南京南站北入口27.80米高幕墻的結構設計

劉子成

(上海中建八局裝飾有限公司，上海 200122)

南京南站北入口27.80米高幕墻的結構設計

劉子成

(上海中建八局裝飾有限公司，上海 200122)

京滬高速南京南站屬于特大型旅客站房，其地上部分外立面玻璃幕墻為框架式明框玻璃幕墻，框架結構豎向支點間的最大間距27.8米，屬于典型的大空間大跨度結構形式，由于有關聯結構(椽子)和附屬結構(窗花)共同的作用效應，因而幕墻的結構受力設計較為復雜。本文以南京南站北入口局部幕墻為研討對象，介紹了幕墻的力系分解和幾種幕墻結構受力的解決方案，進而探討大跨度幕墻的設計分析方法。

幕墻;椽子;窗花;懸掛機構;內置鉸

1 引言

新建京滬高速鐵路南京南站屬典型的中式建筑，由于建筑師在確定立面形式時，不希望嵌入較多的現代元素，所以盡管北入口玻璃幕墻的單跨高度達到27.8米，在進行其結構形式比較選擇時，我們還是回避了桁架和索桿這類較易解決大跨度受力的結構類型，而最終采用了傳統的框架式幕墻結構。

從北入口幕墻立面上看(圖1、圖2)，幕墻除了鋼結構桿件和玻璃面板以外，還有金屬窗花、椽子等建筑元素，它們和立柱、橫梁、玻璃面板一起形成了共同的結構體系，這種結構類型之前甚少涉及，幕墻結構體系中部分傳力機構是針對本工程的專門設計。

圖1 北入口內立面透視圖

2 結構體系

2.1 結構級次

(1)門柱、門梁構成第一級門式框架結構，門柱和柱底埋件作剛性連接;

(2)幕墻鋼箱柱和柱頂平面桁架構成第二級門式框架，幕墻鋼箱柱通過內置鉸固定在門柱柱頂上方，鋼箱柱柱頂通過搖臂機構和屋蓋網架連接;

(3)幕墻橫梁、幕墻次立柱為最終的幕墻面板承載體依附在幕墻主立柱上;鋼箱柱、橫梁、次立柱之間均作剛性連接;

(4)上部椽子一端通過滑移鉸搭接在幕墻桁架梁上，另一端懸掛在頂部承重鋼梁上，頂部承重鋼梁和網架球剛接。

2.2 結構構件選型

(1)門柱:箱型柱500×250×20×20/Q345

(2)門梁;箱型方管桁架(弦桿80×80×4/Q235，腹桿50×50×3/Q235)

(3)幕墻主立柱:箱型柱720×250×20×30/Q345、柱底鉸、柱頂搖臂 P121×8/Q235

(4)幕墻橫梁:鋼方管200×120×50/Q235

(5)幕墻次立柱:鋼方管120×120×4/Q235

(6)窗花主梁:定制H型鋼H116×100×6/Q235

(7)頂部椽子:箱型方管桁架(弦桿50×30×3/Q235，腹桿30×30×3/Q235)

2.3 傳力機構

(1)柱頂平面桁架(圖3):設置柱頂桁架是為了承載幕墻體系的全高度累集自重，并給椽子的搭接生根。

(2)鋼箱柱柱底鉸:幕墻體系的載荷最終通過鋼立柱傳遞到主體結構上，鉸支座是消除彎矩的常見設計手法，由于從建筑設計角度考慮希望幕墻構件看上去古樸莊重，所以將幕墻柱底鉸隱藏在大立柱空腔內(圖4)。

(3)柱頂搖臂:柱頂搖臂只是用來平衡水平風力，在多數情況下，搖臂是垂直于幕墻平面的，由于本工程幕墻的分格模數和網架球節點不完全吻合，所以本設計存在兩種類型的搖臂形式:直搖臂和斜搖臂，從圖5可看出斜搖臂是對稱布置的，在風載荷作用下，搖臂軸力的水平分量能相互抵消。

為了在風載荷作用下箱型柱不產生扭轉，斜搖臂作用點向心布置(圖6)。

(4)椽子的懸掛機構:由于幕墻體系的剛度遠大于椽子體系的剛度，所以椽子和幕墻之間不宜進行水平力傳遞，否則幕墻的位移將會對椽子構件產生直接破壞，設計采用了懸掛裝置及雙向擺動鉸來實現解決這個問題(圖7-圖10)。

a)窗花的結構

窗花在建筑效果上要追求通透，所以將窗花的裝飾構件納入了受力體系作綜合受力分析。窗花的橫梁設計成H型鋼，可以利用其內凹空間來放置玻璃裝配構件。

圖11 窗花建筑及結構立面

圖12 窗花裝配結構詳圖

2.4 結構分析

本設計采用SAP2000有限元分析軟件做整體建模分析，從撓度和承載力兩個方面對結構體系的每個局部單元進行分別校核。

10+A12+10玻璃面板及鋁合金附件的自重標準值取值0.60KN/M2，幕墻大面的風載荷標準值取值采用風洞試驗的結果數據1.16KN/M2(圖13)，地震力按照底部剪力法由分析軟件自動加載，作用效應組合主要考慮不同風向的兩種典型組合類型:

