东南国际航运中心总部大厦B座索幕墙结构体系设计研究

董 越，罗 忆

(中国建筑设计研究院， 北京 100044)

1 工程概况

东南国际航运中心总部大厦B座位于厦门市海沧新区，西邻东屿南路，东邻海沧大道，建筑功能为办公及商业，建筑实景见图1。地下2层，地上20层，建筑物总高度为87.9m，主体选用框架-剪力墙结构体系。中庭外立面幕墙位于北侧1～17层(标高0.000～71.100m)，立面尺寸约为25.0m×71.1m。幕墙立面以7层楼板为界，7层楼板标高以下垂直于地面，7层楼板标高以上向外倾斜，立面玻璃每层向室外偏移760mm。北立面中庭幕墙立面图、剖面图、幕墙支撑结构局部三维示意及现场实景分别如图2～4所示。

图1 建筑实景图

图2 北立面中庭幕墙立面及剖面图

图3 幕墙支撑结构局部三维示意

图4 幕墙支撑结构现场实景图

幕墙结构设计使用年限为50年，抗震设防烈度为7度(0.15g)，Ⅱ类场地土。基本风压0.8kN/m2，地面粗糙度类别A类，阵风系数βgz=1.51，风荷载体型系数μs=1.0。考虑到本项目对风荷载比较敏感，承载力设计时基本风压乘以1.1的增大系数考虑。

2 结构方案选型

东南国际航运中心总部大厦B座北立面中庭索幕墙属高大幕墙。常见结构支撑体系有实腹钢梁方案、钢桁架方案和单层索网方案[1-2]。实腹钢梁方案结构简洁，传力直接、明确，但本项目横梁跨度接近25m，采用此方案构件尺寸会过大，结构稍显笨拙，与建筑师期望的设计理念违背。钢桁架方案优点是结构刚度大，支撑体系牢靠，且可有效减小构件截面尺寸；缺点是除上下弦杆外，桁架还应设置斜腹杆，构件数量过多，略显凌乱，钢桁架方案布置方式如图5所示。单层索网体系简洁通透、轻盈美观，建筑效果好，如新保利大厦中庭柔性索网幕墙便是一个成功实例，但本工程7层楼板标高以上幕墙剖面呈L形布置，L形幕墙单元上下端头不具备提供牢靠边界支撑的条件，因此竖向索无法设置，幕墙拉索只能沿水平向单向设置；根据以往类似工程经验及软件试算，横向索施加到结构边框上的反力将达到220kN/m，索力过大，结构难以承受。

图5 钢桁架方案布置方式

为实现更好的建筑效果，减轻幕墙对主体结构的负担，针对立面尺寸过大的高大幕墙，笔者提出张弦梁与鱼腹式索桁架组合的支撑体系，竖向承重体系为张弦梁结构，水平抗侧结构为自平衡鱼腹式索桁架，张弦梁与鱼腹式索桁架通过竖向龙骨连为一体，以限制竖向承重结构和水平向抗侧结构绕自身中心轴旋转。典型张弦梁跨度为25m，矢高为2.6m，矢跨比为1/9.6[3]。上弦梁采用□300×150×12×12钢梁(材质Q345B)，下弦承重拉索为φ30的不锈钢索(材质等级316)，截面□150×100×8×8幕墙竖向龙骨兼做撑杆。自平桁鱼腹式索桁架跨度为22.9m，矢高为3.4m，矢跨比为1/7[4]。鱼腹式索桁架以φ250×14钢管为主梁，撑杆为截面φ89×8的圆管，撑杆两端通过φ34的不锈钢索给撑杆以压力，从而增强主梁刚度。为减小鱼腹式索桁架主梁在其平面外的计算长度，在鱼腹式索桁架主梁上沿幕墙剖面吊挂φ22背索(图2)。背索将鱼腹式索桁架串联在一起，并吊挂在主体结构屋顶钢梁上。张弦梁与鱼腹式索桁架组成的典型结构单元如图6所示。

图6 张弦梁与鱼腹式索桁架组成的典型结构单元

3 项目设计重点、难点分析

3.1 稳定结构体系的建立

该工程竖向承重体系为张弦梁结构，属直梁型张弦。拉索无法在撑杆底部提供有效的面外弹性支撑刚度[5-6]，需采取必要措施，以防止撑杆绕顶端转到。鱼腹式索桁架两端与主体结构铰接连接，存在绕自身主梁旋转趋势，亦需采取相应措施以限制其转动。为解决张弦梁和鱼腹式索桁架自身体系不稳定的问题，特利用幕墙竖向龙骨兼做张弦梁撑杆将两个体系连为一体。利用鱼腹式索桁架水平刚度给张弦梁撑杆提供水平向支撑点(图7)，利用张弦梁竖向刚度为鱼腹式索桁架提供竖向支撑点(图8)。张弦梁和鱼腹式索桁架有机结合，从而形成稳定、牢靠的幕墙支撑体系。为保证张拉时撑杆可在幕墙平面内自由摆动，竖向龙骨顶部与主梁采用铰接连接，连接节点如图9所示，竖向龙骨与张弦拉索连接节点如图10所示。

