大跨度建筑幕墻桁架外凸型單向滑動鉸支座技術(shù)在酒店A字形塔樓施工中的應(yīng)用

張體輝 倪勝利 戴玉帥 張新輝

中國建筑第八工程局有限公司鋼結(jié)構(gòu)工程公司 上海 200125

1 概述

隨著建筑行業(yè)的快速發(fā)展，大跨度鋼桁架和混凝土組合結(jié)構(gòu)建筑不斷涌現(xiàn)，多體現(xiàn)于大型廠房結(jié)構(gòu)以及外部有特殊造型結(jié)構(gòu)的建筑中。

在大跨度鋼桁架結(jié)構(gòu)中，鋼構(gòu)件大多處于超靜定狀態(tài)，桿件之間相互約束，桁架整體剛度大，對建筑結(jié)構(gòu)的約束性強，溫度應(yīng)力使鋼桁架結(jié)構(gòu)產(chǎn)生膨脹，由中間向外部延伸，使鋼結(jié)構(gòu)建筑物由中間向兩端變形增大，因此溫度應(yīng)力的影響在鋼桁架結(jié)構(gòu)變形中是必須考慮的因素，在設(shè)計中必須計算溫度應(yīng)力和變形程度。目前，常規(guī)的施工辦法是在鋼結(jié)構(gòu)一定的溫度區(qū)間設(shè)置伸縮縫，縮短溫度區(qū)，減小溫度對一般建筑物的影響，從而在設(shè)計時可以不考慮溫度產(chǎn)生的應(yīng)力應(yīng)變，以此來降低溫度應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的影響，但這個方法必然會影響建筑立面的造型美觀需求，也會帶來防水等問題[1-4]。

對于那些不適合設(shè)置伸縮縫的結(jié)構(gòu)，只能普遍采用加大安全系數(shù)法，即加大鋼構(gòu)件截面，減小溫度應(yīng)力對變形的影響，而這就會導致用鋼量的大幅增加。從理論上考慮，在大跨度鋼桁架結(jié)構(gòu)中，如果適當設(shè)置滑動支座，在滿足結(jié)構(gòu)剛度和穩(wěn)定性的條件下，可以釋放掉一部分溫度應(yīng)力，這就可以降低溫度應(yīng)力對結(jié)構(gòu)的影響，從而解決了對結(jié)構(gòu)條件的依賴和用鋼量增加的困擾。

因此，單向滑動鉸支座被廣泛應(yīng)用于建筑上，尤其適用于大跨度鋼桁架結(jié)構(gòu)中屋頂結(jié)構(gòu)和下部支承結(jié)構(gòu)的鉸接連接。其可以實現(xiàn)以下功能：支座具有各方向的轉(zhuǎn)動能力；能夠?qū)⑸喜拷Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生的豎向荷載傳遞到下部支承結(jié)構(gòu)；能夠?qū)⑸喜拷Y(jié)構(gòu)產(chǎn)生的某一方向的水平荷載傳遞到下部支承結(jié)構(gòu)；能夠釋放垂直方向的水平荷載并允許結(jié)構(gòu)在此水平方向滑動。但是，在支承結(jié)構(gòu)側(cè)向設(shè)置單向滑動鉸支座時，需要設(shè)計轉(zhuǎn)換件，并將轉(zhuǎn)換件通過預埋件剛接固定在支承結(jié)構(gòu)側(cè)部。如果滑動鉸支座轉(zhuǎn)換件設(shè)置不當，則不但起不到滑動鉸支座應(yīng)有的作用，甚至會導致整個結(jié)構(gòu)失穩(wěn)倒塌。

2 工程概況

上海JW萬豪侯爵酒店項目（圖1）位于上海市浦東新區(qū)，總占地面積為11 340 m2，總建筑面積為119 600 m2。

本工程由塔樓和裙樓組成，塔樓結(jié)構(gòu)為型鋼混凝土外框架-核心筒組合結(jié)構(gòu)，共40層，高度為157.1 m，裙樓為鋼框架結(jié)構(gòu)，共5層，高度為24.1 m。項目地下室結(jié)構(gòu)為5層，底板標高為－19.6 m。總用鋼量約12 000 t。

為滿足造型要求，工程采用了帶滑動鉸支座的大跨度三角管桁架＋A字形勁性鋼骨混凝土柱結(jié)構(gòu)體系（圖2）。三角管桁架共設(shè)18榀，外凸型滑動鉸支座36個，位于塔樓A字形大堂，東側(cè)8榀，西側(cè)10榀。本工程造型獨特，塔樓大堂處采用A字造型，勁性鋼骨混凝土柱最大傾斜角度11.5°，整個塔樓A字形南側(cè)處于獨立體系，使得施工十分復雜困難。幕墻三角管桁架在桁架本身自重和因水平方向偏心而產(chǎn)生的扭矩的共同作用下，使得端部節(jié)點內(nèi)力的發(fā)展和位形的變化都非常復雜。