撓度組合:COMB1=1.0 DEAD+1.0 WIND+0.50 QUAKE

強度組合:COMB2=1.2 DEAD+1.4 WIND+0.65 QUAKE

分析模型見圖14。

2.5 體系的撓度

按照《玻璃幕墻工程技術規范》，鋼結構幕墻立柱橫梁在風載荷作用下的變形控制指標為1/250，本幕墻的主立柱高度達到27.80 m，適當加大立柱的剛度有利于結構的整體穩定，特別是抑制立柱的P-D效應，本設計將主立柱的變形控制指標確定為1/350。

(1)自重下結構體系撓度:對于超高幕墻，應該考慮到恒載引起的橫梁沉降，當沉降超標或造成觀感下降時，應對橫梁進行反變形預調，圖15為體系在DEAD工況的變形云圖，圖形顯示結構自重下幕墻大面的沉降量最大值為2.49 mm，相對變形值 =2.49/2 000=1/803，滿足設計要求。

(2)垂直于玻璃面的風載荷WIND_Y標準值下結構體系撓度。

圖13 載荷模式及取值

圖16為WIND_Y工況的變形云圖，圖形顯示:

懸臂門柱的最大變形值為15.99mm，相對變形值 =15.99/3 855=1/241;

鋼箱柱在風載荷標準值下的最大變形量為84mm，相對變形值=(84-15.99)/(27 800-3 855)=1/352;

橫梁在風載荷標準值下的最大絕對變形為94mm，相對變形值=(94-84)/8 000=1/800;

門柱、箱型柱、橫梁的撓度值均滿足設計要求。3)圖17為平行于玻璃面風載荷WIND_X標準值下結構體系撓度:平行于玻璃面風載荷WIND_X主要影響對象是頂部椽子，在WIND_X工況下，頂部椽子的位移量為4mm，相對變形值=4/5 000=1/1 250，滿足設計要求。

2.6 體系桿件承載力(強度)校核

體系的承載力校核方法是將各級桿件分類，利用圖表或色示圖將各強度組合工況下的應力比輸出，設計控制應力比為0.95，當應力比超標時應調整設計。

圖16 WIND_Y工況下體系變形云圖

圖17 WIND_Y工況下椽子變形云圖

(1)門柱為懸臂構件，其根部承受較大的彎矩，桿件最大應力比列表如表1，其最大應力比0.81，從表1中可清楚看出彎矩應力為控制應力:

表1 門柱桿件PMM應力比

(2)鋼箱柱兩端鉸接，由于跨度較大所以在桿件中部有較大的彎矩，桿件最大應力比前5最值列表如表2，其最大應力比0.46，同樣，其彎矩應力為控制應力:

表2 幕墻鋼箱柱桿件PMM應力比

圖18分別表示門柱及鋼箱柱在強度組合COMB2工況下的軸力(左上)、剪力(右上)、弱軸彎矩(左下)、強軸彎矩(右下):

圖18 門柱及鋼箱柱內力圖

(3)幕墻橫梁最大應力比前5最值列表如表3，桿件最大應力比0.89，幕墻橫梁為雙向受彎構件，其強軸彎矩為主要控制因素:

表3 幕墻橫梁桿件PMM應力比

圖19分別表示幕墻橫梁在強度組合COMB2工況下的軸力(左上)、剪力(右上)、弱軸彎矩(左下)、強軸彎矩(右下):

圖19 幕墻橫梁內力圖

(4)幕墻次立柱最大應力比前5最值列表如表4，桿件最大應力比0.54，幕墻次立柱亦為雙向受彎構件，其強軸彎矩為控制因素:

表4 幕墻次立柱桿件PMM應力比

下面的色示圖分別表示幕墻次立柱在強度組合COMB2工況下的軸力(左上)、剪力(右上)、弱軸彎矩(左下)、強軸彎矩(右下):

圖20 幕墻次立柱內力圖

結論:經過對幕墻桿件的撓度和強度的驗算分析，證明幕墻體系的變形成都和承載力滿足設計要求。

3 結語

對于受力狀態較為復雜的幕墻體系，可將整體結構分類為較小和較為簡單的單元模塊，先行解決小單元模塊的受力狀態，初步確定單元內的各桿件尺寸和材質，再分析各單元模塊之間的力學傳遞狀態，設計出傳力機構和節點，最后將單元模塊進行合并進行整體分析，采用這種方法能有效減少設計難度和計算分析的工作量。

［1］肖銘.《2007建筑細部年鑒》［M］.華中科技大學出版社，2007，(7).

［2］崔佳等.《鋼結構設計規范理解與應用》［M］.中國建筑工業出版社，2004，(3).

［3］中國建筑標準設計研究院.《SAP2000中文版使用指南》［M］.人民交通出版社，2006，(9).

The Structure Design of 27.80-meter-curtain Wall for North Entrance of Nanjing South Station

Liu Zicheng

(China Construction Eighth Engineering Division Decoration Co.，Ltd.，Shanghai200122，China)

Nanjing South Station is the large passenger station for Beijing-Shanghai high-speed railway.The fa?ade glass curtain wall over ground is exposed frame glass curtain wall and the maximum distance of frame Structure between fulcrums is the 27.8 meters，which belongs to typically large space and long-span structure.Because of the common effect of associated structure(rafters)and subsidiary structure(grilles)，the suspension structure design for curtain wall is very complicated.In this paper，the north entrance curtain wall of Nanjing South Station is discussed and the solution of suspension structure for curtain wall is introduced.Finally，it reveals the method of long-span curtain wall design.

Curtain Wall;Rafters;Grilles;Suspension Structure

TU382

A

1674-7461(2011)01-0013-08

劉子成(1970-)，副總經理，高工。主要從事裝飾工程結構方面的研究。E-mail:1175947287@qq.com