济南万象城幕墙支撑结构设计概况

张 涛

(北京润置商业运营管理有限公司，北京 101500）

0 引言

随着国内商业地产的高速发展，大型商业综合体项目越来越多，产品出现高度同质化，开发商为打造专属的建筑特点，在建筑空间营造上追求“大挑空、大采光、大通透”，期待给消费者带来更好的空间体验。幕墙是由支撑结构体系及面板组成的，可相对主体结构有一定位移能力、不分担主体结构所受作用的建筑外围护结构或装饰性结构[1]，吊挂大跨度空间桁架结构是实现上述“三大”建筑特点的幕墙支撑结构的最佳选型之一。何志军通过上海中心幕墙支撑结构选型研究指出幕墙支撑结构具有分区悬挂重量大、支撑刚度柔、荷载效应及节点构造复杂等特点[2]。针对复杂形体的大跨幕墙系统，幕墙及支撑幕墙的钢结构往往分开设计，幕墙部分由幕墙顾问或幕墙施工单位完成，幕墙支撑结构通常交给结构顾问或者主体结构施工图院完成。在幕墙支撑结构选型时，经常遇到实腹式柱或桁架柱加连系梁的结构选型，上述选型存在竖向构件截面大占用室内空间，杆件空间分布密集干扰视线、钢结构室内裸露影响装饰效果、整体用钢量大导致经济性差等缺点。陈晓晴等人通过大跨度体育馆钢屋盖与幕墙子结构分析研究提出，对于复杂的大跨幕墙系统应进行幕墙及结构一体化设计，充分考虑幕墙与幕墙支撑结构的协同作用[3]，董越、罗忆通过分析常见结构体系的优缺点，提出张弦梁与鱼腹式索桁架组合实现幕墙结构支撑，该体系具有较好的结构刚度，索力自平衡，且建筑效果简洁、通透的特点[4]。济南万象城东南角主入口属于典型复杂大跨度幕墙系统，采用幕墙及支撑结构一体化设计，东南角主入口建筑纵跨4～ 6 层，根据建筑形体及荷载分布特点，幕墙支撑方案选型时，采用可以跨越较大结构洞口、传力途径清晰、稳定性高、用钢量少的吊挂空间桁架结构，该方案优化结构传力路径，采用水平向抗风的桁架代替竖向构件截面大、且占用室内空间的承重、抗风一体柱，竖向采用多根承重吊杆将水平桁架吊挂在主体结构上。在幕墙方案设计时，创造性地将水平向桁架外置包覆在室外横向金属格栅中，方案采用S32205 高强度的双相不锈钢作为竖向吊杆，有效减小吊杆截面直径，确保其充分隐藏在竖向玻璃胶缝中。为方便现场钢结构测量放线及安装，方案在桁架与吊杆连接处，设置了万向球铰节点。以上方案创新，通过结构外置，将结构全部隐藏在幕墙构造中，实现室内的结构消隐，充分释放了室内空间，给消费者着眼看山不见山的空间体验。

1 工程概况

济南万象城位于山东省济南市，总建筑面积36.80 万m2（图1），商业建筑面积18.82 万m2，可租赁面积11.68 万m2，建筑拥有地上8 层垂直空间，平面采用环形动线设计，将每层不同商业业态有机串联。济南万象城东南角主入口上方为外倾异形曲面（图2），室外横向设置渐变金属装饰线条，该体块纵跨13.7m 建筑挑空（图3）。

图1 济南万象城鸟瞰

图2 东南角局部建筑效果

图3 东南角室内效果

2 结构体系布置

济南万象城东南角主入口幕墙支撑结构（图4）建筑高度37.9m，水平向桁架跨度26.4m、拱高8.8m，竖向最大跨度13.7m，桁架两侧固定在左右角柱上，14 榀桁架通过竖向8 根吊杆悬挂在主体结构上，24.2m 标高位置，水平桁架与主体结构边梁设置拉结点。

图4 幕墙支撑结构图

竖向承重吊杆采用∅50×5mm 圆管截面，材质使用双相S32205 不锈钢，材料强度设计值为385N/mm²具备良好的抗拉压性能，吊杆上下为固定球铰支座，杆件端部弯矩充分释放的二力杆，圆管截面直径小可以充分隐藏在玻璃胶缝中。为适应曲面找形设计，方便现场钢结构施工，在横向桁架与竖向承重吊杆连接位置，顶部与主体结构连接位置设置铸钢万向球铰节点（图4c）。

表1 主要构件截面

3 荷载与作用

济南万象城项目主入口幕墙支撑结构，采用横向桁架抗风、竖向吊杆承重的结构体系，建筑设计使用年限50 年、建筑抗震设防烈度为6 度、结构安全等级为二级。

3.1 恒载

恒载主要加载0.85kN/m2玻璃面板荷载、两侧边部飞翼及底部铝板饰面荷载0.29kN/m2、中间横向装饰线条铝板饰面荷载0.55kN/m2及部分LOGO 荷载，钢结构自重荷载由计算软件自动添加。

