挑战重力！大跨度宽扁钢梁在超高层幕墙中的实践

提要：现代建筑幕墙追求表皮通透，大跨度空中大堂尽量设计结构轻薄，对超高层建筑实行个性化设计，既要满足结构安全要求，又要满足建筑个性展现，通过大跨度来实现建筑通透性，这对于建筑幕墙及支承结构本身具有一定挑战。本文阐述了在超高层建筑幕墙中超大跨度宽扁钢梁与拉索结构的设计体系与实践。

关键词：超高层空中大堂、超大跨度宽扁梁、建筑幕墙

1工程概况

青岛环球航运中心项目位于青岛市邱县路以东，建筑总高度199.05米，总建筑面积11.18万平方米。其中幕墙面积约4万平方，分别采用3个直立面与3个倾斜立面进行建筑立面切割，以挺拔张扬、蓬勃向上的六边形切体造型塑造了风帆的抽象美感，渐变六边形的立体设计极具视觉冲击。

项目定位于引导港口功能拓展，推动“港产城”融合发展、打造成为“一带一路”海上战略支点、世界一流的海洋港口和国际航运中心。

图1项目效果图

本文主要介绍位于塔楼3个斜面的超大跨度宽扁梁钢结构与拉索幕墙系统，索网幕墙共由三部分组成：顶部空中大堂、中部中庭以及底部中庭，如图2。为了保证建筑效果协调统一，三部分的索网幕墙采用一致的结构体系，本文重点介绍顶部空中大堂幕墙及结构体系。

图2

2 顶部空中大堂结构分析

2.1主体结构

顶部空中大堂的整体结构包括主体框架和幕墙结构。其中幕墙结构由竖向的拉索和水平的钢结构横梁组成，均需要锚固或支承于主体框架结构上，主体框架需要有足够的刚度和强度承担竖向力和水平力。竖向的拉索上端锚固在顶部的主框架梁，下端锚固在下部楼层的框架梁上;水平钢结构横梁则支承在竖向框架转角钢柱上(图3)。

图3 主体框架结构 图4：索网幕墙结构示意图

2.2 幕墙结构体系

幕墙结构体系由竖向传力体系和水平抗风体系组成。

图5幕墙体系构件图

在上述幕墙体系构件图中，双水平横梁标示为上下两道钢横梁，具体示意详剖面图。双索为两根拉索纵向排布(前后端)，间距为500mm，两道双索之间的横向间距为4.2m(2个面板分格间距布置)。两道双索之间还布置有一道单索，单索与双索的横向间距为2.1m。双索布置在幕墙结构的短跨方向，作为幕墙结构的主要抗风构件和水平钢横梁一起提供了结构的水平刚度，同时可以作为悬挑横梁的支座。

幕墙结构由水平宽窄焊接扁钢横梁、前后拉索以及吊杆组成。前拉索与宽横梁和窄横梁连接，后拉索仅与宽横梁连接，吊杆直接与宽横梁和窄横梁连接。其中宽扁钢梁规格为1400X80X20、窄扁钢梁规格为600X80X12。钢梁与主体结构均为铰接。

图6顶部空中大堂幕墙尺寸图

2.3竖向传力体系

在主体框架中，位于三个角部的竖向立柱、立柱之间的水平主框架梁、从核心筒延伸出的悬挑梁以及核心筒均作为主体结构体系。由于幕墙结构体系的竖向拉索均锚固在主框架梁和下方主体结构的外边梁之间，竖向拉索的竖向力将传递至立柱间的主框架梁，再由主框架梁传递至竖向的立柱和悬挑梁，其中悬挑梁的内力再传递至主体结构的核心筒。这样就形成了一个清晰有效的竖向传力体系。

图6 幕墙承重传力体系图

索网幕墙的承重体系主要是由竖向的拉索和水平不等宽悬挑钢梁组成。竖向拉索为前后端排布，每间隔一个面板分格为双索，另外一个分格只有前端索;玻璃面板安置在大小钢横梁的外边缘，每2块相邻玻璃面板接缝处内侧都有?12mm不锈钢吊杆，大玻璃自重传递到小水平钢横梁前端，但小水平钢横梁与拉索为铰接，无法承受弯矩，因此玻璃面板的荷载通过前端的竖向吊杆传递至上端的大悬挑钢梁，再由悬挑梁传递至竖向的拉索。

2.4水平抗风体系

本体系中水平钢横梁和竖向拉索是抗风体系的组成部分。水平力先作用在外表面的玻璃面板，再传递至水平钢横梁，由于水平钢梁的水平刚度远大于竖向拉索的刚度，水平钢梁将水平风荷载再传递主体框架中的竖向的转角部位钢结构柱和核心筒。其中作用在水平600X80mm钢横梁的水平风荷载，通过前端竖索将水平荷载传递到1400X80mm的大钢横梁。

