某超高層結構塔冠結構設計概況

周 旋

(同濟大學建筑設計研究院(集團)有限公司，上海 200092)

1 工程概況

某超高層結構辦公樓項目主要包括一棟超高層建筑及其裙房。辦公樓主樓全高約280 m，包括框架-核心筒體系的主體塔樓和位于塔樓頂部的鋼結構塔冠觀光平臺。

該項目的塔冠結構布置形式非常規則對稱，體現了結構設計的簡潔之美。在平面上，外圍由四片完全相同的立面桁架組成，通過角部的弧形過渡聯系圍成盒式結構；在立面上，中間部分是一個對稱的重型設備支架，下端支承于主樓核心筒上，主要用于擱置天線、擦窗機等設備。外圍的立面桁架和中部設備支架通過斜屋面聯系，圍成一個封閉的觀光平臺，實現了建筑與結構的和諧統一(見圖1)。

圖1 塔冠結構剖面

塔冠結構范圍內的幕墻懸掛在外圍的立面桁架上，將幕墻的自重和水平風作用立面桁架傳到主體結構上。由于建筑師對視覺效果要求較高，結構形式力求簡潔干凈，所以采用魚腹形的空腹桁架作為主要的豎向抗風構件。整個立面桁架系統造型簡潔輕巧，承受的風荷載大，水平變形大，相關節點構造復雜，給結構設計帶來很大的難度。

2 結構體系與布置

塔冠結構主要由幕墻立面支撐結構、中部設備支承框架和屋面支撐系統三部分組成。幕墻支撐結構主要承受來自外幕墻的重力荷載和水平風荷載。由于塔冠位于超高層塔樓的頂部，高空風力大，而且作用形式復雜，故采用以魚腹式空腹桁架作為主要的豎向承重和抗風構件，內、外雙層環梁作為水平支撐的平面空腹桁架結構體系(見圖2)，既滿足了建筑的視覺通透性要求，又符合結構的受力特性。

圖2 幕墻立面支撐結

魚腹式桁架全高約25 m，矢高1.5 m，共設置5道水平腹桿，腹桿間距4.5 m。在腹桿相應標高布置水平外環梁，用于懸掛幕墻板塊；同時為了限制魚腹桁架的面外失穩，布置兩道內環梁，內環梁間距9 m。雙層環梁共同作用，將單榀魚腹桁架編織成整體的平面空腹桁架結構。為了滿足建筑設計對外立面造型塑造的要求，環梁在角部采用弧形連接，在內、外環梁之間增設“M”形腹桿，保證角部構造的傳力安全。

中部設備支承結構由內部的鋼框架和外圈的三角桁架組成，下端與核心筒剪力墻的內置鋼骨剛性連接，主要承受設備和樓板的重力荷載及地震作用。三角桁架在增加觀光平臺空間高度的同時，還作為擦窗機運行平臺的支撐結構。內部鋼框架作為電梯機房和局部可上人屋面的支承結構，在外圍柱間沿環向、徑向布置斜支撐，抵抗水平風荷載和地震作用。屋面支撐系統主要是為了聯系幕墻立面支撐結構和中部設備支架，協調兩者的受力，同時使觀光平臺在頂部閉合，形成一個封閉的大空間。

中部設備支架+屋面支撐見圖3。

圖3 中部設備支架+屋面支撐

3 荷載與作用

3.1 重力荷載

幕墻立面支撐結構承受的重力荷載主要是來自幕墻的板塊自重，按面荷載施加，取為1.5 kN/m2；由幕墻重力偏心導致的彎矩較小，整體計算時可不考慮其影響。

3.2 風荷載

該項目為C類地貌，結構設計采用基于重現期為50年的、風速為11 m/s的風荷載。由于辦公樓的幕墻構造特殊，裝飾檁條突出建筑表面較為明顯，具有很強的擋風效應，所以在進行幕墻立面支撐結構的設計時，除了要考慮垂直于幕墻表面的法向風荷載，還要考慮沿著表面的水平切向風荷載的影響。在整體分析時，風荷載按面荷載施加。根據同濟大學風洞實驗室提供的風洞試驗報告，將幕墻按圖4形式分區，取包絡值進行設計，風荷載具體取值見表1。整體計算時考慮X向和Y向風的包絡。

