上海中心幕墻支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計概況

何志軍

（同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司，上海200092）

上海中心幕墻支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計概況

何志軍

（同濟大學(xué)建筑設(shè)計研究院（集團）有限公司，上海200092）

上海中心大廈建筑高度632 m，該項目的幕墻設(shè)計采用了非常獨特的分離式雙層幕墻系統(tǒng)。其外幕墻支撐結(jié)構(gòu)采用了獨特的柔性懸掛式幕墻支撐結(jié)構(gòu)體系，該體系具有分區(qū)懸掛重量大、支承剛度柔、荷載效應(yīng)及節(jié)點構(gòu)造復(fù)雜等特點。對該幕墻支撐結(jié)構(gòu)體系的分析與設(shè)計有關(guān)內(nèi)容進行了介紹，包括結(jié)構(gòu)體系布置特點、關(guān)鍵荷載及作用取值、主要荷載作用下結(jié)構(gòu)的受力特性，以及幕墻與主體結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造。有關(guān)分析和設(shè)計方法可供其他類似項目分析、設(shè)計參考。

上海中心大廈，懸掛式幕墻支撐結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)體系選型，結(jié)構(gòu)分析與設(shè)計

1 工程概況

正在建造的上海中心大廈建筑高度632 m（圖1），為目前在建的國內(nèi)最高的超高層之一。主體塔樓呈圓形，沿高度共設(shè)置8道設(shè)備層將整個塔樓分成9個功能區(qū)，每個區(qū)的塔樓主體為一圓柱體（圖2），隨著高度升高，每個區(qū)樓面直徑逐漸縮小。

該項目的幕墻采用了獨特的內(nèi)外分離式雙層幕墻系統(tǒng)，其內(nèi)幕墻沿著樓板邊界呈圓柱形布置。外幕墻平面形狀為與主體樓面內(nèi)切的圓角三角形，在高度方向，三角形的外幕墻繞著主體樓面逐層旋轉(zhuǎn)、收縮，從而形成了非常獨特的建筑造型和外部立面，并在內(nèi)外幕墻之間形成貫通一個功能區(qū)的12～15層高的中庭空間（圖3）。

圖1 上海中心大廈鳥瞰Fig.1 Perspective view of the Shanghai Tower

圖2 外幕墻與主結(jié)構(gòu)關(guān)系Fig.2 Relationship of the outer curtain wall and themain structure

圖3 典型幕墻剖面透視圖Fig.3 Perspective view of a typical curtain wall

由于外幕墻遠離主體結(jié)構(gòu)，其幕墻板塊重量和水平風力無法直接傳遞至相應(yīng)標高的樓面結(jié)構(gòu)。為此，設(shè)計了一個非常特殊的分區(qū)懸掛式幕墻支撐系統(tǒng)作為玻璃幕墻支撐結(jié)構(gòu)。結(jié)合主體結(jié)構(gòu)豎向分區(qū)情況，整個幕墻系統(tǒng)分8段懸掛于每區(qū)設(shè)備層的懸挑桁架外端，每段約承擔12～15層（約60 m）高的玻璃幕墻重量。該幕墻支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)造型輕巧、承重大、豎向變形大，相關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)造復(fù)雜，結(jié)構(gòu)設(shè)計難度大。

2 結(jié)構(gòu)體系布置及特點

上海中心主體結(jié)構(gòu)采用巨型框架—伸臂—核心筒結(jié)構(gòu)體系（圖4），巨型框架結(jié)構(gòu)由8根巨型柱、4根角柱、8道環(huán)帶桁架組成［1，2］。在設(shè)備層布置有20～28榀輻射桁架用以懸掛幕墻支撐結(jié)構(gòu)。

圖4 巨型框架結(jié)構(gòu)布置Fig.4 Structural arrangement of themain structure

為適應(yīng)扭曲上升的外幕墻幾何形態(tài)，同時滿足建筑師對外幕墻視覺通透性的要求，外幕墻支撐結(jié)構(gòu)最終采用了由高強度鋼吊桿—環(huán)梁—徑向鋼管支撐組成的柔性懸掛式幕墻支撐結(jié)構(gòu)體系（圖5）。