圖1 上海JW萬豪侯爵酒店效果圖

圖2 大跨度建筑幕墻桁架模型

為使三角管桁架內(nèi)部不產(chǎn)生“施工階段殘余應(yīng)力”、三角管桁架節(jié)點處的焊縫不產(chǎn)生撕裂和變形等不良受力狀態(tài)，在三角管桁架端部與勁性鋼骨混凝土柱之間設(shè)置滑動鉸支座。以上海JW萬豪侯爵酒店項目為研究載體，在充分集成現(xiàn)有施工技術(shù)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新提出了大跨度建筑幕墻桁架“外凸牛腿＋單向滑動支座”的成套施工技術(shù)。本技術(shù)以幕墻桁架“外凸牛腿＋單向滑動支座”為核心，運用施工全過程模擬分析、施工變形監(jiān)測、實時應(yīng)力或應(yīng)變監(jiān)測等手段全方位控制結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量，以保證結(jié)構(gòu)性能。

3 外凸型單向滑動鉸支座技術(shù)

3.1 桁架單向滑動鉸支座節(jié)點設(shè)計

為使幕墻桁架水平能夠相對自由變形，且防止桁架彎矩傳遞到混凝土結(jié)構(gòu)上，本工程幕墻桁架采用了單向滑動鉸支座技術(shù)。該節(jié)點由埋件、連接板、短斜柱、U形卡槽、聚四氟乙烯板、桁架端部嵌入式牛腿等組成。聚四氟乙烯板置于U形卡槽內(nèi)，具有較強的滑動性和抗震性，起到了非常關(guān)鍵的作用。U形卡槽與短斜柱相連，短斜柱通過埋件和連接板與混凝土結(jié)構(gòu)相接，再由桁架通過牛腿嵌入U形卡槽，形成外凸型單向滑動鉸支座，如圖3所示。

圖3 外凸型單向滑動鉸支座效果圖

在幕墻桁架施工過程中，首先在混凝土柱上進行預埋，通過連接板將U形卡槽短斜柱固定在混凝土柱上（圖4），現(xiàn)場拼接桁架主體與嵌入式牛腿，將聚四氟乙烯板粘于嵌入式牛腿上，然后通過端部嵌入式牛腿與U形卡槽對接（圖5），完成單榀桁架安裝。待單榀桁架微調(diào)至指定位置后，在牛腿兩側(cè)封焊抗剪鋼板（南柱節(jié)點只焊一側(cè)），如此一來，單榀桁架只能傳遞z軸方向荷載，繞y軸方向的彎矩以及x軸方向的水平荷載得以釋放。

圖4 U形卡槽短斜柱安裝

圖5 U形卡槽與嵌入式牛腿對接

桁架在水平方向偏心產(chǎn)生的繞x軸方向扭矩，通過嵌入式牛腿傳遞到U形卡槽的上下抗剪鋼板。本文通過Midas Gen等軟件進行模擬設(shè)計（圖6），以驗證抗剪鋼板是否滿足力學性能要求，并由此得出U形卡槽、連接板等零件尺寸規(guī)格。

圖6 利用Midas Gen模擬分析端部支座反力

3.2 變形模擬分析

本工程采用Midas軟件對結(jié)構(gòu)的變形進行模擬分析（圖7）。全過程模擬分析的基本步驟如下[5]：

1）基于設(shè)計資料，一次性建立整體結(jié)構(gòu)有限元模型。

2）根據(jù)現(xiàn)場實際溫度，對結(jié)構(gòu)變形進行模擬分析，計算得到水平位移最大值，進而得到節(jié)點可移動的最大距離，根據(jù)此計算結(jié)果設(shè)計抗剪鋼板的具體位置。

圖7 利用軟件進行結(jié)構(gòu)變形設(shè)計

3.3 外凸型單向滑動鉸支座節(jié)點焊接工藝

外凸型單向滑動鉸支座節(jié)點的后焊封板焊接在混凝土預埋件上的鋼牛腿上，上下抗剪鋼板焊接在鋼牛腿上面，最后在單向滑動鉸支座水平安裝進入節(jié)點后，加焊抗剪鋼板于端部嵌入式牛腿外側(cè)，以承受桁架在水平方向偏心而產(chǎn)生的繞x軸方向的扭矩。因此外凸型單向滑動鉸支座節(jié)點的焊接工藝尤為關(guān)鍵，焊縫質(zhì)量尤為重要。在焊接固定過程中，應(yīng)遵循以下原則：

