒng)的工程應(yīng)用.

盡管近年來具有復(fù)雜形態(tài)的大尺度幕墻系統(tǒng)的建筑逐漸增多，但往往應(yīng)用于高度較低的多高層建筑，鮮有在超高層建筑中的應(yīng)用案例.客觀上，若將復(fù)雜形態(tài)的大尺度幕墻系統(tǒng)應(yīng)用于超高層建筑，超高層建筑作為幕墻系統(tǒng)的彈性支撐邊界在各類荷載及非荷載效應(yīng)下的變形復(fù)雜，由于尺寸的累積效應(yīng)會(huì)對(duì)幕墻系統(tǒng)產(chǎn)生不可忽視的影響，且幕墻結(jié)構(gòu)與主體間的連接界面構(gòu)造復(fù)雜等因素導(dǎo)致其在超高層建筑中的應(yīng)用難度較多層建筑更高，從而限制了其在超高層建筑中的應(yīng)用.上海中心大廈第一次將復(fù)雜幾何形態(tài)的大尺度玻璃幕墻系統(tǒng)應(yīng)用于超高層建筑，是復(fù)雜幾何形態(tài)的大尺度幕墻系統(tǒng)應(yīng)用方面的一次大膽的探索，本文以該項(xiàng)目為研究背景對(duì)復(fù)雜形態(tài)的大尺度幕墻系統(tǒng)在超高層建筑上應(yīng)用進(jìn)行了研究，對(duì)其支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所面臨的挑戰(zhàn)及應(yīng)對(duì)策略進(jìn)行了介紹.

1工程概況

上海中心大廈位于上海陸家嘴金融區(qū)，見圖1.總建筑面積約58萬m2，結(jié)構(gòu)高度580 m，建筑總高度632 m.該項(xiàng)目首次在超高層建筑中大規(guī)模使用了雙層獨(dú)立玻璃幕墻系統(tǒng)，其中遠(yuǎn)離主體結(jié)構(gòu)且扭曲收縮的外幕墻系統(tǒng)是整棟建筑區(qū)別于其他高層建筑的顯著特點(diǎn)，也是其設(shè)計(jì)難點(diǎn)之一.

圖1　上海中心大廈

1.1外幕墻建筑設(shè)計(jì)特點(diǎn)

a主體結(jié)構(gòu)b外幕墻支撐c外幕墻

圖2幕墻系統(tǒng)與主體結(jié)構(gòu)的關(guān)系

Fig.2Curtain wall system and main structure

圖3　典型幕墻剖面透視圖

這樣分離式的設(shè)計(jì)，使外幕墻造型設(shè)計(jì)相對(duì)獨(dú)立于主體結(jié)構(gòu)，在保持主體建筑造型簡潔高效的同時(shí)，增加了表皮幾何造型設(shè)計(jì)的自由度，進(jìn)而為通過改變建筑幾何造型來降低整個(gè)建筑的橫風(fēng)向風(fēng)振效應(yīng)提供了可能性.風(fēng)洞試驗(yàn)表明，上海中心的幾何造型較常規(guī)的正方形截面錐體造型可減少24%的風(fēng)力，節(jié)省結(jié)構(gòu)造價(jià)約3.5億.

1.2主體結(jié)構(gòu)體系

a主結(jié)構(gòu)分段軸測(cè)圖b主結(jié)構(gòu)剖面圖

圖4上海中心主體結(jié)構(gòu)

Fig.4Main structure of Shanghai Tower

2分離式外幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)

上海中心大廈外幕墻幾何形態(tài)扭曲、收縮，分區(qū)體量超大且遠(yuǎn)離主體結(jié)構(gòu)，給上海中心幕墻支撐結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)帶來許多前所未有的技術(shù)挑戰(zhàn).

(1)外幕墻遠(yuǎn)離主體結(jié)構(gòu)，中庭最寬處外幕墻距主體結(jié)構(gòu)距離達(dá)13 m以上，主結(jié)構(gòu)無法直接為板塊提供支撐，為此需在幕墻與主體結(jié)構(gòu)之間設(shè)置在幾何上能夠協(xié)調(diào)內(nèi)外幕墻的過度次級(jí)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，為幕墻板塊提供支撐，將外幕墻荷載向主體結(jié)構(gòu)有效傳遞.

