某超高层结构塔冠结构设计概况

2020-07-26周旋

四川建材 2020年7期

周旋

(同济大学建筑设计研究院(集团)有限公司，上海 200092)

1 工程概况

某超高层结构办公楼项目主要包括一栋超高层建筑及其裙房。办公楼主楼全高约280 m，包括框架-核心筒体系的主体塔楼和位于塔楼顶部的钢结构塔冠观光平台。

该项目的塔冠结构布置形式非常规则对称，体现了结构设计的简洁之美。在平面上，外围由四片完全相同的立面桁架组成，通过角部的弧形过渡联系围成盒式结构；在立面上，中间部分是一个对称的重型设备支架，下端支承于主楼核心筒上，主要用于搁置天线、擦窗机等设备。外围的立面桁架和中部设备支架通过斜屋面联系，围成一个封闭的观光平台，实现了建筑与结构的和谐统一(见图1)。

图1 塔冠结构剖面

塔冠结构范围内的幕墙悬挂在外围的立面桁架上，将幕墙的自重和水平风作用立面桁架传到主体结构上。由于建筑师对视觉效果要求较高，结构形式力求简洁干净，所以采用鱼腹形的空腹桁架作为主要的竖向抗风构件。整个立面桁架系统造型简洁轻巧，承受的风荷载大，水平变形大，相关节点构造复杂，给结构设计带来很大的难度。

2 结构体系与布置

塔冠结构主要由幕墙立面支撑结构、中部设备支承框架和屋面支撑系统三部分组成。幕墙支撑结构主要承受来自外幕墙的重力荷载和水平风荷载。由于塔冠位于超高层塔楼的顶部，高空风力大，而且作用形式复杂，故采用以鱼腹式空腹桁架作为主要的竖向承重和抗风构件，内、外双层环梁作为水平支撑的平面空腹桁架结构体系(见图2)，既满足了建筑的视觉通透性要求，又符合结构的受力特性。

图2 幕墙立面支撑结

鱼腹式桁架全高约25 m，矢高1.5 m，共设置5道水平腹杆，腹杆间距4.5 m。在腹杆相应标高布置水平外环梁，用于悬挂幕墙板块；同时为了限制鱼腹桁架的面外失稳，布置两道内环梁，内环梁间距9 m。双层环梁共同作用，将单榀鱼腹桁架编织成整体的平面空腹桁架结构。为了满足建筑设计对外立面造型塑造的要求，环梁在角部采用弧形连接，在内、外环梁之间增设“M”形腹杆，保证角部构造的传力安全。

中部设备支承结构由内部的钢框架和外圈的三角桁架组成，下端与核心筒剪力墙的内置钢骨刚性连接，主要承受设备和楼板的重力荷载及地震作用。三角桁架在增加观光平台空间高度的同时，还作为擦窗机运行平台的支撑结构。内部钢框架作为电梯机房和局部可上人屋面的支承结构，在外围柱间沿环向、径向布置斜支撑，抵抗水平风荷载和地震作用。屋面支撑系统主要是为了联系幕墙立面支撑结构和中部设备支架，协调两者的受力，同时使观光平台在顶部闭合，形成一个封闭的大空间。

中部设备支架+屋面支撑见图3。

图3 中部设备支架+屋面支撑

3 荷载与作用

3.1 重力荷载

幕墙立面支撑结构承受的重力荷载主要是来自幕墙的板块自重，按面荷载施加，取为1.5 kN/m2；由幕墙重力偏心导致的弯矩较小，整体计算时可不考虑其影响。

3.2 风荷载

该项目为C类地貌，结构设计采用基于重现期为50年的、风速为11 m/s的风荷载。由于办公楼的幕墙构造特殊，装饰檩条突出建筑表面较为明显，具有很强的挡风效应，所以在进行幕墙立面支撑结构的设计时，除了要考虑垂直于幕墙表面的法向风荷载，还要考虑沿着表面的水平切向风荷载的影响。在整体分析时，风荷载按面荷载施加。根据同济大学风洞实验室提供的风洞试验报告，将幕墙按图4形式分区，取包络值进行设计，风荷载具体取值见表1。整体计算时考虑X向和Y向风的包络。

图4 幕墙风荷载分区示意

表1 幕墙风荷载数值

表1中，法向风荷载以风吸为“+”，风压为“-”；切向风以顺风向为“+”。进行幕墙支撑结构的变形分析时，采用幕墙公司提供的荷载资料，按集中荷载的形式逐层施加到外环梁上，考虑偏心弯矩的影响。

3.3 地震作用

塔冠单独模型地震作用采用等效侧力法进行简化计算，地震等效系数取为0.4，结构重力标准值考虑50%活荷载影响。带下部框架核心筒进行整楼分析时，水平地震作用考虑反应谱法和时程分析法的较大者，抗震设防烈度为7度(0.10g)，场地类别为Ⅳ类，设计地震分组为第1组，塔冠结构按中震弹性设计，相应的水平地震影响系数最大值为0.23。