3.2 雪荷载

由《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）规定[5]，基本雪压：0.30kN/m2，由表7.2.1 第3 项取值，横向突出的铝板装饰线条取荷载0.60kN/m2。

3.3 风荷载

幕墙作为围护结构，计算维护结构时，应按照下式计算[5]：

考虑建筑立面造型复杂，按照转角区域选择荷载体型系数，同时考虑室内负压作用，并按照从属面积进行折减，横向铝板装饰线条按照檐口、雨篷、遮阳板、边棱处的装饰条等突出构件，取-2.0。根据立面特点将风荷载按照5 种工况（图5）施加到模型虚面上。

图5 风荷载工况

3.4 地震作用

建筑抗震设防分类：乙类；本地区抗震设防烈度：6 度；设计基本地震加速度值：0.05g；水平地震影响系数最大值：0.04；设计地震分组：第三组；场地特征周期：0.9s；结构阻尼比ζ ＝0.04。按照上述参数，进行水平的多遇地震反应谱分析，同时考虑两个方向水平地震作用，每一振型的峰值反应均采用CQC 方法组合。水平方向按照反应谱分析方法取X 向、Y 向、XY 向、YX 向，竖直方向根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）第 5.3.4 取：水平地震影响系数的 65%[6]。

3.5 温度荷载

本工程施工钢结构合拢时间为6～ 7 月份，钢结构可选择清晨、傍晚或较为凉爽的时间合拢，合拢温度在+20℃左右，而36℃-20℃=16℃，故升温取保守 30℃；-9℃-20℃=-29℃，故降温，取-30℃。

3.6 荷载组合

表2 无地震作用荷载组合

表3 地震作用荷载组合

4 静力分析

4.1 杆件承载力分析

观察风荷载作用下，水平桁架内、外侧弦杆的受力状态（图6a），在W2（单风压）工况下，上层吊挂结构中，最顶上的外水平拱桁架大部分受压，内水平拱桁架大部分受拉；其他外水平拱桁架大部分受拉，内水平拱桁架大部分受压。在W（5单风吸）工况下（图6b），上层吊挂结构中，最顶上的外水平拱桁架大部分受拉，内水平拱桁架大部分受压；其他外水平拱桁架大部分受压，内水平拱桁架大部分受拉。其他外水平拱桁架大部分受压，内水平拱桁架大部分受拉（备注：图中红色为受压，蓝色为受拉）。

计算结果表明水平桁架外侧弦杆存在连续受压的状态，风吸力作用下连续受压弧长约8 个节间长度约 14m，风压力作用下，最上一榀桁架外弦杆全部连续受压，长度约27m，外弦杆断面为口200mm×150mm×8mm，平面外计算长度按连续受压长度计算，长细比分别185 和370。根据内力分析，14m 长的外弦杆按直线计算，主轴方向极限稳定承载力为315kN，而实际承受的轴向压60.2kN，结构安全（弱轴方向有桁架腹杆支撑，计算长1.7m，非控制项）。对于最顶上桁架，长细比超规范，外弦杆平面外稳定无法保证，对最上一榀桁架，在外弦杆上对应的位置布置不锈钢杆件（图6c）。

图6 杆件承载力分析图

4.2 结构位移分析

按照围护结构施加风荷载，并考虑半跨风载的影响，对结构在各种刚度组合下的结构位移进行分析，其中1.0D+1.0W3恒载+半跨风载组合下结构位移最大，绝对变形为107mm（图7a），变形最大发生在第5 榀桁架（图7b），取第5 榀桁架进行相对变形分析，如图7b 所示，第5 榀桁架上点500处U1变形最大为107mm；右侧边柱点747 处（图7c）U1变形值为49.5mm；桁架本身为对称结构，变形从左到右随着U2的减小U1逐渐增大，变形平面投影为S 型，故左侧选取U1，U2均比较大的点进行分析，左侧选点242（图7d），U1变形为 50.1mm，则相对变形为107-（49.5+50.1）/2=57.2mm，点242 到点747 跨度为17281mm（图7e），相对变形57.2mm＜L/250=17281/250=69mm，满足设计要求。