(2)由于外幕墻表皮形態(tài)不規(guī)則.支撐結(jié)構(gòu)對(duì)復(fù)雜表皮幾何應(yīng)具有良好的適應(yīng)性，能用簡潔的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)搭建出復(fù)雜的幾何形態(tài).

(3)內(nèi)外幕墻之間的中庭空間大、幕墻支撐結(jié)構(gòu)的體量大，對(duì)幕墻系統(tǒng)的通透性影響大，因此支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)件需要做到輕巧，斷面小，視覺阻礙小.

(5)外幕墻采用超白玻璃，透光率高、輻射強(qiáng)；同時(shí)中庭空間大、高度高、熱環(huán)境復(fù)雜，夏季在日照輻射使中庭溫度升高形成“溫室效應(yīng)”，上述兩方面的綜合作用導(dǎo)致這個(gè)幕墻結(jié)構(gòu)的溫度作用強(qiáng).

(6)外幕墻遠(yuǎn)離主體、且分段設(shè)置，水平荷載下，主樓彎曲變形明顯相鄰設(shè)備層由于轉(zhuǎn)角差將對(duì)外幕墻形成擠壓，同時(shí)重力荷載下外幕墻也將產(chǎn)生相對(duì)主體結(jié)構(gòu)的豎向變形，這要求相關(guān)幕墻與主體結(jié)構(gòu)連接構(gòu)造既要能有效的將幕墻重力、風(fēng)荷載、地震作用等荷載作用傳給主體結(jié)構(gòu)，又要對(duì)幕墻支撐結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的相對(duì)變形有良好的適應(yīng)性.

(7)上海中心結(jié)構(gòu)超高，外幕墻面積大，且遠(yuǎn)離主體結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)施工周期長、建造難度大，因此幕墻支撐系統(tǒng)應(yīng)具有良好的可建造性及技術(shù)經(jīng)濟(jì)性.

3結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)策

3.1分離式幕墻支撐結(jié)構(gòu)體系的構(gòu)建

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人員對(duì)外幕墻支撐結(jié)構(gòu)體系做了詳細(xì)的多方案的設(shè)計(jì)選型研究，包括剛性的三向斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)方案 (圖 5)和柔性的吊桿—水平桁架懸掛方案(圖 6).剛性結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)變形小，施工難度較低，但是，該方案對(duì)建筑外立面影響較大，結(jié)構(gòu)用鋼量大，且對(duì)主體抗側(cè)剛度提高有限.柔性水平桁架—吊桿方案，豎向采用吊桿，視覺通透性較好，但水平向桿件較多，嚴(yán)重影響中庭視覺效果.

圖5　三向斜交網(wǎng)格結(jié)構(gòu)

圖6　水平桁架—吊桿系統(tǒng)

最終選擇了由“吊桿—環(huán)梁—徑向支撐”組成的“分區(qū)懸掛的柔性幕墻支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)”(圖 7).該系統(tǒng)可在豎向相對(duì)主體結(jié)構(gòu)自由變形，降低了幕墻支撐結(jié)構(gòu)的受力水平.因而構(gòu)件截面較小，結(jié)構(gòu)輕盈通透、視覺阻礙小，同時(shí)結(jié)構(gòu)用鋼量小，可建造性好.

a 效果圖

b平面布置圖c剖面圖

圖7幕墻支撐結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成

Fig.7Curtain wall structure system

支撐板塊的環(huán)梁逐層設(shè)置其幾何與外幕墻造型高度匹配，隨著樓層升高，環(huán)梁繞著圓柱體樓面逐層旋轉(zhuǎn)、收縮.考慮成型能力和建筑造型效果，環(huán)梁采用直徑356 mm鋼管，沿環(huán)向每8～10 m設(shè)置一道水平徑向鋼管支撐(Ф219×13，Ф273×13)共25根徑向支撐將其與主體樓面結(jié)構(gòu)連接，將幕墻承受的水平風(fēng)荷載向樓面?zhèn)鬟f.徑向支撐與環(huán)梁剛接連接，以承擔(dān)板塊偏心懸掛產(chǎn)生的扭矩.與樓面邊梁采用鉸接連接以允許外幕墻可相對(duì)于主體上下運(yùn)動(dòng).