圖4 幕墻風荷載分區示意

表1 幕墻風荷載數值

表1中，法向風荷載以風吸為“+”，風壓為“-”；切向風以順風向為“+”。進行幕墻支撐結構的變形分析時，采用幕墻公司提供的荷載資料，按集中荷載的形式逐層施加到外環梁上，考慮偏心彎矩的影響。

3.3 地震作用

塔冠單獨模型地震作用采用等效側力法進行簡化計算，地震等效系數取為0.4，結構重力標準值考慮50%活荷載影響。帶下部框架核心筒進行整樓分析時，水平地震作用考慮反應譜法和時程分析法的較大者，抗震設防烈度為7度(0.10g)，場地類別為Ⅳ類，設計地震分組為第1組，塔冠結構按中震彈性設計，相應的水平地震影響系數最大值為0.23。

3.4 溫度作用

塔冠結構設計考慮+/-30℃的溫差效應，共兩種設計工況。

4 結構分析

4.1 靜力分析

幕墻立面支撐結構在水平風荷載作用下，水平面內呈現空腹桁架的受力形態，豎直面內呈現無側移框架的受力機制。本文如下分析均以Y向風為例。

4.1.1 水平桁架受力分析

水平風荷載通過幕墻檁條直接作用到外環梁上，使中部外環梁呈現多跨連續梁的受力形態，單跨環梁跨中正彎矩，支座處負彎矩。內、外環梁和腹桿組成空腹桁架，正常情況下，風壓力作用時，外環梁和腹桿受壓，內環梁受拉；風吸力作用時，外環梁和腹桿受拉，內環梁受壓。然而本工程中由于側面和角部產生了較大的水平切向風荷載，使側面桁架產生較大的面內變形，帶動迎、背風面的桁架，而這種效應在迎風面桁架上的作用甚至超過了法向風產生的效應，導致水平環梁受力形態出現異常，在迎風面風壓力作用下，外環梁受拉，內環梁受壓。環梁軸力見圖5，環梁水平彎矩見圖6，桁架腹桿內力見圖7。

(a)外環梁

(a)外環梁

(a)軸力

在弧形轉角，由于設置了“M”形的腹桿，組成實腹桁架結構，導致角部剛度遠大于其它跨；不同方向風在角部和相鄰立面同時作用，造成角部出現扭轉和彎曲效應，導致內、外環梁和腹桿產生較大的水平彎矩(見圖6(b)、圖7(b))。再者，原本角部所受風荷載也要大于其它部位，這些因素都造成角部構件受力大于周邊構件，設計時需對角部相應構件進行構造加強。

4.1.2 立面桁架受力分析

側立面桁架在水平切向風荷載作用下呈現框架結構的受力形態。外弦桿下端通過銷軸節點支承于轉換層的鋼梁上，上端與屋面支撐結構相連，約束水平變形。弦桿的最大側移出現在跨中部位，弦桿和環梁在跨中位置處的豎向彎矩最小，隨著向上、下兩端移動，彎矩不斷增大。

同時考慮到在重力荷載作用下，弦桿軸力逐層累加，所以弦桿在底層受力最大，設計時可能需要加大底部弦桿的截面。面桁架豎向彎矩見圖8。

圖8 立面桁架豎向彎矩

4.2 動力分析

4.2.1 自振特性分析

采用特征向量法求解塔冠結構振型，表2列出塔冠結構的前4階振型信息。可以看出，塔冠結構第1階自振周期為0.294s，說明塔冠結構整體剛度較大；第1階振型為扭轉，說明塔冠結構的扭轉剛度相對較弱。