3、结构分析

考虑几何非线性，对顶部空中大堂幕墙结构进行13种荷载工况下的大变形静态分析。按照荷载工况对ANSYS有限元模型进行荷载组合加载。荷载工况通过荷载步的方式定义，一个荷载步定义一个荷载组合工况。对顶部空中大堂幕墙结构进行非线性全过程分析，各部分幕墙结构的稳定系数均满足规范要求。

3.1 总位移

对顶部空中大堂幕墙结构进行共13种标准组合荷载工况下的大变形静态分析，各荷载工况的最大总位移为194.431mm，与钢扁梁跨度的比值为1/209，符合要求。

图7 顶部空中大堂荷载总位移云图

3.2钢扁梁Mises应力

对顶部空中大堂幕墙结构进行13种基本组合荷载工况下的大变形静态分析，各荷载工况的最大钢扁梁Mises应力226MPa，小于钢扁梁Q345设计强度310MPa，符合要求。

图8顶部空中大堂钢扁梁Mises应力云图

3.3 拉索应力

对顶部空中大堂幕墙结构进行13种基本组合荷载工况下的大变形静态分析，各荷载工况的最大拉索内力和最大拉索应力详图9，各荷载工况的最大拉索内力为367.792KN、最大拉索应力为394MPa(最大拉索内力和应力出现在顶部空中大堂前索最中间一根拉索的最上部位置)，拉索最小破断力与拉索内力标准值的比值大于规范规定要求。

图9顶部空中大堂拉索应力云图

3.4吊杆应力

对顶部空中大堂幕墙结构进行13种基本组合荷载工况下的大变形静态分析，各荷载工况的最大吊杆应力应力为161MPa(最大吊杆应力出现在顶部空中大堂中间最下部位置)，小于吊杆设计强度要求。

图10 顶部空中大堂吊杆应力云图

4、连接设计

主体框架结构柱伸出悬伸支座，转角处幕墙水平钢梁通过悬伸支座与主体结构柱进行连接，大跨度水平钢横梁通过钢芯套与转角处水平幕墙钢梁通过钢芯套及高强螺栓，与转角处钢梁进行连接，连接节点按铰接支座设计。水平钢梁与主体连接为圆孔和长孔连接，以适应温度变形和安装调节要求(见图11)。

图11顶部空中大堂水平钢梁节点安装图

图12顶部空中大堂水平钢梁节点三维图及安装图

竖向拉索顶部通过钢板支座与主体结构钢梁进行焊接连接，拉索底部直接与钢耳板进行连接，钢耳板与主体钢结构采用焊接的形式连接，拉索顶部采用可调端，底部采用固定端头。

图13顶部空中大堂拉索顶端节点图图14顶部空中大堂拉索底部节点图

拉索与水平钢梁连接，在拉索与水平钢梁连接位置，采用不锈钢环与拉索进行压制结合，压制件与水平钢梁进行限位设计连接，最后在水平大钢梁位置现场进行封口焊接，如图15。

图15顶部空中大堂现场施工场景

5、现场施工

本项目水平钢梁与拉索结合体系，在超高层施工中，从钢梁的工厂加工、运输、吊装、拼装都成为本项目的难点;拉索与钢梁之间的穿插施工，拉索的张拉同样具有极大挑战。具体工序如下:

鉴于扁钢梁长度达42米，分为三段用塔吊吊装至38楼层边缘，采用工装分层临时整齐搭设，然后穿设竖向拉索挂接上下端连接，再分级张拉预拉力至150KN，最后用设置在屋顶钢平台上5台卷扬机将钢板梁同步吊至指定标高锁紧，钢梁两端螺栓拧紧，装设前端吊杆。至此顶部空中大堂幕墙结构系统安装完成，为安装单元板块创造基本条件。需要强调的是，拉索锁紧夹具应保持足够的安全系数，钢板梁也需要适当起拱处理，拉索上下主体大梁也要随时观测上下变形。

图16顶部空中大堂现场施工场景

图17顶部空中大堂现场施工场景

6 结语

当代大型建筑更加追求个性化设计，建筑追求的空中大堂大气通透性，已经突破了现代的建筑幕墙的常规设计理念，本项目在超高层采用超大跨度水平钢梁与竖向拉索进行设计结合，为建筑立面及功能的实现提供了完美的解决方案，为以后超高层拉索幕墙设计提供参考和借鉴。

本工程结构分析得到东南大学土木学院冯若强教授团队支持，在此一并感谢!

参考文献

1、《索结构技术规程》JGJ257-2012 中国建筑工业出版社

2、《钢结构设计规范》GB50017-2017 中国建筑工业出版社

3、《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003中国建筑工业出版社

4、东南大学，冯若强，青岛港顶部空中大堂索网幕墙有限元分析

作者单位 ：深圳市三鑫科技发展有限公司

  作者： 欧阳立冬　花定兴

来源： 2020-2021分析报告