在環(huán)梁和徑向鋼管支撐相交的位置設(shè)置兩根屈服強(qiáng)度460MPa的高強(qiáng)度鋼吊桿(Ф60～Ф80)將每區(qū)的所有水平環(huán)梁串聯(lián)吊掛至上部機(jī)電層輻射桁架的懸挑端.雙吊桿設(shè)計(jì)提高了結(jié)構(gòu)承重冗余度，保證了其中一根吊桿失效時(shí)結(jié)構(gòu)的安全性.

為約束幕墻相對(duì)主體的扭轉(zhuǎn)，在每層環(huán)梁與圓柱體樓面相切的位置布置了三個(gè)限位約束，在角部設(shè)置了Ф60的拉桿交叉支撐.

每區(qū)最下方底環(huán)梁位于休閑層樓板上方且距樓板360 mm，無法在這一層設(shè)置徑向支撐為其提供水平支撐.因此在每區(qū)下方的休閑層樓面梁上設(shè)置連接立柱，并插入底環(huán)梁連接.這樣的連接方式為底環(huán)梁提供了側(cè)向支撐，并允許其相對(duì)主體結(jié)構(gòu)豎向自由.

3.2超長環(huán)梁選型設(shè)計(jì)

幕墻支撐結(jié)構(gòu)為封閉的環(huán)形結(jié)構(gòu)，環(huán)向總周長最長接近300 m，放射狀布置的徑向支撐的限制了環(huán)梁的自由伸縮變形，在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生較大溫度應(yīng)力.設(shè)計(jì)中，曾考慮在幕墻環(huán)梁中設(shè)置伸縮縫(圖 8)，釋放環(huán)梁的溫度應(yīng)力.

圖8　有伸縮縫的幕墻支撐結(jié)構(gòu)典型平面布置

但設(shè)置伸縮縫也同時(shí)帶來的一些無法克服的問題：①溫度作用下，伸縮縫位移達(dá)到30 mm，幕墻板塊插接構(gòu)造難以吸收該位移；同時(shí)板塊安裝過程中，由于環(huán)境溫度變化，伸縮縫變形使幕墻連接件發(fā)生位移，導(dǎo)致幕墻板塊安裝定位困難；②環(huán)梁軸向剛度不連續(xù)、整體性削弱，抗扭性能變差；③伸縮縫構(gòu)造復(fù)雜，加工難度大、深化、采購，對(duì)結(jié)構(gòu)正常的施工過程與進(jìn)度影響很大[11].

基于上述原因最終取消了水平伸縮節(jié)點(diǎn)，采用連續(xù)布置的環(huán)梁系統(tǒng)，并通過精細(xì)的溫度效應(yīng)分析保證結(jié)構(gòu)受力安全.

3.3抗扭體系選型設(shè)計(jì)

幕墻板塊遠(yuǎn)離主體結(jié)構(gòu)且?guī)缀卧煨团まD(zhuǎn)，在重力、風(fēng)荷載、水平地震作用下，環(huán)梁系統(tǒng)存在繞主樓扭轉(zhuǎn)趨勢(shì).為控制環(huán)梁扭轉(zhuǎn)變形，防止環(huán)梁水平變形過大引起玻璃板塊破壞.結(jié)構(gòu)選型時(shí)考慮了僅限位約束、僅交叉支撐、限位約束+交叉支撐，3種抗扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)方案(圖 7)，并通過對(duì)環(huán)梁在最不利的風(fēng)荷載工況下[10],各點(diǎn)的切向變形(圖 9)進(jìn)行分析，以確定最優(yōu)的抗扭方案.

分析表明:僅限位約束與限位約束+交叉支撐方案環(huán)梁扭轉(zhuǎn)變形接近且明顯小于僅交叉支撐方案，說明限位約束為結(jié)構(gòu)提供的抗扭剛度明顯優(yōu)于拉桿支撐，當(dāng)同時(shí)布置限位約束與交叉拉桿時(shí)，交叉支撐對(duì)于改善環(huán)梁抗扭剛度作用并不顯著.

