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提要：現代建筑幕墻追求表皮通透，大跨度空中大堂盡量設計結構輕薄，對超高層建筑（詞條“超高層建筑”由行業大百科提供）實行個性化設計，既要滿足結構安全要求，又要滿足建筑個性展現，通過大跨度來實現建筑通透性，這對于建筑幕墻及支承結構本身具有一定挑戰。本文闡述了在超高層建筑幕墻中超大跨度寬扁鋼梁與拉索（詞條“拉索”由行業大百科提供）結構的設計體系與實踐。
關鍵詞：超高層空中大堂、超大跨度寬扁梁、建筑幕墻
1工程概況
青島環球航運中心項目位于青島市邱縣路以東，建筑總高度199.05米，總建筑面積11.18萬平方米。其中幕墻面積約4萬平方，分別采用3個直立面與3個傾斜立面進行建筑立面切割，以挺拔張揚、蓬勃向上的六邊形切體造型塑造了風帆的抽象美感，漸變六邊形的立體設計極具視覺沖擊。
項目定位于引導港口功能拓展，推動“港產城”融合發展、打造成為“一帶一路”海上戰略支點、世界一流的海洋港口和國際航運中心。
圖1項目效果圖
本文主要介紹位于塔樓3個斜面的超大跨度寬扁梁鋼結構與拉索幕墻系統，索網幕墻共由三部分組成：頂部空中大堂、中部中庭以及底部中庭，如圖2。為了保證建筑效果協調統一，三部分的索網幕墻采用一致的結構體系，本文重點介紹頂部空中大堂幕墻及結構體系。
圖2
2 頂部空中大堂結構分析
2.1主體結構
頂部空中大堂的整體結構包括主體框架和幕墻結構。其中幕墻結構由豎向的拉索和水平的鋼結構橫梁（詞條“橫梁”由行業大百科提供）組成，均需要錨固或支承于主體框架結構上，主體框架需要有足夠的剛度和強度承擔豎向力和水平力。豎向的拉索上端錨固在頂部的主框架梁，下端錨固在下部樓層的框架梁上;水平鋼結構橫梁則支承在豎向框架轉角鋼柱上(圖3)。
圖3 主體框架結構 圖4：索網幕墻結構示意圖
2.2 幕墻結構體系
幕墻結構體系由豎向傳力體系和水平抗風體系組成。
圖5幕墻體系構件圖
在上述幕墻體系構件圖中，雙水平橫梁標示為上下兩道鋼橫梁，具體示意詳剖面圖。雙索為兩根拉索縱向排布(前后端)，間距為500mm，兩道雙索之間的橫向間距為4.2m(2個面板分格間距布置)。兩道雙索之間還布置有一道單索，單索與雙索的橫向間距為2.1m。雙索布置在幕墻結構的短跨方向，作為幕墻結構的主要抗風構件和水平鋼橫梁一起提供了結構的水平剛度，同時可以作為懸挑橫梁的支座。
幕墻結構由水平寬窄焊接扁鋼橫梁、前后拉索以及吊桿組成。前拉索與寬橫梁和窄橫梁連接，后拉索僅與寬橫梁連接，吊桿直接與寬橫梁和窄橫梁連接。其中寬扁鋼梁規格為1400X80X20、窄扁鋼梁規格為600X80X12。鋼梁與主體結構均為鉸接。
圖6頂部空中大堂幕墻尺寸圖
2.3豎向傳力體系
在主體框架中，位于三個角部的豎向立柱、立柱之間的水平主框架梁、從核心筒延伸出的懸挑梁以及核心筒均作為主體結構體系。由于幕墻結構體系的豎向拉索均錨固在主框架梁和下方主體結構的外邊梁之間，豎向拉索的豎向力將傳遞至立柱間的主框架梁，再由主框架梁傳遞至豎向的立柱和懸挑梁，其中懸挑梁的內力再傳遞至主體結構的核心筒。這樣就形成了一個清晰有效的豎向傳力體系。
圖6 幕墻承重傳力體系圖
索網幕墻的承重體系主要是由豎向的拉索和水平不等寬懸挑鋼梁組成。豎向拉索為前后端排布，每間隔一個面板分格為雙索，另外一個分格只有前端索;玻璃面板（詞條“玻璃面板”由行業大百科提供）安置在大小鋼橫梁的外邊緣，每2塊相鄰玻璃面板接縫處內側都有ø12mm不銹鋼吊桿，大玻璃自重傳遞到小水平鋼橫梁前端，但小水平鋼橫梁與拉索為鉸接，無法承受彎矩，因此玻璃面板的荷載通過前端的豎向吊桿傳遞至上端的大懸挑鋼梁，再由懸挑梁傳遞至豎向的拉索。
2.4水平抗風體系
本體系中水平鋼橫梁和豎向拉索是抗風體系的組成部分。水平力先作用在外表面的玻璃面板，再傳遞至水平鋼橫梁，由于水平鋼梁的水平剛度遠大于豎向拉索的剛度，水平鋼梁將水平風荷載再傳遞主體框架中的豎向的轉角部位鋼結構柱和核心筒。其中作用在水平600X80mm鋼橫梁的水平風荷載，通過前端豎索將水平荷載傳遞到1400X80mm的大鋼橫梁。
3、結構分析