图7 张弦梁稳定体系

图8 鱼腹式索桁架稳定体系

图9 竖向龙骨与主梁连接节点

图10 竖向龙骨与张弦拉索连接节点

3.2 合理背索索力的确定

鱼腹式索桁架通过背索吊挂在主体结构屋顶钢梁上，屋顶钢梁承受的荷载为全部索桁架重量与底部背索索力之和。为减小屋顶钢梁的负担，宜尽量降低底部拉索索力。但任何工况下，背索都不应松弛，否则鱼腹式索桁架主梁将失去跨中竖向约束，进而出现随机上下摆动甚至受压失稳[7]。本项目背索索力的控制标准为：在最不利工况下，底部拉索索力不应少于20kN。幕墙使用期间若发现背索松弛，应及时予以处理。

3.3 背索转折处鱼腹式桁架加强措施

受外立面造型的影响，背索在6层楼板标高位置附近出现转折(图2)，6层楼板标高以上背索向外倾斜。为抵抗背索水平向分力作用，特将此处水平向鱼腹式索桁架靠近室外的一侧改为钢桁架(图11)。分析结果表明：加强前和加强后恒载作用下，背索转折处索桁架的平面外位移分别约为35.2mm和4.76mm，索桁架刚度明显提高，其中恒载作用下加强后背索转折处索桁架面外位移如图12所示。

图11 鱼腹式钢桁架

图12 恒载作用下索桁架面外位移/m

3.4 幕墙支撑体系与主体结构的连接方式

幕墙支撑结构属于自平衡体系[8-9]，拉索索力不可传递至主体结构，因此幕墙支撑体系与主体结构的连接节点处需采取必要的构造措施，使两者之间可相对滑动。支座滑动常见处理方式有设置成品支座和在连接耳板上开设长圆孔。幕墙支撑体系与主体结构两侧的连接点共计60个，成品盆式滑动支座费用过高，橡胶支座耐久性又无法保障，因此本项目采用开设长圆孔的方式来实现支座滑动。

利用长圆孔实现支座滑动，需注意：长圆孔在不可滑动方向销轴与孔之间属于点接触，承载力极低，不应将该方向设置成主受力方向。以支撑体系中张弦结构上弦梁与主体结构连接节点为例，幕墙通过张弦结构将自重传递至两端支座，若采用连接做法一(图13(a))将长圆孔开设在支撑耳板上，在受力最大的方向销轴与长圆孔点接触，势必会影响节点安全。图14为利用连接做法一来实现滑动时支座von Mises应力分析结果。由图14可知，长圆孔与销轴接触部位已进入塑性，且有一定的分布范围。由于竖向荷载较大，在滑动过程中易使得连接耳板发生材料损失，在后期长时间运行过程中存在安全隐患。实际工程中，项目采用的连接做法是将长圆孔设置在滑动底板上(图13(b))，竖向荷载通过底板承压传递，安全可靠。鱼腹式索桁架主梁与主体结构的连接方式类似，但鱼腹式索桁架主梁自重主要依靠背索吊挂在主体结构屋顶钢梁上。其主要受力方向为水平迎风向，支座需旋转90°设置。

图13 支座连接做法

图14 支座von Mises应力分析结果/MPa

4 力学性能分析

设计分析采用MIDAS Gen软件，并采用ANSYS 12.0软件进行索力校核。

4.1 位移分析结果

幕墙支撑结构跨度接近25m，MIDAS Gen软件计算结果得出，典型荷载工况作用下，幕墙支撑结构跨中变形如表1所示，其中d为变形值，L为结构跨度。由表1可知：恒载作用下，支撑结构跨中竖向变形为15mm，为跨度的1/1 666；风压荷载作用下，跨中水平向变形为26mm，为跨度的1/961；风吸荷载作用下，跨中水平向变形的绝对值为18mm，为跨度的1/1 388。可以看出，竖向承重的张弦结构和水平向受力的鱼腹式索桁架结构均具备较强的自身刚度，变形值均满足《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)中1/250的限值要求。

幕墙支撑结构跨中变形 表1

4.2 索力分析结果

钢索均采用材质等级为316的不锈钢拉索，钢丝的破断强度大于1 200MPa。典型荷载工况组合下，索力分布如表2所示。由表2可知：在最不利工况组合下，鱼腹索最大索力设计值为315.9kN，张弦索最大索力设计值为135.4kN，拉索索力设计值与破断力(801.9kN)的比值小于0.5，满足规范[10]要求。鱼腹索最小索力设计值为27.6kN，背索最小索力设计值为23.3kN，拉索均未松弛。

索力/kN 表2

5 结语

东南国际航运中心总部大厦B座北立面中庭索幕墙立面尺寸约为25.0m×71.1m。幕墙立面以7层楼板为界，7层楼板标高以下垂直于地面，7层楼板标高以上向外倾斜，立面玻璃每层向室外偏移760mm。针对此类高大幕墙，提出张弦梁与鱼腹式索桁架组合的支撑体系。该支撑体系属自平衡结构，结构刚度好，建筑效果简洁、通透。目前项目已投入使用，且经历过历次台风考验。工程实践表明：该体系安全可靠，是值得推广的一类幕墙支撑体系。