濟南萬象城幕墻支撐結構設計概況

張 濤

(北京潤置商業運營管理有限公司，北京 101500）

0 引言

隨著國內商業地產的高速發展，大型商業綜合體項目越來越多，產品出現高度同質化，開發商為打造專屬的建筑特點，在建筑空間營造上追求“大挑空、大采光、大通透”，期待給消費者帶來更好的空間體驗。幕墻是由支撐結構體系及面板組成的，可相對主體結構有一定位移能力、不分擔主體結構所受作用的建筑外圍護結構或裝飾性結構[1]，吊掛大跨度空間桁架結構是實現上述“三大”建筑特點的幕墻支撐結構的最佳選型之一。何志軍通過上海中心幕墻支撐結構選型研究指出幕墻支撐結構具有分區懸掛重量大、支撐剛度柔、荷載效應及節點構造復雜等特點[2]。針對復雜形體的大跨幕墻系統，幕墻及支撐幕墻的鋼結構往往分開設計，幕墻部分由幕墻顧問或幕墻施工單位完成，幕墻支撐結構通常交給結構顧問或者主體結構施工圖院完成。在幕墻支撐結構選型時，經常遇到實腹式柱或桁架柱加連系梁的結構選型，上述選型存在豎向構件截面大占用室內空間，桿件空間分布密集干擾視線、鋼結構室內裸露影響裝飾效果、整體用鋼量大導致經濟性差等缺點。陳曉晴等人通過大跨度體育館鋼屋蓋與幕墻子結構分析研究提出，對于復雜的大跨幕墻系統應進行幕墻及結構一體化設計，充分考慮幕墻與幕墻支撐結構的協同作用[3]，董越、羅憶通過分析常見結構體系的優缺點，提出張弦梁與魚腹式索桁架組合實現幕墻結構支撐，該體系具有較好的結構剛度，索力自平衡，且建筑效果簡潔、通透的特點[4]。濟南萬象城東南角主入口屬于典型復雜大跨度幕墻系統，采用幕墻及支撐結構一體化設計，東南角主入口建筑縱跨4～ 6 層，根據建筑形體及荷載分布特點，幕墻支撐方案選型時，采用可以跨越較大結構洞口、傳力途徑清晰、穩定性高、用鋼量少的吊掛空間桁架結構，該方案優化結構傳力路徑，采用水平向抗風的桁架代替豎向構件截面大、且占用室內空間的承重、抗風一體柱，豎向采用多根承重吊桿將水平桁架吊掛在主體結構上。在幕墻方案設計時，創造性地將水平向桁架外置包覆在室外橫向金屬格柵中，方案采用S32205 高強度的雙相不銹鋼作為豎向吊桿，有效減小吊桿截面直徑，確保其充分隱藏在豎向玻璃膠縫中。為方便現場鋼結構測量放線及安裝，方案在桁架與吊桿連接處，設置了萬向球鉸節點。以上方案創新，通過結構外置，將結構全部隱藏在幕墻構造中，實現室內的結構消隱，充分釋放了室內空間，給消費者著眼看山不見山的空間體驗。

1 工程概況

濟南萬象城位于山東省濟南市，總建筑面積36.80 萬m2（圖1），商業建筑面積18.82 萬m2，可租賃面積11.68 萬m2，建筑擁有地上8 層垂直空間，平面采用環形動線設計，將每層不同商業業態有機串聯。濟南萬象城東南角主入口上方為外傾異形曲面（圖2），室外橫向設置漸變金屬裝飾線條，該體塊縱跨13.7m 建筑挑空（圖3）。

圖1 濟南萬象城鳥瞰

圖2 東南角局部建筑效果

圖3 東南角室內效果

2 結構體系布置

濟南萬象城東南角主入口幕墻支撐結構（圖4）建筑高度37.9m，水平向桁架跨度26.4m、拱高8.8m，豎向最大跨度13.7m，桁架兩側固定在左右角柱上，14 榀桁架通過豎向8 根吊桿懸掛在主體結構上，24.2m 標高位置，水平桁架與主體結構邊梁設置拉結點。

圖4 幕墻支撐結構圖

豎向承重吊桿采用?50×5mm 圓管截面，材質使用雙相S32205 不銹鋼，材料強度設計值為385N/mm2具備良好的抗拉壓性能，吊桿上下為固定球鉸支座，桿件端部彎矩充分釋放的二力桿，圓管截面直徑小可以充分隱藏在玻璃膠縫中。為適應曲面找形設計，方便現場鋼結構施工，在橫向桁架與豎向承重吊桿連接位置，頂部與主體結構連接位置設置鑄鋼萬向球鉸節點（圖4c）。

表1 主要構件截面

3 荷載與作用

濟南萬象城項目主入口幕墻支撐結構，采用橫向桁架抗風、豎向吊桿承重的結構體系，建筑設計使用年限50 年、建筑抗震設防烈度為6 度、結構安全等級為二級。

3.1 恒載

恒載主要加載0.85kN/m2玻璃面板荷載、兩側邊部飛翼及底部鋁板飾面荷載0.29kN/m2、中間橫向裝飾線條鋁板飾面荷載0.55kN/m2及部分LOGO 荷載，鋼結構自重荷載由計算軟件自動添加。