表2 塔冠結構振型

4.2.2 地震響應驗算

將塔冠鋼結構并入主塔樓進行地震效應計算，同時采用反應譜和時程分析兩種方法，分析結果如表3所示，可以看出，時程分析的結果要大于反應譜分析的結果。

表3 地震響應分析結果對比(中震)

整體分析時塔冠結構的剪重比在25%左右，所以在單獨模型分析時采用0.4的地震等效系數是偏于安全的。通過強度驗算，能夠保證塔冠結構達到中震彈性的性能指標。

4.3 構件強度驗算

幕墻支撐結構作為主要的承重和抗風構件，是懸掛幕墻的基礎。而且作為空腹桁架，自由度冗余比較少，一旦某一構件發生破壞，就可能導致整個幕墻立面支撐的連續性垮塌，所以必須保證其結構體系的安全性。

設計中，通過控制主要構件的強度、穩定的最大應力比來實現結構的安全。設計結果如表4所示，從表中數據可以看出，所有構件的應力比都控制在0.9以下，結構不會發生強度和穩定破壞。以風荷載為控制荷載，環梁和桁架腹桿應力最大的位置出現在角部附近，其他部位構件整體應力水平基本保持在0.6左右；桁架弦桿應力最大的位置出現在底層，應力比控制在0.8以下，留下足夠的安全冗余度，防止關鍵構件的失效導致整體結構破壞。

表4 主要構件應力驗算

4.4 結構變形校核

由于幕墻支撐結構既要承受垂直于幕墻表面的法向風荷載，又要承受沿著幕墻表面的切向風荷載，所以魚腹式桁架除了會出現面外的撓曲，還會在側面產生面內的側移(見圖9)。

圖9 立面支撐結構變形(風荷載)

作為幕墻板塊的懸掛基礎，支撐結構的平面內側移會對板塊產生剪切作用，造成板塊之間的擠壓。擠壓力一旦超過限值，會導致幕墻玻璃的碎裂，引發安全事故。所以對于幕墻的立面支撐結構，要同時控制面內、面外的變形。

結構變形分析采用幕墻公司提供的風荷載數據，按集中荷載施加到外環梁上，考慮偏心彎矩的影響。結果見表5。

表5 幕墻支撐結構撓度驗算

側面桁架底層最大層間側移為22.9 mm，層高按4.5 m計，層間位移角為1/197，滿足幕墻公司提供的幕墻板塊剪切變形限值條件。

5 節點設計

塔冠立面桁架弦桿與屋面支撐和下部結構的連接節點是設計中的難點之一。立面桁架主要承受幕墻的豎向重力荷載，同時還要承擔來自幕墻的水平向風荷載。弦桿自身為壓彎構件，同時由于魚腹桁架和幕墻安裝的偏心作用，切向的風荷載會使弦桿產生較大的扭矩，傳到弦桿上下兩端的節點，給節點的設計帶來很大的困難。設計時，上下端節點均采用銷軸連接，用于釋放弦桿兩端的彎矩，減小幕墻支撐結構對屋面支撐的影響。考慮到銷軸節點抗扭性能不足，在弦桿頂部和屋面支撐相連部位增加了限位構造(見圖10)，通過設置長圓孔的插板限制弦桿的扭轉幅度。而在弦桿下端，通過加大銷軸節點插板的厚度，以保證銷軸構造的強度。

圖10 弦桿上端鉸接節點

6 結 論

1)塔冠結構通常兼具觀光空間的建筑功能，所以對結構通透性要求較高。一般建筑設計不設置豎向支撐，以防影響視覺效果。因此，穩定性設計是塔冠結構設計的關鍵。

2)塔冠結構中部與核心筒相連，幕墻重力荷載沿周邊分布，結構的剛度中心在正中間，導致結構的自振特性以扭轉為主。第1階自振周期較小，說明結構整體剛度較大。

3)塔冠作為幕墻的支撐結構，與外幕墻直接連接，同步變形。由于高空風荷載較大，為了防止因幕墻板塊之間產生過大擠壓而導致玻璃爆裂，需要嚴格控制塔冠立面桁架結構的變形。

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