图7 结构位移图

4.3 屈曲分析

对于主入口处的幕墙支撑构架，每榀水平桁架形成的拱，桁架只受水平力，竖向力由吊杆承担，与通常的天窗/屋盖不同，屈曲分析时不必考虑竖向荷载。选取bulking-1（全面受吸风荷载）工况和bulking-3（一半受压一半受吸）工况，对结构进行特征值屈曲分析，为避免吊杆的干扰，不删除吊杆，将吊杆的直径改为1mm，保留中间层楼板对该处水平桁架的约束，振型数取60，进行屈曲分析，得到bulking-1 的屈曲的第一模态（模型的34 模态）是上区中间的水平桁架发生S 形振动（图8a），屈曲因子45.25，结构不会发生屈曲。同理，bulking-3 工况，第一屈曲模态（模型的33 模态）是下区发生整体的S 形振动（图8b），屈曲因子44.94，结构不会发生屈曲。

图8 屈曲模态

考虑初始缺陷对结构的影响[7]，按1/300 即27m/300=90mm，对模型施加初始缺陷，对结构进行几何非线性分析（图9），结果表明，屈曲因子结果相差不大，说明本结构不同于网壳结构对初始缺陷不敏感，综上所述，主入口处的幕墙支撑结构不会发生屈曲。

图9 几何非线性分析

4.4 节点分析

水平桁架与竖向吊杆连接位置设置固定球铰支座（图10），主要用来对Φ50×5mm 吊杆两端进行充分弯矩释放，球铰方向多变，可以适应结构复杂的几何形体，方便现场施工。Φ50×5mm 的不锈钢拉杆与端头采SR30 球头螺栓连接，球铰支座左右两侧用M42mm 对穿螺杆将25m 厚Q355 钢板、球铰支座、球头固定成一个整体，通过钢板与桁架焊接固定在水平桁架上，Φ50×5mm 的不锈钢拉杆承受最大轴力200.36kN，为保证连接部分可靠性，特对球铰、支座及连接进行有限元受力分析。

图10 水平桁架与承重吊杆连接节点

经有限元分析SR30mm 球头最大应力258.74N/mm2，小于S32205 不锈钢材料的抗拉强度设计值385N/mm2（图11a）、支座最大应力348.64N/mm2（图11b），位于棱边接触挤压位置，小于S32205 端面承压强度设计值540N/mm2、连接螺钉最大应力171.51N/mm2，主要位于发生剪切位置，小于S32205 不锈钢材料的抗剪强度设计值 220N/mm2（图11c）。

图11 应力云图

Φ50×5mm 竖向承重吊杆，作为结构体系重要的承重构件，为验证理论分析的准确性，在杆件安装前，送检实验室进行拉拔实验（图12），试验最大破断力414.44kN（图13）远大于构件抗拉设计值200.36kN 构件安全可靠。

图12 拉拔试验

图13 实验报告

5 承重吊杆荷载张拉

在东南角钢结构承重吊杆安装过程中，为保证竖向承重吊杆张紧后轴力值与理论计算模型一致，在吊杆张拉过程中，提取1.2D（自重荷载）工况下杆件轴力值，采用计数液压千斤顶对吊杆自上而下，左右同步对称张拉，拍照留存张拉记录数值（图14）。

吊杆张拉完毕后，部分吊杆发生松动，竖向承重吊杆不张紧，构件无法参与受力，结构体系不成立。最初判断是由于钢构施工单位对承重吊杆张拉措施不当造成，但对松动的吊杆重新张紧后，仍有其他吊杆发生松动。将关注点聚焦到吊杆与球头的螺栓连接位置，经过研究发现吊杆与球头连接位置止松螺母存在构造缺陷，无法有效限制螺母松动，解决吊杆松动问题关键在于防止锁紧螺母松动，最后采用Φ2mm-ER2209 双相不锈钢焊条对拉杆锁紧螺母进行局部对称点焊，有效解决承重吊杆螺母松动问题，Φ50×5mm 吊杆全部张紧，顺利完成结构吊装。

6 结论

济南万象城东南角幕墙支撑结构是近期国内完成的较为复杂的吊挂大跨空间桁架结构体系，通过以上分析总结结论如下：

（1）东南角幕墙支撑结构采用竖向吊杆承担恒载，水平向拱形桁架抵抗风荷载的支撑体系，结构传力路径清晰、构件截面小、用钢量小、成本经济；

（2）幕墙结构支撑方案，巧妙地将竖向吊杆隐藏在幕墙玻璃胶缝中，横向结构外置隐蔽在立面横向装饰线条中，室内完全实现结构消隐，幕墙支撑结构选型具有一定的创新性；

（3）幕墙支撑结构吊挂在主体结构上，具有空间形状复杂、悬挂质量大、系统刚度柔、节点构造复杂等特点；

（4）固定球铰支座的节点构造设计，不但有效解决杆件端部弯矩充分释放问题，因其万向多变的特点，不但避免了构件连接放样难题，还省去了现场节点安装空间打点定位的放线的难题，极大方便了现场钢结构安装；

（5）该结构判定幕墙支撑体系，计算风压时，保守采用阵风系数进行风压计算，风荷载取值较风振系数取值偏大。