盡管分析表明僅設(shè)置限位約束已可以為環(huán)梁提供足夠的抗扭約束，最終的抗扭構(gòu)造方案，仍然選擇了限位約束+拉索支撐的“雙重抗扭”方案，以提高幕墻支撐結(jié)構(gòu)抗扭轉(zhuǎn)的冗余度[10].

圖9　風(fēng)荷載作用下環(huán)梁扭轉(zhuǎn)變形圖

3.4特殊節(jié)點(diǎn)構(gòu)造設(shè)計(jì)與優(yōu)化

幕墻分段懸掛高度高達(dá)55～66 m、重量重，由于尺度效應(yīng)，在各類水平及豎向荷載作用下，幕墻與主體結(jié)構(gòu)間存在較大的豎向相對(duì)位移(圖10和圖11).為保障幕墻系統(tǒng)的正常工作，降低支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平，在幕墻支撐結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)之間，設(shè)置了底環(huán)梁豎向伸縮節(jié)點(diǎn)、短支撐內(nèi)端滑動(dòng)節(jié)點(diǎn)、扭轉(zhuǎn)限位約束等特殊的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，用以吸收幕墻系統(tǒng)在各類荷載及非荷載效應(yīng)下的相對(duì)主體結(jié)構(gòu)的位移[11].

(1)底環(huán)梁伸縮節(jié)點(diǎn)

底環(huán)梁共設(shè)有25對(duì)水平伸縮節(jié)點(diǎn)和豎向伸縮節(jié)點(diǎn).水平伸縮節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖 12所示，其內(nèi)部設(shè)置雙滑環(huán)，可保證環(huán)梁的抗彎連續(xù)，又能沿環(huán)梁軸向滑動(dòng)，釋放軸向變形，防止環(huán)梁溫度作用下水平伸縮變形引起豎向伸縮節(jié)點(diǎn)應(yīng)力集中，從而影響滑動(dòng).

豎向伸縮節(jié)點(diǎn)的最初設(shè)計(jì)采用如圖 12所示剛接方案，在豎向伸縮節(jié)點(diǎn)內(nèi)設(shè)置減摩雙滑環(huán)，雙滑環(huán)固定于外套筒內(nèi)壁，并與立桿管緊密接觸，可為環(huán)梁提供必要的扭轉(zhuǎn)約束，又能允許環(huán)梁豎向滑動(dòng).

圖10　側(cè)向荷載作用下幕墻支撐結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)相對(duì)變形

圖11　豎向荷載下幕墻支撐結(jié)構(gòu)變形

圖12　方案階段伸縮節(jié)點(diǎn)構(gòu)造示意

但是該豎向伸縮節(jié)點(diǎn)存在一個(gè)主要的技術(shù)瓶頸是：節(jié)點(diǎn)將承受由底環(huán)梁傳遞來的較大彎矩和剪力(圖 13).彎矩作用與剪力作用可在滑環(huán)和內(nèi)襯管間產(chǎn)生擠壓力，從而形成阻礙節(jié)點(diǎn)滑動(dòng)的摩擦力.當(dāng)摩擦力大于驅(qū)動(dòng)力(底層環(huán)梁板塊重量)，節(jié)點(diǎn)將不能滑動(dòng)，導(dǎo)致底環(huán)梁在豎向相對(duì)塔樓無法自由變形，底層吊桿松弛、幕墻受壓破壞.

節(jié)點(diǎn)附加內(nèi)力的構(gòu)成成分分析表明，引起節(jié)點(diǎn)不能滑動(dòng)的主要附加內(nèi)力是休閑層樓面變形引起的環(huán)向彎矩.設(shè)計(jì)時(shí)通過將節(jié)點(diǎn)構(gòu)造改為鉸接釋放環(huán)向彎矩、節(jié)點(diǎn)上移減小偏心、減少節(jié)點(diǎn)數(shù)量、增大滑環(huán)間距等多種措施綜合運(yùn)用，減小滑環(huán)擠壓力降低了節(jié)點(diǎn)摩擦力，避免了節(jié)點(diǎn)“自鎖”.最后選定的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造如圖 14所示.

a剪力作用b彎矩作用c剪力產(chǎn)生摩擦力d彎矩產(chǎn)生摩擦力

圖13豎向伸縮節(jié)點(diǎn)受力示意圖

Fig.13Mechanics graph of vertical sliding joint

此外，底層吊桿由于僅承受一層幕墻及環(huán)梁重量，拉力較小，極易受到擾動(dòng)而發(fā)生松弛.特在底環(huán)梁增加配重，防止吊桿松弛，并增加滑動(dòng)驅(qū)動(dòng)力.