圖5 幕墻支撐結(jié)構(gòu)體系構(gòu)成Fig.5 Curtain wall system

環(huán)梁的幾何與外幕墻造型高度匹配，隨著樓層升高，環(huán)梁繞著圓主體樓面逐層旋轉(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，沿豎向每層（4.3～4.5 m）布置以承受幕墻板塊的重量和水平風荷載。沿環(huán)梁每8～10 m設(shè)置一道水平徑向鋼管支撐將其與主體樓面結(jié)構(gòu)連接，連接節(jié)點采用鉸接以允許外幕墻相對于樓板之上下運動。在每個環(huán)梁和徑向水平鋼管支撐相交的位置設(shè)置兩根屈服強度460 MPa的高強度鋼吊桿將每區(qū)的所有水平環(huán)梁串聯(lián)起來吊至上部機電層輻射桁架的懸挑端。

每區(qū)最下方的環(huán)梁位于休閑層樓板上方且距樓板僅約360 mm，無法在這一層設(shè)置徑向支撐。因此在每區(qū)最下方的環(huán)梁上設(shè)置連接立桿，并通過圓柱形襯套嵌入休閑層樓板中（圖6）。這樣的連接方式為周邊環(huán)梁提供了側(cè)向支撐的同時又能允許幕墻支撐結(jié)構(gòu)在一定范圍內(nèi)相對主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生一定的豎向變形和轉(zhuǎn)動，防止底層幕墻板塊受到擠壓。

為約束幕墻相對主體的扭轉(zhuǎn)，在每層水平曲梁與圓柱體樓面相切的位置布置了三個限位約束，在角部設(shè)置了交叉拉桿支撐（圖5（b））［3］。

從傳力的角度，該體系最大特點是幕墻荷載向主體結(jié)構(gòu)的傳遞路徑在水平向與豎向分離，豎向通過吊桿每區(qū)集中傳至設(shè)備層懸挑桁架，水平向通過徑向支撐逐層傳遞至主體樓面結(jié)構(gòu)。

圖6 底環(huán)梁與樓板連接構(gòu)造Fig.6 Details of the connection between the bottom ring beam and the floor

3 荷載與作用

3.1 重力荷載

幕墻單元板塊及有關(guān)連接件的自重約為1.2 kN／m2。由于幕墻單元的懸掛點位于環(huán)梁中心線400 mm處，還將產(chǎn)生約2.1 kN·m的扭矩線荷載。

3.2 風荷載

結(jié)構(gòu)強度設(shè)計采用基于重現(xiàn)期為100年的風速50 m／s的風荷載，結(jié)構(gòu)位移計算采用基于重現(xiàn)期為50年的風荷載。鑒于結(jié)構(gòu)超高，幾何形態(tài)復(fù)雜，幕墻結(jié)構(gòu)的風荷載通過風洞試驗確定，每層水平環(huán)梁考慮均布壓力、均布吸力、不平衡風力4種典型工況，如圖7所示。

3.3 地震作用

本工程的抗震設(shè)防烈度為7度（0.10 g），場地類別為Ⅳ類，特征周期0.9 s。幕墻支撐結(jié)構(gòu)按中震彈性設(shè)計，相應(yīng)的水平地震影響系數(shù)最大值為0.23，豎向地震影響系數(shù)取水平地震作用的65%［4］。

圖7 幕墻支撐結(jié)構(gòu)風荷載工況類型Fig.7 Wind load of the CWSS

3.4 溫度作用

幕墻支撐結(jié)構(gòu)設(shè)計中考慮其與塔樓存在±30℃的溫差效應(yīng)。

4 結(jié)構(gòu)分析

4.1 靜力分析

4.1.1 徑向支撐受力分析

徑向支撐主要承受由溫度作用和風荷載產(chǎn)生的軸力并將其傳遞至主體結(jié)構(gòu)。角部的徑向支撐溫度作用引起的軸力為375～474 kN，遠大于風荷載作用下的軸力（圖8），成為角部徑向支撐強度設(shè)計的控制因素。