考慮幾何非線性，對頂部空中大堂幕墻結構進行13種荷載工況下的大變形靜態分析。按照荷載工況對ANSYS有限元模型進行荷載組合加載。荷載工況通過荷載步的方式定義，一個荷載步定義一個荷載組合工況。對頂部空中大堂幕墻結構進行非線性全過程分析，各部分幕墻結構的穩定系數均滿足規范要求。
3.1 總位移
對頂部空中大堂幕墻結構進行共13種標準組合荷載工況下的大變形靜態分析，各荷載工況的最大總位移為194.431mm，與鋼扁梁跨度的比值為1/209，符合要求。
圖7 頂部空中大堂荷載總位移云圖
3.2鋼扁梁Mises應力
對頂部空中大堂幕墻結構進行13種基本組合荷載工況下的大變形靜態分析，各荷載工況的最大鋼扁梁Mises應力226MPa，小于鋼扁梁Q345設計強度310MPa，符合要求。
圖8頂部空中大堂鋼扁梁Mises應力云圖
3.3 拉索應力
對頂部空中大堂幕墻結構進行13種基本組合荷載工況下的大變形靜態分析，各荷載工況的最大拉索內力和最大拉索應力詳圖9，各荷載工況的最大拉索內力為367.792KN、最大拉索應力為394MPa(最大拉索內力和應力出現在頂部空中大堂前索最中間一根拉索的最上部位置)，拉索最小破斷力與拉索內力標準值（詞條“標準值”由行業大百科提供）的比值大于規范規定要求。
圖9頂部空中大堂拉索應力云圖
3.4吊桿應力
對頂部空中大堂幕墻結構進行13種基本組合荷載工況下的大變形靜態分析，各荷載工況的最大吊桿應力應力為161MPa(最大吊桿應力出現在頂部空中大堂中間最下部位置)，小于吊桿設計強度要求。
圖10 頂部空中大堂吊桿應力云圖
4、連接設計
主體框架結構柱伸出懸伸支座，轉角處幕墻水平鋼梁通過懸伸支座與主體結構柱進行連接，大跨度水平鋼橫梁通過鋼芯套與轉角處水平幕墻鋼梁通過鋼芯套及高強螺栓（詞條“高強螺栓”由行業大百科提供），與轉角處鋼梁進行連接，連接節點按鉸接支座設計。水平鋼梁與主體連接為圓孔和長孔連接，以適應溫度變形和安裝調節要求(見圖11)。
圖11頂部空中大堂水平鋼梁節點安裝圖
圖12頂部空中大堂水平鋼梁節點三維圖及安裝圖
豎向拉索頂部通過鋼板支座與主體結構鋼梁進行焊接連接，拉索底部直接與鋼耳板進行連接，鋼耳板與主體鋼結構采用焊接的形式連接，拉索頂部采用可調端，底部采用固定端頭。
圖13頂部空中大堂拉索頂端節點圖圖14頂部空中大堂拉索底部節點圖
拉索與水平鋼梁連接，在拉索與水平鋼梁連接位置，采用不銹鋼環與拉索進行壓制結合，壓制件與水平鋼梁進行限位設計連接，最后在水平大鋼梁位置現場進行封口焊接，如圖15。
圖15頂部空中大堂現場施工場景
5、現場施工
本項目水平鋼梁與拉索結合體系，在超高層施工中，從鋼梁的工廠加工、運輸、吊裝、拼裝都成為本項目的難點;拉索與鋼梁之間的穿插施工，拉索的張拉同樣具有極大挑戰。具體工序如下:
鑒于扁鋼梁長度達42米，分為三段用塔吊吊裝至38樓層邊緣，采用工裝分層臨時整齊搭設，然后穿設豎向拉索掛接上下端連接，再分級張拉預拉力至150KN，最后用設置在屋頂鋼平臺上5臺卷揚機將鋼板梁同步吊至指定標高鎖緊，鋼梁兩端螺栓（詞條“螺栓”由行業大百科提供）擰緊，裝設前端吊桿。至此頂部空中大堂幕墻結構系統安裝完成，為安裝單元板塊創造基本條件。需要強調的是，拉索鎖緊夾具（詞條“夾具”由行業大百科提供）應保持足夠的安全系數，鋼板梁也需要適當起拱處理，拉索上下主體大梁也要隨時觀測上下變形。
圖16頂部空中大堂現場施工場景
圖17頂部空中大堂現場施工場景
6 結語
當代大型建筑更加追求個性化設計，建筑追求的空中大堂大氣通透性，已經突破了現代的建筑幕墻的常規設計理念，本項目在超高層采用超大跨度水平鋼梁與豎向拉索進行設計結合，為建筑立面及功能的實現提供了完美的解決方案，為以后超高層拉索幕墻設計提供參考和借鑒。
本工程結構分析得到東南大學土木學院馮若強教授團隊支持，在此一并感謝!
參考文獻
1、《索結構技術規程》JGJ257-2012 中國建筑工業出版社
2、《鋼結構設計規范》GB50017-2017 中國建筑工業出版社
3、《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ102-2003中國建筑工業出版社
4、東南大學，馮若強，青島港頂部空中大堂索網幕墻有限元分析
作者單位：深圳市三鑫科技發展有限公司