圖14　豎向伸縮節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

(2)短支撐內(nèi)端節(jié)點(diǎn)

如圖10和圖11所示，幕墻系統(tǒng)在安裝和使用階段會(huì)發(fā)生相對(duì)于主體結(jié)構(gòu)的豎向位移，由于徑向支撐外端與環(huán)梁剛接、內(nèi)端與樓面鉸接，這些位移將在支撐內(nèi)產(chǎn)生較大的附加內(nèi)力.對(duì)于長度較長的徑向支撐，由于其線剛度較小，對(duì)于豎向位移不敏感，內(nèi)端設(shè)置鉸接構(gòu)造即可有效降低支撐的附加內(nèi)力.

但位于限位約束兩側(cè)長度<2 m的徑向支撐(圖 7 )，由于其線剛度大，內(nèi)端節(jié)點(diǎn)即使采用鉸接構(gòu)造仍然會(huì)產(chǎn)生較大的附加彎矩而破壞.對(duì)于該類支撐，設(shè)計(jì)時(shí)采用了圖 15所示的滑動(dòng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造，該構(gòu)造可以使短支撐內(nèi)端隨環(huán)梁豎向滑動(dòng)，消除支撐內(nèi)外端的豎向位移差，降低支撐約束剛度和支撐附加內(nèi)力.

圖15　短支撐內(nèi)端滑動(dòng)節(jié)點(diǎn)構(gòu)造

(3)扭轉(zhuǎn)限位約束節(jié)點(diǎn)

扭轉(zhuǎn)限位約束位于外幕墻與樓面的相切的位置(圖 7)，主要作用是承受幕墻環(huán)梁的切向力，限制環(huán)梁切向位移，為外幕墻環(huán)梁提供扭轉(zhuǎn)約束.

限位約束的具體構(gòu)造如圖 16所示，在環(huán)梁對(duì)應(yīng)樓層設(shè)置限位牛腿，環(huán)梁箱型牛腿伸入樓面限位牛腿中.并在環(huán)梁牛腿與樓面限位牛腿間設(shè)置橡膠墊板進(jìn)行緩沖，避免環(huán)梁牛腿與樓面牛腿鋼構(gòu)件的硬接觸.橡膠墊板與樓面限位牛腿上固定的不銹鋼板組成減摩副以便于環(huán)梁相對(duì)樓面豎向、前后滑動(dòng).

圖16　限位約束構(gòu)造

4若干非常規(guī)問題的分析與設(shè)計(jì)

盡管分區(qū)懸掛的幕墻體系有許多技術(shù)優(yōu)勢(shì)，但其獨(dú)特的體系構(gòu)成以及與主體結(jié)構(gòu)間復(fù)雜的連接關(guān)系，使其分析和設(shè)計(jì)面臨許多非常規(guī)的問題，需要專門研究.

4.1與主體結(jié)構(gòu)協(xié)同工作性能研究

常規(guī)的幕墻結(jié)構(gòu)為附屬于主體結(jié)構(gòu)的單跨懸掛靜定的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，主體結(jié)構(gòu)變形不會(huì)引起幕墻次結(jié)構(gòu)產(chǎn)生附加內(nèi)力，因此將其作為剛性邊界條件獨(dú)立的結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行分析設(shè)計(jì)即可，不需與主體結(jié)構(gòu)整體協(xié)同分析[12].

