大跨度建筑幕墙桁架外凸型单向滑动铰支座技术在酒店A字形塔楼施工中的应用

张体辉 倪胜利 戴玉帅 张新辉

中国建筑第八工程局有限公司钢结构工程公司 上海 200125

1 概述

随着建筑行业的快速发展，大跨度钢桁架和混凝土组合结构建筑不断涌现，多体现于大型厂房结构以及外部有特殊造型结构的建筑中。

在大跨度钢桁架结构中，钢构件大多处于超静定状态，杆件之间相互约束，桁架整体刚度大，对建筑结构的约束性强，温度应力使钢桁架结构产生膨胀，由中间向外部延伸，使钢结构建筑物由中间向两端变形增大，因此温度应力的影响在钢桁架结构变形中是必须考虑的因素，在设计中必须计算温度应力和变形程度。目前，常规的施工办法是在钢结构一定的温度区间设置伸缩缝，缩短温度区，减小温度对一般建筑物的影响，从而在设计时可以不考虑温度产生的应力应变，以此来降低温度应力对结构的影响，但这个方法必然会影响建筑立面的造型美观需求，也会带来防水等问题[1-4]。

对于那些不适合设置伸缩缝的结构，只能普遍采用加大安全系数法，即加大钢构件截面，减小温度应力对变形的影响，而这就会导致用钢量的大幅增加。从理论上考虑，在大跨度钢桁架结构中，如果适当设置滑动支座，在满足结构刚度和稳定性的条件下，可以释放掉一部分温度应力，这就可以降低温度应力对结构的影响，从而解决了对结构条件的依赖和用钢量增加的困扰。

因此，单向滑动铰支座被广泛应用于建筑上，尤其适用于大跨度钢桁架结构中屋顶结构和下部支承结构的铰接连接。其可以实现以下功能：支座具有各方向的转动能力；能够将上部结构产生的竖向荷载传递到下部支承结构；能够将上部结构产生的某一方向的水平荷载传递到下部支承结构；能够释放垂直方向的水平荷载并允许结构在此水平方向滑动。但是，在支承结构侧向设置单向滑动铰支座时，需要设计转换件，并将转换件通过预埋件刚接固定在支承结构侧部。如果滑动铰支座转换件设置不当，则不但起不到滑动铰支座应有的作用，甚至会导致整个结构失稳倒塌。

2 工程概况

上海JW万豪侯爵酒店项目（图1）位于上海市浦东新区，总占地面积为11 340 m2，总建筑面积为119 600 m2。

本工程由塔楼和裙楼组成，塔楼结构为型钢混凝土外框架-核心筒组合结构，共40层，高度为157.1 m，裙楼为钢框架结构，共5层，高度为24.1 m。项目地下室结构为5层，底板标高为－19.6 m。总用钢量约12 000 t。

为满足造型要求，工程采用了带滑动铰支座的大跨度三角管桁架＋A字形劲性钢骨混凝土柱结构体系（图2）。三角管桁架共设18榀，外凸型滑动铰支座36个，位于塔楼A字形大堂，东侧8榀，西侧10榀。本工程造型独特，塔楼大堂处采用A字造型，劲性钢骨混凝土柱最大倾斜角度11.5°，整个塔楼A字形南侧处于独立体系，使得施工十分复杂困难。幕墙三角管桁架在桁架本身自重和因水平方向偏心而产生的扭矩的共同作用下，使得端部节点内力的发展和位形的变化都非常复杂。

图1 上海JW万豪侯爵酒店效果图

图2 大跨度建筑幕墙桁架模型

为使三角管桁架内部不产生“施工阶段残余应力”、三角管桁架节点处的焊缝不产生撕裂和变形等不良受力状态，在三角管桁架端部与劲性钢骨混凝土柱之间设置滑动铰支座。以上海JW万豪侯爵酒店项目为研究载体，在充分集成现有施工技术的基础上，创新提出了大跨度建筑幕墙桁架“外凸牛腿＋单向滑动支座”的成套施工技术。本技术以幕墙桁架“外凸牛腿＋单向滑动支座”为核心，运用施工全过程模拟分析、施工变形监测、实时应力或应变监测等手段全方位控制结构施工质量，以保证结构性能。

3 外凸型单向滑动铰支座技术

3.1 桁架单向滑动铰支座节点设计

为使幕墙桁架水平能够相对自由变形，且防止桁架弯矩传递到混凝土结构上，本工程幕墙桁架采用了单向滑动铰支座技术。该节点由埋件、连接板、短斜柱、U形卡槽、聚四氟乙烯板、桁架端部嵌入式牛腿等组成。聚四氟乙烯板置于U形卡槽内，具有较强的滑动性和抗震性，起到了非常关键的作用。U形卡槽与短斜柱相连，短斜柱通过埋件和连接板与混凝土结构相接，再由桁架通过牛腿嵌入U形卡槽，形成外凸型单向滑动铰支座，如图3所示。