3.2 雪荷載

由《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）規定[5]，基本雪壓：0.30kN/m2，由表7.2.1 第3 項取值，橫向突出的鋁板裝飾線條取荷載0.60kN/m2。

3.3 風荷載

幕墻作為圍護結構，計算維護結構時，應按照下式計算[5]：

考慮建筑立面造型復雜，按照轉角區域選擇荷載體型系數，同時考慮室內負壓作用，并按照從屬面積進行折減，橫向鋁板裝飾線條按照檐口、雨篷、遮陽板、邊棱處的裝飾條等突出構件，取-2.0。根據立面特點將風荷載按照5 種工況（圖5）施加到模型虛面上。

圖5 風荷載工況

3.4 地震作用

建筑抗震設防分類：乙類；本地區抗震設防烈度：6 度；設計基本地震加速度值：0.05g；水平地震影響系數最大值：0.04；設計地震分組：第三組；場地特征周期：0.9s；結構阻尼比ζ ＝0.04。按照上述參數，進行水平的多遇地震反應譜分析，同時考慮兩個方向水平地震作用，每一振型的峰值反應均采用CQC 方法組合。水平方向按照反應譜分析方法取X 向、Y 向、XY 向、YX 向，豎直方向根據《建筑抗震設計規范》（GB50011-2010）第 5.3.4 取：水平地震影響系數的 65%[6]。

3.5 溫度荷載

本工程施工鋼結構合攏時間為6～ 7 月份，鋼結構可選擇清晨、傍晚或較為涼爽的時間合攏，合攏溫度在+20℃左右，而36℃-20℃=16℃，故升溫取保守 30℃；-9℃-20℃=-29℃，故降溫，取-30℃。

3.6 荷載組合

表2 無地震作用荷載組合

表3 地震作用荷載組合

4 靜力分析

4.1 桿件承載力分析

觀察風荷載作用下，水平桁架內、外側弦桿的受力狀態（圖6a），在W2（單風壓）工況下，上層吊掛結構中，最頂上的外水平拱桁架大部分受壓，內水平拱桁架大部分受拉；其他外水平拱桁架大部分受拉，內水平拱桁架大部分受壓。在W（5單風吸）工況下（圖6b），上層吊掛結構中，最頂上的外水平拱桁架大部分受拉，內水平拱桁架大部分受壓；其他外水平拱桁架大部分受壓，內水平拱桁架大部分受拉。其他外水平拱桁架大部分受壓，內水平拱桁架大部分受拉（備注：圖中紅色為受壓，藍色為受拉）。

計算結果表明水平桁架外側弦桿存在連續受壓的狀態，風吸力作用下連續受壓弧長約8 個節間長度約 14m，風壓力作用下，最上一榀桁架外弦桿全部連續受壓，長度約27m，外弦桿斷面為口200mm×150mm×8mm，平面外計算長度按連續受壓長度計算，長細比分別185 和370。根據內力分析，14m 長的外弦桿按直線計算，主軸方向極限穩定承載力為315kN，而實際承受的軸向壓60.2kN，結構安全（弱軸方向有桁架腹桿支撐，計算長1.7m，非控制項）。對于最頂上桁架，長細比超規范，外弦桿平面外穩定無法保證，對最上一榀桁架，在外弦桿上對應的位置布置不銹鋼桿件（圖6c）。

圖6 桿件承載力分析圖

4.2 結構位移分析

按照圍護結構施加風荷載，并考慮半跨風載的影響，對結構在各種剛度組合下的結構位移進行分析，其中1.0D+1.0W3恒載+半跨風載組合下結構位移最大，絕對變形為107mm（圖7a），變形最大發生在第5 榀桁架（圖7b），取第5 榀桁架進行相對變形分析，如圖7b 所示，第5 榀桁架上點500處U1變形最大為107mm；右側邊柱點747 處（圖7c）U1變形值為49.5mm；桁架本身為對稱結構，變形從左到右隨著U2的減小U1逐漸增大，變形平面投影為S 型，故左側選取U1，U2均比較大的點進行分析，左側選點242（圖7d），U1變形為 50.1mm，則相對變形為107-（49.5+50.1）/2=57.2mm，點242 到點747 跨度為17281mm（圖7e），相對變形57.2mm＜L/250=17281/250=69mm，滿足設計要求。