其余位置徑向支撐風荷載作用下的軸力為110～217 kN，隨高度增加風荷載增大而增大；溫度作用引起的軸力為108～155 kN（圖8），從低區(qū)到高區(qū)隨著環(huán)梁周長的縮小，徑向支撐軸力逐漸增大。總體上看，對于普通位置的徑向支撐，風荷載和溫度作用引起的軸力共同控制其設(shè)計。

對于大多數(shù)的徑向支撐而言，在風荷載及溫度作用下的水平向彎矩均很小，屬于結(jié)構(gòu)次內(nèi)力，不控制結(jié)構(gòu)設(shè)計。但位于限位約束兩側(cè)長度較短的徑向支撐（圖8（b）），由于其線剛度較大，對支撐兩端的位移差比較敏感，將產(chǎn)生較大的彎矩，成為設(shè)計控制荷載。另外，V口處環(huán)梁不連續(xù)，軸力無法自平衡，相應(yīng)位置的徑向支撐亦產(chǎn)生較大的彎矩。

圖8 徑向支撐溫度作用下內(nèi)力圖Fig.8 Internal force distribution of the radial strut under temperature effects

4.1.2 環(huán)梁受力分析

由于徑向支撐限制了環(huán)梁的自由膨脹和收縮，溫度作用在環(huán)梁內(nèi)部產(chǎn)生了較大的軸力和彎矩，溫度效應(yīng)引起的環(huán)梁軸力為850～1500 kN，出現(xiàn)在環(huán)梁平直段（圖9）從低區(qū)到高區(qū)隨環(huán)梁周長縮小而逐漸增大。同時，環(huán)梁在角部的曲率大，溫度作用下的彎矩效應(yīng)顯著，2～8區(qū)環(huán)梁角部的彎矩大約為260 kN·m。而由風荷載引起的環(huán)梁軸力為100～150 kN，彎矩為104～140 kN·m；分別為溫度效應(yīng)的10%～25%以及45%左右，可見整個環(huán)梁的軸力和彎矩，都是由溫度效應(yīng)控制。

圖9 溫度作用下環(huán)梁內(nèi)力圖Fig.9 Internal force distribution of the ring beam under temperature effects

4.1.3 交叉支撐及限位受力分析

交叉支撐及限位支座的主要作用是抵抗環(huán)梁相對主體結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)，這種扭轉(zhuǎn)效應(yīng)主要是由風和非均勻的溫度作用造成。分析結(jié)果表明，交叉支撐主要由風荷載和溫度作用共同控制其強度設(shè)計，溫度引起的軸力為50～90 kN，風荷載引起軸力為60～100 kN，低區(qū)溫度作用引起內(nèi)力所占比重較大，4區(qū)以上風荷載超過溫度作用成為交叉支撐設(shè)計主要控制荷載。

在均勻的溫度作用下，三個限位支座將環(huán)梁分為三個相似的結(jié)構(gòu)組成部分，受到的剪力較小，均不大于100 kN。在非均勻的溫度作用下，限位支座兩側(cè)環(huán)梁的由于存在較大的軸力差，因而在限位支座產(chǎn)生較大的剪力，2～8區(qū)限位承擔的支座剪力達688～875 kN。

4.2 動力分析

4.2.1 自振特性分析

求解振型時采用Ritz法，以提高求解效率。表1為幕墻支撐結(jié)構(gòu)的主要振動模態(tài)，由表1可以看出，幕墻支撐結(jié)構(gòu)的前幾階模態(tài)均為豎向振動，可見其豎向懸掛剛度相對較弱。