图3 外凸型单向滑动铰支座效果图

在幕墙桁架施工过程中，首先在混凝土柱上进行预埋，通过连接板将U形卡槽短斜柱固定在混凝土柱上（图4），现场拼接桁架主体与嵌入式牛腿，将聚四氟乙烯板粘于嵌入式牛腿上，然后通过端部嵌入式牛腿与U形卡槽对接（图5），完成单榀桁架安装。待单榀桁架微调至指定位置后，在牛腿两侧封焊抗剪钢板（南柱节点只焊一侧），如此一来，单榀桁架只能传递z轴方向荷载，绕y轴方向的弯矩以及x轴方向的水平荷载得以释放。

图4 U形卡槽短斜柱安装

图5 U形卡槽与嵌入式牛腿对接

桁架在水平方向偏心产生的绕x轴方向扭矩，通过嵌入式牛腿传递到U形卡槽的上下抗剪钢板。本文通过Midas Gen等软件进行模拟设计（图6），以验证抗剪钢板是否满足力学性能要求，并由此得出U形卡槽、连接板等零件尺寸规格。

图6 利用Midas Gen模拟分析端部支座反力

3.2 变形模拟分析

本工程采用Midas软件对结构的变形进行模拟分析（图7）。全过程模拟分析的基本步骤如下[5]：

1）基于设计资料，一次性建立整体结构有限元模型。

2）根据现场实际温度，对结构变形进行模拟分析，计算得到水平位移最大值，进而得到节点可移动的最大距离，根据此计算结果设计抗剪钢板的具体位置。

图7 利用软件进行结构变形设计

3.3 外凸型单向滑动铰支座节点焊接工艺

外凸型单向滑动铰支座节点的后焊封板焊接在混凝土预埋件上的钢牛腿上，上下抗剪钢板焊接在钢牛腿上面，最后在单向滑动铰支座水平安装进入节点后，加焊抗剪钢板于端部嵌入式牛腿外侧，以承受桁架在水平方向偏心而产生的绕x轴方向的扭矩。因此外凸型单向滑动铰支座节点的焊接工艺尤为关键，焊缝质量尤为重要。在焊接固定过程中，应遵循以下原则：

1）对称焊接原则。在对同一个剖面对称位置的2条焊缝进行焊接时，要求对构件的热输入值大体相同。

2）预热处理。现场板厚30 mm以上，常温以下焊接环境可用火焰预热至60～80 ℃，预热范围为坡口两侧各100 mm，测温为背面坡口两侧50 mm。

3）焊接应力控制。其方法有减小焊缝尺寸、减小焊接拘束度、采取合理的焊接顺序、对构件进行分解施工等。

4）焊接应力消除。其方法有对零件整平、局部烘烤、超声波振动等。

5）进行焊缝无损检测。

3.4 现场变形监测

在外凸型单向滑动铰支座的嵌入式牛腿上设置监测点，在监测点位置做好永久性标记，并记录好初始位置。采用全站仪对外凸型单向滑动铰支座的嵌入式牛腿下侧的水平变形进行监测，根据监测得到的嵌入式牛腿下侧变形差值调节节点内钢卡板的位置。变形监测数据显示，随着施工的进展，嵌入式牛腿下侧有不同程度的水平变形，且随着温度的变化（随时间推移温度相应变化），嵌入式牛腿下侧的水平变形存在一定的差值，如图8所示。

图8 构件变形曲线

3.5 模拟分析与现场监测结果对比

通过对全过程施工模拟分析的结果与现场变形及应力监测的结果对比，以对比的结果反馈于施工方案的调整，从而确定更加严谨、更加科学的大跨度建筑幕墙桁架施工方案。

3.6 实时应力监测

大跨度建筑幕墙桁架在安装完成后，连接板处会产生较大的剪切力。为检查连接板处焊缝的焊接质量是否满足要求，在两侧连接板处设置监测点，监测在安装大跨度建筑幕墙桁架前、后连接板处3 h内的实时应力变化。同时在外凸型单向活动铰支座处设置监测点，监测安装单榀桁架吊杆前、后连接板和抗剪钢板的实时应力变化，确保施工安全。

4 结语

以上海JW万豪侯爵酒店工程的大跨度幕墙桁架施工实践为基础，提出了“外凸型单向滑动铰支座”的成套施工技术，其中包括全周期施工模拟分析与现场全过程变形应力监测结果对比的大跨度幕墙桁架焊接安装技术与实时应力监测技术。

在大跨度钢桁架结构中，温度对结构产生的整体变形和内部应力分布的影响是不可忽略的。按照以往常规施工办法设置伸缩缝，就会使得建筑的防水性能、保温性能有所下降，建筑外立面和造型的美观需求也难以达到人们预期。若采用加大钢构件截面的办法来抵抗温度应力和温度变形的影响，则会严重增加结构用钢量，从而大大增加经济成本，同时有可能产生负面作用，即结构自重增大会对支座产生过大的内力，超出支座的承载力，继而使得支座的设计、施工困难且成本加大。

由上海JW万豪侯爵酒店工程的大跨度幕墙桁架施工实践可知，科学地设置滑动铰支座，不但可以保证结构整体的稳定性，而且可以将大跨度钢桁架因温度产生的应力及变形释放出去，解决了在温度影响下桁架两端弯曲应力过大的难题，同时也满足了大跨度幕墙桁架施工与使用阶段的结构稳定需求，为建筑施工中大跨度幕墙桁架的连接提供了一种可靠、实用、经济的施工工艺。