但上海中心幕墻支撐系統(tǒng)放射狀布置的徑向支撐將幕墻結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)形成超靜定的傳力和約束機(jī)制.支撐結(jié)構(gòu)分區(qū)高度高、重量大，各吊點(diǎn)懸掛剛度柔且不均勻，同時(shí)主體結(jié)構(gòu)超高、其豎向與水平向變形都較大，將不可避免的引起幕墻支撐結(jié)構(gòu)不均勻的豎向變形以及與主體結(jié)構(gòu)的豎向相對(duì)變形和附加內(nèi)力.上述體系構(gòu)成和傳力特點(diǎn)導(dǎo)致幕墻支撐結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)存在復(fù)雜的靜動(dòng)力相互作用.

為確保整個(gè)幕墻系統(tǒng)安全，需通過將幕墻支撐結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)整體建模，對(duì)幕墻支撐結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的協(xié)同工作特性進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究，豎向荷載下協(xié)同分析表明，在幕墻懸掛重力及設(shè)備層附加恒活作用下，環(huán)梁各吊點(diǎn)豎向變形大且分布不均，將導(dǎo)致幕墻板塊承受較大的豎向剪切變形、徑向支撐較大的附加內(nèi)力、吊桿內(nèi)力發(fā)生重分布，并對(duì)伸縮節(jié)點(diǎn)帶來不利影響.水平荷載作用下協(xié)同分析表明，主體結(jié)構(gòu)側(cè)向彎曲，導(dǎo)致相鄰設(shè)備層之間產(chǎn)生轉(zhuǎn)角差，幕墻支撐結(jié)構(gòu)環(huán)梁懸掛于頂部設(shè)備層上，將隨頂部設(shè)備層轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生隨動(dòng)豎向變形，而連接徑向支撐的樓面次框架支承于下區(qū)設(shè)備層環(huán)帶桁架之上，由此導(dǎo)致環(huán)梁與樓面產(chǎn)生較大的相對(duì)豎向位移對(duì)伸縮節(jié)點(diǎn)和徑向支撐均帶來不利影響.

鑒于該結(jié)構(gòu)上述協(xié)同受力特點(diǎn)，對(duì)設(shè)備層剛度進(jìn)行調(diào)平設(shè)計(jì)，通過調(diào)整樓面梁系布置以及樓面加強(qiáng)設(shè)計(jì)，降低了吊點(diǎn)豎向變形不均勻性保證玻璃板塊使用安全；在支撐內(nèi)端設(shè)置滑動(dòng)構(gòu)造降低附加內(nèi)力水平保證支撐受力安全；對(duì)有關(guān)滑動(dòng)節(jié)點(diǎn)滑動(dòng)行程進(jìn)行仔細(xì)復(fù)核，確保其在各種復(fù)雜工況下能正?；瑒?dòng)工作，分析表明，考慮整體協(xié)同后伸縮節(jié)點(diǎn)的總滑動(dòng)行程最大達(dá)到了向上90 mm，向下160 mm.

4.2幕墻系統(tǒng)豎向地震反應(yīng)影響評(píng)估

從豎向受力來說，上海中心幕墻支撐結(jié)構(gòu)為巨型的彈性串聯(lián)懸掛系統(tǒng)，分區(qū)懸掛重量重達(dá)2 200～3 200 t，且懸掛高度高(8區(qū)達(dá)536 m)，設(shè)備層懸掛點(diǎn)的豎向支承剛度柔，因此該結(jié)構(gòu)在豎向地震作用下的響應(yīng)不容忽視.且幕墻結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的豎向振動(dòng)周期較為接近，均位于地震反應(yīng)譜的平臺(tái)段(0.1～0.9 s)，將使得幕墻結(jié)構(gòu)的豎向地震響應(yīng)更為突出.

為保證豎向地震作用下，幕墻支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的安全承載，采用整體模型計(jì)入主體結(jié)構(gòu)高度和彈性支承效應(yīng)對(duì)幕墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳盡的豎向地震響應(yīng)分析，分析表明：幕墻支撐結(jié)構(gòu)地震反應(yīng)隨高度的增加而逐漸增大.8區(qū)底部環(huán)梁的加速度峰值已達(dá)到8.0 m·s-2(0.82 g)相當(dāng)于基底輸入加速度的12.3倍，玻璃板塊豎向地震力不容忽視.8區(qū)吊桿最大軸力達(dá)到0.65倍的重力，吊桿及相關(guān)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮其影響進(jìn)行設(shè)計(jì).另外，環(huán)梁豎向地震下產(chǎn)生很大的不均勻豎向位移，相鄰吊點(diǎn)位移差達(dá)到16 mm，板塊變形構(gòu)造設(shè)計(jì)應(yīng)考慮其影響以防止地震時(shí)板塊構(gòu)造不能吸收過大的豎向剪切變形而破碎，產(chǎn)生次生災(zāi)害.幕墻豎向地震反應(yīng)的詳細(xì)分析見文獻(xiàn)[13].