1）對稱焊接原則。在對同一個剖面對稱位置的2條焊縫進行焊接時，要求對構(gòu)件的熱輸入值大體相同。

2）預熱處理。現(xiàn)場板厚30 mm以上，常溫以下焊接環(huán)境可用火焰預熱至60～80 ℃，預熱范圍為坡口兩側(cè)各100 mm，測溫為背面坡口兩側(cè)50 mm。

3）焊接應(yīng)力控制。其方法有減小焊縫尺寸、減小焊接拘束度、采取合理的焊接順序、對構(gòu)件進行分解施工等。

4）焊接應(yīng)力消除。其方法有對零件整平、局部烘烤、超聲波振動等。

5）進行焊縫無損檢測。

3.4 現(xiàn)場變形監(jiān)測

在外凸型單向滑動鉸支座的嵌入式牛腿上設(shè)置監(jiān)測點，在監(jiān)測點位置做好永久性標記，并記錄好初始位置。采用全站儀對外凸型單向滑動鉸支座的嵌入式牛腿下側(cè)的水平變形進行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測得到的嵌入式牛腿下側(cè)變形差值調(diào)節(jié)節(jié)點內(nèi)鋼卡板的位置。變形監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，隨著施工的進展，嵌入式牛腿下側(cè)有不同程度的水平變形，且隨著溫度的變化（隨時間推移溫度相應(yīng)變化），嵌入式牛腿下側(cè)的水平變形存在一定的差值，如圖8所示。

圖8 構(gòu)件變形曲線

3.5 模擬分析與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)果對比

通過對全過程施工模擬分析的結(jié)果與現(xiàn)場變形及應(yīng)力監(jiān)測的結(jié)果對比，以對比的結(jié)果反饋于施工方案的調(diào)整，從而確定更加嚴謹、更加科學的大跨度建筑幕墻桁架施工方案。

3.6 實時應(yīng)力監(jiān)測

大跨度建筑幕墻桁架在安裝完成后，連接板處會產(chǎn)生較大的剪切力。為檢查連接板處焊縫的焊接質(zhì)量是否滿足要求，在兩側(cè)連接板處設(shè)置監(jiān)測點，監(jiān)測在安裝大跨度建筑幕墻桁架前、后連接板處3 h內(nèi)的實時應(yīng)力變化。同時在外凸型單向活動鉸支座處設(shè)置監(jiān)測點，監(jiān)測安裝單榀桁架吊桿前、后連接板和抗剪鋼板的實時應(yīng)力變化，確保施工安全。

4 結(jié)語

以上海JW萬豪侯爵酒店工程的大跨度幕墻桁架施工實踐為基礎(chǔ)，提出了“外凸型單向滑動鉸支座”的成套施工技術(shù)，其中包括全周期施工模擬分析與現(xiàn)場全過程變形應(yīng)力監(jiān)測結(jié)果對比的大跨度幕墻桁架焊接安裝技術(shù)與實時應(yīng)力監(jiān)測技術(shù)。

在大跨度鋼桁架結(jié)構(gòu)中，溫度對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的整體變形和內(nèi)部應(yīng)力分布的影響是不可忽略的。按照以往常規(guī)施工辦法設(shè)置伸縮縫，就會使得建筑的防水性能、保溫性能有所下降，建筑外立面和造型的美觀需求也難以達到人們預期。若采用加大鋼構(gòu)件截面的辦法來抵抗溫度應(yīng)力和溫度變形的影響，則會嚴重增加結(jié)構(gòu)用鋼量，從而大大增加經(jīng)濟成本，同時有可能產(chǎn)生負面作用，即結(jié)構(gòu)自重增大會對支座產(chǎn)生過大的內(nèi)力，超出支座的承載力，繼而使得支座的設(shè)計、施工困難且成本加大。

由上海JW萬豪侯爵酒店工程的大跨度幕墻桁架施工實踐可知，科學地設(shè)置滑動鉸支座，不但可以保證結(jié)構(gòu)整體的穩(wěn)定性，而且可以將大跨度鋼桁架因溫度產(chǎn)生的應(yīng)力及變形釋放出去，解決了在溫度影響下桁架兩端彎曲應(yīng)力過大的難題，同時也滿足了大跨度幕墻桁架施工與使用階段的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定需求，為建筑施工中大跨度幕墻桁架的連接提供了一種可靠、實用、經(jīng)濟的施工工藝。