上海中心大廈柔性懸掛式幕墻滑移裝置健康監測方法

宋偉寧 張其林

（1.上海中心大廈建設發展有限公司，上海200120；2.同濟大學，上海200092）

0 引 言

隨著我國現代大空間和超高層建筑的不斷發展，具有標志性的大尺度幕墻工程也逐漸增多。大空間尺度幕墻必然要求有大尺度的支撐體系。例如，北京國家大劇院外罩幕墻大跨度橢圓形長短軸桁架結構支撐體系［1］、新保利大廈索網幕墻支撐體系［2］、京滬高鐵虹橋站站房西立面鋸齒形索幕墻支撐體系、上海中心大廈柔性懸掛式可滑移幕墻支撐體系等，這些幕墻支撐體系與常規的結構體系有諸多不同，除了材料和選型，這些大尺度的支撐結構必須適應主體結構和幕墻本身的變形要求，同時保證幕墻的功能。

幕墻支撐體系無論其是剛性還是柔性的，都面臨著結構本身、溫度、地震和風載所帶來的變形問題，而金屬構件因溫度變化所產生的變形尤為顯著。除了幕墻本身需要適應多種變形，其支撐結構同樣要適應這些復雜變形，對于大空間尺度的支撐體系而言，其技術要求更高。幕墻單元板塊無論是有框還是無框，因其尺度相較于幕墻體系的支撐結構而言總是偏小的，通過縫隙和轉接的構造設計來吸收幕墻本身的各種變形在技術上已趨于成熟。但是，處理大尺度幕墻支撐結構對各種變形的容適性，往往比幕墻單元板塊要復雜得多，需要設置一些特殊的可動裝置來實現這種變形。與此同時，為了提升幕墻體系全生命周期的安全性與可靠性，要求通過跟蹤監測來掌握這些特殊裝置的實際工作狀態，上海中心大廈外幕墻就是其中的典型案例。

近年來，結構健康監測技術已廣泛應用于超高層建筑的施工和運營階段，如金茂大廈（421 m）［3］、廣州西塔（437.5 m）［4］、上海環球金融中心（492 m）［5］、臺北101 大廈（508 m）［6］、天津117大廈（597 m）［7］、廣州電視塔（600 m）［8］和深圳平安金融中心（600 m）［9］等。目前，國內外學者雖然已經取得了一些研究成果，但針對大尺度柔性懸掛幕墻的監測研究鮮有報道。本文針對上海中心隱蔽型滑移裝置直觀監測的困難性，提出了簡明有效的間接監測方案，并經優化后應用于工程實踐，取得了良好的實效。

1 上海中心大廈柔性懸掛式外幕墻簡介

上海中心大廈主樓外幕墻采用大尺度幾何柔性懸掛式幕墻，總面積約14 萬m2，由20 357 個單元板塊組成［10］。由于削減風荷載和建筑造型的需要，外幕墻采用120°旋轉向上的收分設計形成幾何造形。除了塔冠外幕墻的的支撐結構，其他分區采用上掛形式，從每區的桁架層底部自上而下懸垂下來，分區懸掛尺度除了一區均超過60 m，最高為66.65 m。每層由460 鋼吊桿、鋼環梁和徑向支撐桿件形成圍合的幾何空間結構，幕墻單元板塊通過轉接件與支撐結構相連接，其形態如同“玻璃筒裙”。分區幕墻懸掛支撐結構示意圖和現場施工照片（圖1）。

2 支撐體系及滑移裝置工作機理

上海中心外幕墻旋轉收分的設計形態，使得外幕墻懸掛體系的鋼吊桿并非是垂直的，而是沿著幕墻面進行傾斜布置，并采用一組雙桿來提高安全冗余度。幕墻自身重力在傾斜吊桿上會產生水平分力，平面外傾斜所產生的徑向水平分力由徑向撐桿承擔；平面內所產生的水平分力會使得與吊桿相連的幕墻水平環梁自然產生水平轉動趨勢，而限制這一整體轉動的裝置就是平面止推支座。