表1 幕墻支撐結(jié)構(gòu)振型與周期Table 1 M odes and natural periods of the CWSS

4.2.2 地震反應(yīng)分析

將幕墻支撐結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)整體建模進行地震分析計算，以考慮主體結(jié)構(gòu)彈性支承效應(yīng)和沿高度增加的地震效應(yīng)對幕墻支撐結(jié)構(gòu)豎向地震反應(yīng)的影響。

分析表明幕墻支撐結(jié)構(gòu)的水平向地震作用較小，在水平向幕墻支撐結(jié)構(gòu)以隨動主體結(jié)構(gòu)運動為主，支撐結(jié)構(gòu)各層水平地震力約為其重力代表值的10%。幕墻支撐結(jié)構(gòu)豎向剛度較弱，豎向地震反應(yīng)較大，且隨幕墻懸掛高度的增加豎向地震響應(yīng)呈增大趨勢，高區(qū)幕墻吊桿的豎向地震軸力約為其承受重力作用的65%。

4.3 構(gòu)件強度設(shè)計

拉桿為主要豎向承重構(gòu)件對結(jié)構(gòu)安全至關(guān)重要，在設(shè)計中都考慮到節(jié)點處兩根吊桿中的一根可能失效的不利情況。基于這種設(shè)計理念，拉桿設(shè)計的最小拉力承載力不僅要大于在考慮分項系數(shù)下的總荷載的一半，同時也要大于不考慮分項系數(shù)下的總荷載。

環(huán)梁承受了由于幕墻偏心懸掛產(chǎn)生的扭矩，在中國《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中沒有關(guān)于校核扭轉(zhuǎn)、剪切、彎曲、軸向力共同作用下鋼管截面承載力的明確計算方法，參照《美國鋼結(jié)構(gòu)施工協(xié)會手冊》［5］，鋼管扭轉(zhuǎn)、剪切、彎曲和軸向力的作用應(yīng)滿足：

式中，Pr，Mr，Vr，Tr分別為構(gòu)件軸力、彎矩、剪力及扭矩；Pc，Mc，Vc，Tc分別為構(gòu)件抗壓、抗彎及抗扭承載力。

主要桿件的截面及強度、穩(wěn)定校核的應(yīng)力比如表2所示。

表2 幕墻支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)件規(guī)格表及應(yīng)力比Table 2 Specifications of the CWSS

5 節(jié)點設(shè)計

由于幕墻系統(tǒng)與主體結(jié)構(gòu)之間會產(chǎn)生較大的豎向相對變形差，幕墻與主樓的連接節(jié)點須有良好的吸收變形的能力。為此幕墻支撐結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)連接節(jié)點采用了比較特殊的構(gòu)造。

（1）徑向支撐與樓面結(jié)構(gòu)連接節(jié)點

徑向支撐與樓面結(jié)構(gòu)的連接構(gòu)造分為兩類。一類徑向支撐較長，支撐線剛度小，對其兩端豎向位移差不是特別敏感，這類徑向支撐與主體結(jié)構(gòu)的連接采用了圖10所示的鉸接構(gòu)造，這樣徑向支撐可以通過其內(nèi)端的轉(zhuǎn)動來吸收環(huán)梁與樓面的豎向位移差。

圖10 徑向支撐鉸接構(gòu)造Fig.10 Hinge joint details of the radial strut

另一類徑向支撐較短，且外端與曲梁剛接，彎曲線剛度大，對其兩端的位移差非常敏感，這類徑向支撐與主體結(jié)構(gòu)的連接采用了如圖11所示滑動連接構(gòu)造，該構(gòu)造可相對樓面豎向滑動，從而可消除支撐因兩端的位移差所產(chǎn)生的次內(nèi)力。

圖11 短支撐滑動節(jié)點Fig.11 Sliding joint for the short radial strut

（2）限位約束滑動構(gòu)造

限位約束構(gòu)造如圖12所示，在環(huán)梁對應(yīng)樓層設(shè)置箱形限位牛腿，環(huán)梁箱形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)置滑板，以便于環(huán)梁相對樓面上下、前后滑動，而在環(huán)向約束環(huán)梁的位移。

