多层悬挑幕墙钢结构设计

2021-01-30吴社

中国建筑金属结构 2021年1期

吴社

1.工程概况

苏州美罗商城位于繁华的观前商业中心，该建筑高28m，共六层，一、二层层高为5.0m，其余为4.5m，建筑的西北角仅二层，以上为空，呈平面扇形，其两条直线边分别是六层高的西山墙和北山墙。根据建筑外观改造的要求，从二层圆弧边向外挑2.0m～2.5m不等的距离，做全封闭的隐框玻璃幕墙，高度从二层到五层楼面，顶面铺设轻质彩钢保温瓦。新的扇形，南北方向直线边长13m；东西方向直线边长18.5m，屋面挑檐出幕墙边2m，用铝塑板外包。下面论述此幕墙的钢结构支承体系的设计。

2.工程设计中的两个关键问题

2.1 结构选型

本工程的难点在于新增幕墙离原结构太远，原结构没有太多的富余量，要寻找合适的支撑点将新增结构的荷载合理的传递给原结构，并保证幕墙安装后，主要是立杆和玻璃面板不受到主结构竖向变形影响。

经过初步验算，二、三层圆弧形砼边梁能承受悬挑2.5m单层玻璃幕墙的作用；另外，扇形屋顶范围内两个二楼内的钢筋砼柱和四、五结构层外侧的钢筋砼梁可以承受一定的新增荷载，但不能承受较大的集中荷载的作用。在此情况下，结构布置为：在二、三结构层每隔2.4m布置一道钢挑梁与砼边梁连接；三结构层砼柱顶布置两根钢柱到五层楼面，主梁布置在两根钢柱之间及延长线上，与东侧楼层的钢筋砼梁相连，西侧伸出钢柱2m后向南拐1m，与南侧本楼层的钢筋砼梁相连。主梁的设置，不仅减小了悬挑梁的长度，而且，将幕墙及屋盖、楼层上的大部分荷载传到了二层的钢筋混凝土柱上，减少了传给南侧钢筋混凝土梁的荷载。次梁四层和五层一样，由东向西每隔2.4m布置一道，并在四层次梁上做部分拉杆，与五层的主次梁交接处拉结。弧端为悬挑自由端，梁的悬挑长度不一，最大为8.10 m，南端与钢结构主梁以及南侧本楼层的钢筋砼梁依次相连，长度4.893m～7.168m。在每层梁的悬挑端沿弧线边布置一道边梁。这样，整个结构体系由两部分组成：二、三层为单杆体系和四、五层由梁柱体系组成一个框架系统。

2.2 位移控制

根据《玻璃幕墙工程技术规范》的规定：幕墙上、下立柱之间应留有不小于15mm的缝隙。因此，一方面，在玻璃幕墙的安装阶段，要相对准确地计算出悬挑端上、下层产生的位移差（即相对位移），以便安装时幕墙立杆预留这个位移差，使幕墙安装后立柱下端的间隙为设定的20mm。另一方面，在使用阶段，楼层的位移差应尽量减小，不大于20mm，以避免楼层间的玻璃和立柱产生挤压而破坏，保证幕墙的正常使用，

3.静力计算分析

3.1 荷载效应组合

按以下方式进行荷载效应组合：①1.0恒载（包括两种情况：不含幕墙（A项）和包含幕墙（B项），先计算不含幕墙情况下的变形，予以记录后，在将幕墙荷载加上，计算含幕墙情况下的变形；②1.20 恒载+1.40 活载（含检修荷载）；③1.20 恒载；④1.20 恒载 +1.40 风载（包括左风和右风）；⑤1.00 恒载 +1.40 x 0.70活载+1.40 风载；⑥1.00 恒载 +1.40 活载+1.40 x 0.70 风载；⑦ 1.20 恒载+1.40活载+1.40 x 0.70 风载；⑧1.20 恒载+1.40 x 0.70 活载+1.40 风载。

3.2 钢结构计算模型

在钢结构体系计算中，采用3D3S软件对整个结构的三维模型进行空间分析，计算模型如图1 所示，计算中，其边界条件假定为：幕墙立柱上端与挑梁的环形边梁在立柱强轴平面内铰接，其余方向约束线位移和转动，下端在强轴、弱轴、和杆轴方向全部释放。钢梁与钢梁、柱之间考虑为刚接，钢梁与钢筋砼梁间考虑到砼梁不能承受较大的扭矩，在钢梁强轴平面内的连接设为铰接，其余方向约束线位移和转动，钢柱与砼柱刚接连接。

图1

由于屋面檩条间距为1.1m，屋面荷载能较均匀地传到次梁上，通过单向导荷将屋面面荷载施加到次梁上，二、三层挑梁上施加活载和检修荷载，四层钢梁上施加检修荷载，通过双向导荷将风荷载面荷载施加到幕墙立柱和圆弧钢梁上。

3.3 计算结果分析

3.3.1 结构构件设计

在上述荷载组合下，先按照经验试取构件的截面，然后再根据荷载组合下的各单元的内力对构件截面进行调整。经过反复的计算，最后确定的结构主要杆件截面，经过分析，结构在自重、活载的作用下，采用组合（2）构件的强度、强轴稳定性、弱轴稳定性最大应力比为分别为0.85、0.75、0.73，其中主次梁的最大应力比均在0.56以下，满足现行规范的要求。

3.3.2 位移分析

计算表明，次梁自由端竖向最大位移发生在组合（2）的情况，与恒载作用下有一定的位移差，详见表1。

表1 几种情况下次梁自由端的位移（单位：mm）

从计算不难看出，当钢架安装完成（包括屋顶和楼面）后，各层在自重情况下的竖向位移（即A项），以及幕墙安装完成后的竖向位移（即B项），两者之差就是仅幕墙自重引起的竖向位移，即表中B-A项。有了这个数据，就能知道幕墙立杆下料时应减去的长度，才能保证幕墙安装后立柱下端的间隙不被压缩。也可以看出，组合（1）（2）时的相对位移之差就是玻璃幕墙在活荷载的作用下引起的位移，也就是玻璃间的位移，最大值为9mm，因此，玻璃不会因挤压而破坏，满足使用要求。在最不利荷载组合（2）的情况下，从钢结构安装完成到幕墙实际使用阶段，最大的总位移差为（35.4-13）-（18.6-7.9）=11.7，满足使用要求，能保证幕墙的正常使用。

另外，幕墙在使用阶段，在最不利荷载组合（4）和组合（8）的情况下，水平X、Y向的位移分别为7.993mm和7.0mm，满足使用要求。

3.3.3 整体稳定性分析

在风荷载作用下，幕墙面上的风荷载通过横梁和立柱传到挑梁的端部，挑梁平面内、外受到风荷载分力的作用，一个分力沿挑梁的杆轴纵向传递，挑梁承受轴力，对挑梁的影响不是很大。另一个分力则垂直作用于挑梁的侧面，如果不将此力传递到可靠的支承点上，将严重影响钢梁的平面外稳定，为此在挑梁端部和中部分别设置了20#工字钢和Ф152mmX6mm钢管作为刚性撑杆，将力传到砼梁上，同时，由于这两个杆件在砼梁上有可靠的支撑，减小了挑梁平面外的长度，增强了平面外的稳定性。