由于上海中心大廈建筑高度達到632 m，建筑結構受到強風、地震、溫度變化、自身恒-活荷載和壓縮徐變等因素影響會產生多種復雜變形。形如“筒裙”的外幕墻工作機理必須適應主塔結構及其本身支撐結構的各種變形，這種變形不僅僅出現在幕墻板塊之間，更在整體上反映在其大尺度支撐體系之間。根據設計分析與要求，分區外幕墻的最大張開變形為80 mm，最大閉合變形為250 mm［11］，見圖2；水平伸縮能力須滿足鋼環梁的溫度變形即±50 mm［11］，且在這樣的變形過程中，幕墻體系必須保證其設計所要求的四性功能與整體穩定。

圖1 外幕墻支撐體系和外幕墻施工安裝示意圖Fig.1 Diagram of support system for external curtain wall and installation of external curtain wall

圖2 幕墻風-震所致豎向變形示意圖Fig.2 Diagram of vertical deformation caused by wind and earthquake on curtain wall

為了吸收支撐體系的變形，在技術設計上引入了十分獨特的滑移支座。外幕墻支撐體系滑移支座大體上可以分為五類：①豎向滑移支座（圖3（a）和圖3（b））；②水平滑移支座（圖4（a））；③平面止推支座（圖4（b））；④平面滑移支座；⑤可偏轉鉸支座。豎向滑移支座服務于環梁的上下滑動，限制環梁的水平移動和扭轉；水平滑移支座服務于環梁因溫度變化的熱脹冷縮變形；平面止推支座限制環梁在水平面內的旋轉，釋放環梁的豎向滑動；平面滑移支座服務于一區支撐桁架東連接端的平面內滑動。可偏轉鉸支座服務于徑向撐桿內側連接點的轉動；經過設計優化，最終約有1 562 個各類特型支座服務于整個外幕墻支撐體系。

3 豎向滑移裝置的監測方法和依據

上海中心大廈外幕墻所謂柔性懸掛是因為其豎向傳力依靠25 組雙吊桿自上而下通過耳板和銷軸與每層鋼環梁實現純鉸接連接，理論上吊桿是單向受拉桿件，當塔樓擺動時，幕墻支撐體系會同時出現收拉張開變形和受壓閉合變形兩種狀態。受拉一側即便吊桿拉力和受拉變形值較大，只要在設計允許值內，通過轉接件連接的幕墻單元板塊及整體就不會出現安全問題。而在幕墻支撐體系受壓一側，理論上通過幕墻自重產生的下推力大于豎向滑移支座的內部摩阻力，就能夠實現懸掛幕墻的整體閉合變形。但如果豎向滑移支座因某種原因，摩阻力增大，就會使得下移閉合變形受到阻礙。極端情況如吊桿出現受壓屈服，壓縮量超出幕墻單元板塊插接縫縫隙所能容許的量級時，雖然幕墻支撐體系不至于出現結構安全問題，但幕墻單元板塊就會受到擠壓，幕墻受損破裂的風險就會增大。因此，上海中心大廈柔性懸掛式外幕墻狀態是否正常，有賴于這些支座的工作狀態是否健康，尤其是分區底環梁上的豎向滑移支座。由于豎向滑移支座構造最為復雜，加工和安裝難度最大，并要求做到設計壽命內的免維護，因而工程風險相對較高。

圖3 豎向滑移支座及其連接和豎向滑移支座解剖示意圖Fig.3 Diagram of vertical sliding bearing and its connection and anatomical sketch of vertical sliding connection bearing

圖4 水平滑移支座和平面止推支座示意圖Fig.4 Diagram of horizontal sliding bearing and diagram of planar thrust bearing

針對具有復雜構造且對外幕墻整體安全性至關重要的特型滑移支座，技術評審專家認為對豎向滑移支座進行健康監測是必要的，但這種監測沒有先例。由于豎向滑移支座作為可動連接節點，其軸套與支撐環梁相整合，而滑軸與樓面鋼梁連接，包括固態潤滑脂的摩擦副均是隱蔽型工作部件，如何直觀檢查隱蔽型支座裝置內部滑軸是否正常目前尚無有效的工具和手段，因而必須創新一種簡明可靠的監測方法。通過對拉桿節點、轉接件、板塊插接縫構造和壓縮導致失效過程的深入分析研究并以試驗為基礎最終形成了如下監測方法。