4.3施工建造對(duì)幕墻支撐結(jié)構(gòu)的影響分析與控制

幕墻分區(qū)懸掛重量大，吊掛點(diǎn)的豎向支承剛度柔且不均勻，幕墻懸掛施工會(huì)使設(shè)備層發(fā)生不均勻的豎向變形，從而導(dǎo)致幕墻系統(tǒng)各層環(huán)梁安裝完成后偏離預(yù)定的設(shè)計(jì)標(biāo)高、環(huán)梁外觀不平整，從而影響建筑外觀及幕墻板塊的安裝和正常使用.

為此，對(duì)幕墻支撐結(jié)構(gòu)的安裝過程進(jìn)行施工模擬分析，并依據(jù)分析結(jié)果對(duì)標(biāo)高進(jìn)行調(diào)整.分析表明，施工過程中幕墻自重、附加恒活下的吊點(diǎn)位移，以及吊桿伸長均對(duì)環(huán)梁最終位移有較大影響，根據(jù)模擬分析最終采取吊點(diǎn)預(yù)抬高和吊桿長度預(yù)調(diào)兩種措施確保幕墻施工建造的順利進(jìn)行.

此外，主體結(jié)構(gòu)(巨柱)壓縮量大與主體結(jié)構(gòu)施工順序密切相關(guān)，主體結(jié)構(gòu)超高、施工周期長，低區(qū)幕墻施工完成后，高區(qū)主體仍在施工，區(qū)間巨柱的彈性和非彈性壓縮仍將繼續(xù)發(fā)展，為評(píng)估幕墻懸掛后巨柱的后續(xù)變形，結(jié)合實(shí)際的施工順序，采用施工模擬的方法對(duì)結(jié)構(gòu)建成后50年的巨柱包含收縮、徐變?cè)趦?nèi)的總的壓縮量進(jìn)行了評(píng)估，分析表明：由于巨柱長度較長，巨柱區(qū)間壓縮量較大達(dá)到了35～50 mm，其中收縮、徐變?cè)诰拗鶇^(qū)間總壓縮量中占比超過70%，表明長期的荷載效應(yīng)對(duì)幕墻支撐結(jié)構(gòu)存在顯著的影響.同樣由于主體結(jié)構(gòu)巨型框架與次框架組合的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，巨柱壓縮導(dǎo)致幕墻環(huán)梁與樓層產(chǎn)生數(shù)值較大且分布規(guī)律復(fù)雜的豎向位移差，從而使徑向支撐產(chǎn)生附加較大的彎矩并對(duì)伸縮節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)帶來不利影響.

5結(jié)論

上海中心外幕墻系統(tǒng)遠(yuǎn)離主體結(jié)構(gòu)、體型扭轉(zhuǎn)且采用獨(dú)特的懸掛體系給幕墻支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工帶來了諸多技術(shù)挑戰(zhàn)，通過本工程的設(shè)計(jì)研究，可得到以下結(jié)論：

(1)分區(qū)懸掛的柔性幕墻支撐結(jié)構(gòu)，構(gòu)件截面較小，輕盈通透，可建造性好，通過采取特殊構(gòu)造與主體連接在豎向可相對(duì)主體結(jié)構(gòu)自由變形.

(2)環(huán)梁采用連續(xù)系統(tǒng)有利于板塊構(gòu)造設(shè)計(jì)及安裝、結(jié)構(gòu)整體性好、且易于加工采購、節(jié)省造價(jià).

(3)限位約束+拉桿支撐雙重抗扭體系可有效控制環(huán)梁相對(duì)主體結(jié)構(gòu)水平變形，結(jié)構(gòu)抗扭冗余度高.

