[新版]南京紫峰大厦横向钢板铝合金组合构件竖向拉杆玻璃幕墙系统结构承载特色剖析

[新版]南京紫峰大厦横向钢板铝合金组合构件竖向拉杆玻璃幕墙系统结构承载特色剖析 南京紫峰大厦横向钢板铝合金组合构件竖向拉杆玻璃幕墙系统结构承载特点分析 发布时间:2011-03-14 【作 者】:徐雁 上海杰思实业有限公司 【摘 要】:位于南京中心城区，江苏省最高建筑-南京紫峰大厦，集商务楼、商业裙房和办公一体，建筑面积达94000?，其中位于主楼，副楼和裙楼立面的横向钢板铝合金组合构件竖向拉杆玻璃幕墙系统，采用了横向大跨度钢板肋，竖向拉杆逐层传递到上方主结构的设计形式。与传统幕墙相比，这种没有竖向立柱幕墙让水平空间更加开敞，室内空间更加明亮通透。本文就该幕墙系统的承载力计算、结构形式优化选用及对钢板肋拼接构造措施阐述分析，并就结构优化后对幕墙设计施工过程产生影响进行探讨。 【关键词】:横向钢板铝合金组合构件、竖向拉杆、弯矩、应力、水平方向挠度、竖直方向挠度。 一、工程介绍 南京绿地广场紫峰大厦位于南京市鼓楼广场西北角，为南京绿地国际商务中心有限公司, 上海绿地集团联合投资建设，由美国著名设计单位SOM与华东建筑设计研究院有限公司合作设计，总面积94000m2，是集高档办公、顶级酒店和商业于一体的超高层建筑。能满足各种商务、办公需求，是目前南京档次最高、影响力最大的城市新地标和现代服务业集聚区。本项目主楼地上89层，总高度450米，屋顶高度389米，为中国大陆第2高楼(仅次于上海环球金融中心)，世界第7高楼(包括在建的)。主要功能设有六星级酒店、甲级办公楼，副楼地上24层，地上建筑有效高度99.7米，主要功能甲级办公楼;裙房地上6层局部7层，地上有效高度37米局部44米，主要功能为商场与酒店附属用房。地下4层，主要功能为商场、停车库及设备机房。主楼办公层高4.2米，酒店层高3.8米，副楼层高4米，商业层高6米。 本项目建筑外墙装饰主要采用单元式玻璃幕墙、横向钢板铝合金组合构件竖向拉杆玻璃幕墙、干挂石材、铝板、不锈钢装饰条、百叶、钢板拉杆、玻璃肋、点支式玻璃幕墙等多种幕墙形式。而大量高科技含量技术的使用、更使其成为具有超前先进技术特性的标志性建筑。 作为本项目风格最为独特两部分系统幕墙。 1.单元式幕墙配以中空玻璃和不锈钢多孔板，立体三角形单元板块上下错层叠置，加上板块间定向抛光不锈钢装饰面，铝合金和不锈钢两种金属的巧妙搭配产生了与众不同的建筑效果，犹如龙身上的“鳞片”，给人强烈的视觉冲击。 2. 横向钢板铝合金组合构件竖向拉杆玻璃幕墙系统是由视觉上非常飘逸的横向构件“龙身”盘旋而上，是整个外墙设计的点睛之笔。 图二 完工后横向钢板铝合金组合构件竖向拉杆系统幕墙外立面相片 图三 完工后横向钢板铝合金组合构件竖向拉杆系统幕墙内立面相片-1 图四 完工后横向钢板铝合金组合构件竖向拉杆系统幕墙内立面相片-2 图五 完工后横向钢板铝合金组合构件竖向拉杆系统幕墙局部外立面相片 二、横向钢板铝合金组合构件竖向拉杆系统幕墙结构承载能力分析 横向钢板铝合金组合构件竖向拉杆系统幕墙承受两个方向的荷载:水平方向风荷载和地震荷载;竖直方向重力荷载。水平方向荷载通过围护结构玻璃面板传递到大跨度钢板构件， 再通过钢板构件跨中与主结构连接传递到主结构。竖直方向重力荷载通过横向铝合金构件传递到拉杆处的钢板，再由拉杆逐层传递到顶跨钢板构件，通过支撑连接点、转接件与主结构相接，把竖向荷载传递到主结构。以下就各分系统的承载力进行计算分析。 1、玻璃面板承载分析 横向钢板铝合金组合构件竖向拉杆系统幕墙玻璃面板采用8mm(Low-E)超白钢化+12A+6mm透明钢化玻璃，玻璃所处部位及立面分格尺寸见图六，玻璃面板与上下横料相连，在水平荷载作用下，玻璃面板的计算模型为两边简支矩形板，承受横向均布荷载，玻璃计算模型见图七。作用在玻璃面板上的风荷载为3.0KPa 根据单向板受力计算出外片玻璃所受的最大应力σ= 36.7 Mpa , 内片玻璃所受的最大应力σ= 25.7 Mpa，均小于84 Mpa,能够满足承载力设计要求;玻璃面板的挠度为12.2mm < 970 / 60 = 16.2 mm ,玻璃面板的挠度满足设计要求。 