（1）每區選擇若干緊鄰推阻比最小吊桿的豎向滑移支座進行監測，達到風險可控和監測方案的優化實施（圖6（a））。

（2）通過對吊桿應力應變狀態進行監測來判斷所遴選的豎向滑移支座的工作狀態，將復雜的無法直觀監測的難題通過間接可靠的監測方法來解決。

（3）監測的預警閥值通過對幕墻單元、轉接件、環梁和拉桿按照實際尺寸和安裝方式所形成的組合單元體進行分級壓縮加載試驗來確定，以試驗狀態值作為閥值設定的依據（圖5（a）、圖5（b）、表1）［12］。

圖5 幕墻壓縮變形試驗與吊桿變形和應變圖示Fig.5 Compressive deformation experiment of curtain wall and diagram of deformation and strain of suspender

表1 試驗吊桿位移值和受力狀態匯總Table 1 Summary of displacement values and stress states of the suspender

表2 振弦式應變傳感器技術參數Table 2 Technical parameters of vibrating string strain sensor

（4）設定報警等級，變形量超過預警閥值，監測系統實現分級報警。

（5）選取合適的應變計（如表面型正弦式應變傳感器，技術參數見表2），采用有線和無線兩種數據采集模式，以覆蓋工程項目的建造期和營運期。由于施工階段在線監測條件不具備，且不可預計因素較多，在施工階段需加密現場監測頻次。

（6）對于雙吊桿組成體系，選擇先進入屈服狀態的桿件作為監測對象。由于雙吊桿有傾斜角，基于試驗發現，在壓縮載荷作用下左側吊桿首先進入屈服狀態。

（7）監測儀器設定在左側吊桿上并采用雙應變計對稱布置，以保證數據的可靠性。

（8）根據試驗所獲得位移和吊桿狀態數據，設置如下報警閥值，超過閥值進行分級報警：

①吊桿應變達到：（A*με）二級報警（嚴重報警）；

②吊桿應變達到：（B*με）一級報警（一般預警）；

③吊桿受拉且在設計容許值C*MP 之內：安全；

其中，G為儀器標準系數，單位：με/Digit，或微應變/字；f1為當前頻率讀數；f0為初始頻率讀數。

*注：具體量值受知識產權保護。

（9）考慮到視覺效果，數據線沿幕墻支撐環梁鋪設，幕墻V口處設置集線箱并連接至子站，子站數據通過弱電綜合布線管路傳至總控中心的監測平臺（圖6（b）、圖6（c））。

（10）健康監測納入大廈總控中心監測系統，在運維階段實現實時狀態監控和預警功能，并通過其他如大樓加速度、位移指標的實時比對，進行數據分析與評估。

圖6 二區監測對象選擇、監測應變計安裝實景和健康監測平臺系統Fig.6 Diagram of monitoring bearing selection in zone 2，installation of monitoring strain gauge and health monitoring system

4 監測評估與結論

由于二區幕墻最先安裝，因而成為相應的監測重點。鋼吊桿中的應變狀態（圖7）［13］。監測數據顯示：二區幕墻中三根吊桿，兩根受拉，一根受壓，受壓應變量級較小。無論拉壓，應力水平均處在極低水平，結構處在安全狀態，支座工作正常。

5 結 論

（1）現代大空間幕墻支撐體系會借助一些特型可動裝置來適應各種復雜變形，幕墻及其整體的健康狀態往往與這些裝置的工作狀態密切相關。鑒于幕墻施工和運維階段的整體安全，對關鍵性的特型裝置進行健康監測是必要的。

（2）對于具有大數量監測對象的重點選擇可以基于結構分析和重要性進行判別，如對推阻比最小和先行進入失穩屈服狀態的構件組群進行監控，以形成最優監測方案。

（3）對于基于多專業合成并執行重要功能且具有隱蔽性的可動裝置因難以直觀監測，可以采用間接的測量方法。監測過程應覆蓋幕墻安裝和使用階段全壽命周期。

（4）監測預警閥值若沒有判別依據可以通過實驗來獲取相應數據，設定報警標準。

（5）當監測數據積累到一定的樣本數量，可在此基礎上進行大數據的分析與評估。

圖7 應變監測數據Fig.7 Strain monitoring data