3.4 温度作用

塔冠结构设计考虑+/-30℃的温差效应，共两种设计工况。

4 结构分析

4.1 静力分析

幕墙立面支撑结构在水平风荷载作用下，水平面内呈现空腹桁架的受力形态，竖直面内呈现无侧移框架的受力机制。本文如下分析均以Y向风为例。

4.1.1 水平桁架受力分析

水平风荷载通过幕墙檩条直接作用到外环梁上，使中部外环梁呈现多跨连续梁的受力形态，单跨环梁跨中正弯矩，支座处负弯矩。内、外环梁和腹杆组成空腹桁架，正常情况下，风压力作用时，外环梁和腹杆受压，内环梁受拉；风吸力作用时，外环梁和腹杆受拉，内环梁受压。然而本工程中由于侧面和角部产生了较大的水平切向风荷载，使侧面桁架产生较大的面内变形，带动迎、背风面的桁架，而这种效应在迎风面桁架上的作用甚至超过了法向风产生的效应，导致水平环梁受力形态出现异常，在迎风面风压力作用下，外环梁受拉，内环梁受压。环梁轴力见图5，环梁水平弯矩见图6，桁架腹杆内力见图7。

(a)外环梁

(a)轴力

在弧形转角，由于设置了“M”形的腹杆，组成实腹桁架结构，导致角部刚度远大于其它跨；不同方向风在角部和相邻立面同时作用，造成角部出现扭转和弯曲效应，导致内、外环梁和腹杆产生较大的水平弯矩(见图6(b)、图7(b))。再者，原本角部所受风荷载也要大于其它部位，这些因素都造成角部构件受力大于周边构件，设计时需对角部相应构件进行构造加强。

4.1.2 立面桁架受力分析

侧立面桁架在水平切向风荷载作用下呈现框架结构的受力形态。外弦杆下端通过销轴节点支承于转换层的钢梁上，上端与屋面支撑结构相连，约束水平变形。弦杆的最大侧移出现在跨中部位，弦杆和环梁在跨中位置处的竖向弯矩最小，随着向上、下两端移动，弯矩不断增大。

同时考虑到在重力荷载作用下，弦杆轴力逐层累加，所以弦杆在底层受力最大，设计时可能需要加大底部弦杆的截面。面桁架竖向弯矩见图8。

图8 立面桁架竖向弯矩

4.2 动力分析

4.2.1 自振特性分析

采用特征向量法求解塔冠结构振型，表2列出塔冠结构的前4阶振型信息。可以看出，塔冠结构第1阶自振周期为0.294s，说明塔冠结构整体刚度较大；第1阶振型为扭转，说明塔冠结构的扭转刚度相对较弱。

表2 塔冠结构振型

4.2.2 地震响应验算

将塔冠钢结构并入主塔楼进行地震效应计算，同时采用反应谱和时程分析两种方法，分析结果如表3所示，可以看出，时程分析的结果要大于反应谱分析的结果。

表3 地震响应分析结果对比(中震)

整体分析时塔冠结构的剪重比在25%左右，所以在单独模型分析时采用0.4的地震等效系数是偏于安全的。通过强度验算，能够保证塔冠结构达到中震弹性的性能指标。

4.3 构件强度验算

幕墙支撑结构作为主要的承重和抗风构件，是悬挂幕墙的基础。而且作为空腹桁架，自由度冗余比较少，一旦某一构件发生破坏，就可能导致整个幕墙立面支撑的连续性垮塌，所以必须保证其结构体系的安全性。

设计中，通过控制主要构件的强度、稳定的最大应力比来实现结构的安全。设计结果如表4所示，从表中数据可以看出，所有构件的应力比都控制在0.9以下，结构不会发生强度和稳定破坏。以风荷载为控制荷载，环梁和桁架腹杆应力最大的位置出现在角部附近，其他部位构件整体应力水平基本保持在0.6左右；桁架弦杆应力最大的位置出现在底层，应力比控制在0.8以下，留下足够的安全冗余度，防止关键构件的失效导致整体结构破坏。

表4 主要构件应力验算

4.4 结构变形校核

由于幕墙支撑结构既要承受垂直于幕墙表面的法向风荷载，又要承受沿着幕墙表面的切向风荷载，所以鱼腹式桁架除了会出现面外的挠曲，还会在侧面产生面内的侧移(见图9)。

图9 立面支撑结构变形(风荷载)

作为幕墙板块的悬挂基础，支撑结构的平面内侧移会对板块产生剪切作用，造成板块之间的挤压。挤压力一旦超过限值，会导致幕墙玻璃的碎裂，引发安全事故。所以对于幕墙的立面支撑结构，要同时控制面内、面外的变形。

结构变形分析采用幕墙公司提供的风荷载数据，按集中荷载施加到外环梁上，考虑偏心弯矩的影响。结果见表5。

表5 幕墙支撑结构挠度验算

侧面桁架底层最大层间侧移为22.9 mm，层高按4.5 m计，层间位移角为1/197，满足幕墙公司提供的幕墙板块剪切变形限值条件。

5 节点设计

塔冠立面桁架弦杆与屋面支撑和下部结构的连接节点是设计中的难点之一。立面桁架主要承受幕墙的竖向重力荷载，同时还要承担来自幕墙的水平向风荷载。弦杆自身为压弯构件，同时由于鱼腹桁架和幕墙安装的偏心作用，切向的风荷载会使弦杆产生较大的扭矩，传到弦杆上下两端的节点，给节点的设计带来很大的困难。设计时，上下端节点均采用销轴连接，用于释放弦杆两端的弯矩，减小幕墙支撑结构对屋面支撑的影响。考虑到销轴节点抗扭性能不足，在弦杆顶部和屋面支撑相连部位增加了限位构造(见图10)，通过设置长圆孔的插板限制弦杆的扭转幅度。而在弦杆下端，通过加大销轴节点插板的厚度，以保证销轴构造的强度。