圖12 限位支座Fig.12 Sliding resistant block

（3）底環(huán)梁豎向伸縮節(jié)點

每區(qū)最下方的環(huán)梁與樓面結(jié)構(gòu)連接節(jié)點采用了如圖13所示的豎向伸縮節(jié)點。該節(jié)點連接既能為環(huán)梁提供側(cè)向約束防止環(huán)梁在環(huán)向和徑向產(chǎn)生較大位移，又能允許環(huán)梁與主樓之間相對自由滑動，防止底層吊桿受壓。

圖13 豎向伸縮節(jié)點Fig.13 Vertical sliding joint

6 結(jié) 論

上海中心外幕墻支撐結(jié)構(gòu)為目前設(shè)計建造的最為復(fù)雜的幕墻支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)。

該體系的設(shè)計分析實踐表明：

（1）環(huán)梁由于受到徑向支撐約束，溫度效應(yīng)顯著，為控制其設(shè)計的關(guān)鍵因素。角部徑向支撐溫度效應(yīng)顯著，溫度作用引起的軸力控制其設(shè)計；普通位置的徑向支撐，風荷載和溫度作用引起的軸力共同控制其設(shè)計。不均衡溫度引起的限位約束反力，控制其設(shè)計。

（2）幕墻支撐結(jié)構(gòu)豎向剛度弱、豎向地震反應(yīng)大，豎向地震作用下吊桿的附加軸力為其設(shè)計的控制因素。

（3）幕墻系統(tǒng)與主樓之間存在較大的豎向位移差，幕墻與主樓的連接節(jié)點須有良好的吸收變形的能力，以避免過大的位移差引起結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力從而影響結(jié)構(gòu)安全。

［1］ 丁潔民，巢斯，趙昕，等.上海中心大廈結(jié)構(gòu)分析中若干關(guān)鍵問題［J］.建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報，2010，31（6）：122-131.Ding Jiemin，Chao Si，Zhao Xin，et al.Critical issues of structuralanalysis for the ShanghaiCenter project［J］.Journal of Building Structures，2010，31（6）：122-131.（in Chinese）

［2］ Ding JM，Li JP，He Z J，et al.Design of flexible hanging curtain wall support structure［C］.The CTBUH 9th World Congress，Shanghai，2012.

［3］ 胡殷，何志軍，丁潔民.上海中心大廈幕墻支撐結(jié)構(gòu)的選型分析［J］.結(jié)構(gòu)工程師，2011，27（5）：1-5.Hu Yin，He Zhijun，Ding Jiemin.Selection of curtain wall support structures of Shanghai Tower［J］.Structural Engineers，2011，27（5）：1-5.（in Chinese）

［4］ 中華人民共和國建設(shè)部.GB 50011—2010建筑抗震設(shè)計規(guī)范［S］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GB 50011—2010 Code for seismic design of buildings［S］.Beijing：China Architecture and Buliding Press，2008.（in Chinese）

［5］ American Institute of Steel construction.steel construction manual［M］.13th Edition.Chicago，IL，2005.

Design of Curtain Wall Support Structure System of Shanghai Tower

HE Zhijun
（Tongji Architectural Design（Group）Co.Ltd，Shanghai200092，China）

The Shanghai tower is632-meter high with a unique design of an inner and outer“double-skin”curtain wall system.A unique flexible hanging curtain wall support structure（CWSS）was developed for outer skin.The CWSShas characteristics of heavy self-weight，complex load paths and connection details.This paper will discuss analysis and design of the CWSS briefly，including features of structural system，critical loads，structuralmechanical behaviors，and connection details between themain structure and the CWSS.The analysis and designmethod used in this paper could be a reference for the analysis and design of similar projects.

Shanghai Tower，hanging curtain wall support structure，structural system selection，structural analysis and design

2013-03-22

上海市科技攻關(guān)資助項目（09dz1207704）

*聯(lián)系作者，Email：8hzj＠tjadri.com