(4)懸掛系統(tǒng)與主體結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造設(shè)計(jì)是系統(tǒng)成立的關(guān)鍵，超靜定傳力機(jī)制使得相關(guān)構(gòu)造既要傳力可靠又要能吸收幕墻與主體結(jié)構(gòu)的相對(duì)豎向變形，以降低支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力、以保證幕墻使用安全.

(5)超高層懸掛式幕墻支撐結(jié)構(gòu)在重力荷載、風(fēng)荷載、地震作用以及施工建造過程中與主體結(jié)構(gòu)協(xié)同受力性能復(fù)雜，需通過整體模型協(xié)同分析以及施工模擬分析以確保幕墻系統(tǒng)安全.

上海中心復(fù)雜幕墻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)表明：

(1)對(duì)于超高層采用分離式的幕墻系統(tǒng)，可增加建筑造型設(shè)計(jì)的自由度，可在保持變主體結(jié)構(gòu)規(guī)則布置的同時(shí)利用外幕墻幾何的改變來降低主體結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載，具有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)性.

(2)由于幾何形態(tài)復(fù)雜、大體量的玻璃幕墻系統(tǒng)越來越多，且幕墻支撐結(jié)構(gòu)多為外露結(jié)構(gòu)，直接影響幕墻系統(tǒng)視覺效果，因此結(jié)構(gòu)選型除應(yīng)保證受力合理、經(jīng)濟(jì)適用外還應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注造型美觀.

(3)大體量、幾何復(fù)雜的幕墻系統(tǒng)往往與主體結(jié)構(gòu)存在較強(qiáng)的相互作用，因此對(duì)于復(fù)雜幕墻系統(tǒng)應(yīng)與主體結(jié)構(gòu)整體建模，協(xié)同分析設(shè)計(jì).

(4)大體量、幾何復(fù)雜的幕墻支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)采用柔性連接以吸收幕墻結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的相對(duì)變形，降低支撐結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平.

(5)由于玻璃材料的特殊性，對(duì)于變形敏感，因此幕墻支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)在保證結(jié)構(gòu)受力安全的基礎(chǔ)上應(yīng)重點(diǎn)控制結(jié)構(gòu)變形，以保證玻璃板塊安全.

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Design and Study of Super Suspend Curtain Wall Support Structure of Shanghai Tower

DING Jiemin, HE Zhijun, LI Jiupeng

(Architectural Design & Research Institute of Tongji University (Group) Co. Ltd., Shanghai 200092, China)

Abstract：A unique flexible suspend curtain wall support structure (CWSS) was ultimately developed to suit exterior curtain wall system of Shanghai Tower. Its characteristics of the deviation from main structure, the twisted geometry, the heavy weight, the high suspension height, the weak & nouniform support stiffness led to the complicated cooperation properties with main structure, and a number of unprecedented challenge for the analysis and design arose. From the scheme design to the construction drawing design, structural system and joint details underwent repeated rounds of analysis, proof and optimization. Especially, By means of cooperative analysis of integrated model including CWSS and main structure, the properties of cooperative work of CWSS under horizontal and vertical loads, vertical seismic response, mechanical properties of CWSS in construction were analyzed in detail. These work ensured the successful implementation of the project construction. The actual installation and construction have proved the reliability of the design of this system. The structural design process of CWSS is tough, and its design method and achievement also enrich and improve the existing design method and concept of curtain wall systems of high buildings. Meanwhile, it encourages a lot of new studies in structural design of complex curtain wall systems of high buildings.

Key words：suspend curtain wall support structure； structure selection； connection design； cooperative work analysis； vertical seismic response analysis； construction simulation analysis

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

中圖分類號(hào)：TP1

通訊作者：何志軍(1972—)，男，教授級(jí)高級(jí)工程師,工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)槌邔咏ㄖ?大跨度鋼結(jié)構(gòu)等.E-mail:8hzj@tjadri.com

基金項(xiàng)目：上海市科技攻關(guān)計(jì)劃項(xiàng)目(09dz1207704)

收稿日期：2015—01—23

第一作者： 丁潔民(1957—)，男，教授,工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)槌邔咏ㄖ?空間結(jié)構(gòu)等. E-mail：djm@tjadri.com