圖7 結構位移圖

4.3 屈曲分析

對于主入口處的幕墻支撐構架，每榀水平桁架形成的拱，桁架只受水平力，豎向力由吊桿承擔，與通常的天窗/屋蓋不同，屈曲分析時不必考慮豎向荷載。選取bulking-1（全面受吸風荷載）工況和bulking-3（一半受壓一半受吸）工況，對結構進行特征值屈曲分析，為避免吊桿的干擾，不刪除吊桿，將吊桿的直徑改為1mm，保留中間層樓板對該處水平桁架的約束，振型數取60，進行屈曲分析，得到bulking-1 的屈曲的第一模態（模型的34 模態）是上區中間的水平桁架發生S 形振動（圖8a），屈曲因子45.25，結構不會發生屈曲。同理，bulking-3 工況，第一屈曲模態（模型的33 模態）是下區發生整體的S 形振動（圖8b），屈曲因子44.94，結構不會發生屈曲。

圖8 屈曲模態

考慮初始缺陷對結構的影響[7]，按1/300 即27m/300=90mm，對模型施加初始缺陷，對結構進行幾何非線性分析（圖9），結果表明，屈曲因子結果相差不大，說明本結構不同于網殼結構對初始缺陷不敏感，綜上所述，主入口處的幕墻支撐結構不會發生屈曲。

圖9 幾何非線性分析

4.4 節點分析

水平桁架與豎向吊桿連接位置設置固定球鉸支座（圖10），主要用來對Φ50×5mm 吊桿兩端進行充分彎矩釋放，球鉸方向多變，可以適應結構復雜的幾何形體，方便現場施工。Φ50×5mm 的不銹鋼拉桿與端頭采SR30 球頭螺栓連接，球鉸支座左右兩側用M42mm 對穿螺桿將25m 厚Q355 鋼板、球鉸支座、球頭固定成一個整體，通過鋼板與桁架焊接固定在水平桁架上，Φ50×5mm 的不銹鋼拉桿承受最大軸力200.36kN，為保證連接部分可靠性，特對球鉸、支座及連接進行有限元受力分析。

圖10 水平桁架與承重吊桿連接節點

經有限元分析SR30mm 球頭最大應力258.74N/mm2，小于S32205 不銹鋼材料的抗拉強度設計值385N/mm2（圖11a）、支座最大應力348.64N/mm2（圖11b），位于棱邊接觸擠壓位置，小于S32205 端面承壓強度設計值540N/mm2、連接螺釘最大應力171.51N/mm2，主要位于發生剪切位置，小于S32205 不銹鋼材料的抗剪強度設計值 220N/mm2（圖11c）。

圖11 應力云圖

Φ50×5mm 豎向承重吊桿，作為結構體系重要的承重構件，為驗證理論分析的準確性，在桿件安裝前，送檢實驗室進行拉拔實驗（圖12），試驗最大破斷力414.44kN（圖13）遠大于構件抗拉設計值200.36kN 構件安全可靠。

圖12 拉拔試驗

圖13 實驗報告

5 承重吊桿荷載張拉

在東南角鋼結構承重吊桿安裝過程中，為保證豎向承重吊桿張緊后軸力值與理論計算模型一致，在吊桿張拉過程中，提取1.2D（自重荷載）工況下桿件軸力值，采用計數液壓千斤頂對吊桿自上而下，左右同步對稱張拉，拍照留存張拉記錄數值（圖14）。

吊桿張拉完畢后，部分吊桿發生松動，豎向承重吊桿不張緊，構件無法參與受力，結構體系不成立。最初判斷是由于鋼構施工單位對承重吊桿張拉措施不當造成，但對松動的吊桿重新張緊后，仍有其他吊桿發生松動。將關注點聚焦到吊桿與球頭的螺栓連接位置，經過研究發現吊桿與球頭連接位置止松螺母存在構造缺陷，無法有效限制螺母松動，解決吊桿松動問題關鍵在于防止鎖緊螺母松動，最后采用Φ2mm-ER2209 雙相不銹鋼焊條對拉桿鎖緊螺母進行局部對稱點焊，有效解決承重吊桿螺母松動問題，Φ50×5mm 吊桿全部張緊，順利完成結構吊裝。

6 結論

濟南萬象城東南角幕墻支撐結構是近期國內完成的較為復雜的吊掛大跨空間桁架結構體系，通過以上分析總結結論如下：

（1）東南角幕墻支撐結構采用豎向吊桿承擔恒載，水平向拱形桁架抵抗風荷載的支撐體系，結構傳力路徑清晰、構件截面小、用鋼量小、成本經濟；

（2）幕墻結構支撐方案，巧妙地將豎向吊桿隱藏在幕墻玻璃膠縫中，橫向結構外置隱蔽在立面橫向裝飾線條中，室內完全實現結構消隱，幕墻支撐結構選型具有一定的創新性；

（3）幕墻支撐結構吊掛在主體結構上，具有空間形狀復雜、懸掛質量大、系統剛度柔、節點構造復雜等特點；

（4）固定球鉸支座的節點構造設計，不但有效解決桿件端部彎矩充分釋放問題，因其萬向多變的特點，不但避免了構件連接放樣難題，還省去了現場節點安裝空間打點定位的放線的難題，極大方便了現場鋼結構安裝；

（5）該結構判定幕墻支撐體系，計算風壓時，保守采用陣風系數進行風壓計算，風荷載取值較風振系數取值偏大。