图六 横向钢板铝合金组合构件竖向拉杆系统玻璃幕墙局部立平剖面图 图七 玻璃面板分格尺寸及边界条件图 图八 横向钢板铝合金组合构件竖向拉杆 2、横向钢板铝合金组合构件承载力计算 向钢板铝合金组合构件水平方向约束支点最大跨度约为9.9m，竖向拉杆支撑约束支点最大跨度约为3.31m，该系统局部结构形式见图八，计算简图见图九: 图九 横向钢板铝合金组合构件竖向拉杆系统计算简图 图九的横向钢板铝合金组合构件模型包括由横向钢板承受水平方向荷载，水平方向铝合金构件承受的竖向面板自重，横向钢板和水平铝合金构件之间用间隔300mm的M8螺栓连接; 从而形成分别承受不同方向作用力的组合构件体系，其竖剖节点见图十，由于铝合金型材在竖直方向,横向钢板在水平方向各自有较大的惯性矩，抵抗矩，这样的构造发挥出钢铝组合构件各自不同方向的截面优势，从而巧妙的使大跨度构件能够满足强度和挠度的设计要求。 图十 横向钢板铝合金组合构件竖向拉杆系统竖剖节点图 图十一 铝合金型材截面特性图 图十二 16mm厚钢板截面特性图 水平方向铝合金杆件截面特性见图十一;16mm厚横向钢板截面特性见图十二; 钢板在风荷载值作用下的弯矩图见图十三。 图十三 16mm厚钢板在风荷载标准值作用下的弯矩图(Wlk) 16mm厚钢板应力: σsh = (3.89 / 2.5 )× 2.47E+07 / 1.05 / 1.94E+05 = 188.7 Mpa < 215 Mpa , 钢板杆件强度满足设计要求。 图十四 16mm厚钢板在风荷载标准值作用下变形图(fsh) 16mm厚钢板水平方向挠度为 fshmax = 24.2 mm < 9711 / 250 = 38.8mm 水平悬挑部位最大挠度: 15.1mm < 1977 /125 = 15.8 mm 图十五 铝合金型材在重力荷载标准值作用下的弯矩图(Mvk) 图十六 铝合金型材在重力荷载标准值作用下的变形图(fav) 钢板杆件挠度满足设计要求。 铝合金型材应力: σav = 1.2 × Mvk / 1.05 / Wxa = 1.2 × 1.0E+06 / 1.05 / 3.68E+04 = 31.1 Mpa < 90 Mpa 铝合金杆件强度满足设计要求。 铝合金型材竖直向方向最大挠度为 favmax = 1.6mm < 3313 / 500 = 6.63mm 铝合金杆件挠度满足设计要求。 3、竖向拉杆承载力计算 在8.4m跨楼层中，每组拉杆需承受8块单元幕墙的重力，1块单元幕墙的竖向最大拉力为4.3 kN，每组拉杆承担的最大拉力为 G = 4.3×8 = 34.4 kN。 不锈钢拉杆只承受轴向作用力，不锈钢拉杆的受力模型如图十七所示: 图十七 拉杆系统受力示意图 偏保守计算每根不锈钢拉杆承受34.4 / 2 × 1.4 = 24.1 kN的拉力(1.4为不均匀系数)，计算偏于安全。 Φ16单根拉杆承受的拉应力: σ= G / (π×d^2 / 4) = 2.46E+04 / (π×16^2 / 4) = 122 MPa < 205 / 1.4 = 146 Mpa 式中:不锈钢采用Su316，其屈服强度标准值 σ0.2 = 205 MPa , 不锈钢拉杆抗拉强度按 σ0.2 / 1.4 = 146 MPa取用 不锈钢拉杆承载力满足设计要求。 为解决横向钢板肋在弱轴方向(竖向)稳定性差的问题，系统采用双拉杆形式从构造上有效避免钢板平面外失稳的问题。 4、横向钢板拼接连接的优化 由于每块横向钢板最长只能做6m左右, 大跨度的横向钢板需要拼接才能获得，为了能控制好连接质量，方便在现场能够进行安装，所以采用螺栓连接,为了更好利用螺栓连接特性，通过对结构形式的优化，整合，调整支座安装施工的顺序，从而有效利用构件受力特点满足连接承载力的要求。 5、横向钢板铝组合构件幕墙设计调整对施工影响由于设计变更，横向钢板和横向钢板铝合金组合构件就无法做成一个个单元板块直接到现场安装完成，实际施工顺序是先安装横向钢板和竖向吊杆，铝合金型材及装饰板和玻璃在工厂加工成一体，再在现场安装到先前完成安装的横向钢板上。 这样的变化对于拉杆构件施工具有更高的要求，当完成好钢结构安装后，拉杆系统没有受到面板及型材部分主要的重力荷载作用，拉杆几乎没有变形，但当逐步把玻璃面板部分安装上后，竖向拉杆变形会逐步变大，尤其是顶部拉杆受力变形最大，这就要求在这个过程中要不断调整拉杆与钢板螺栓连接进出位置，让拉杆的变形通过调整予以削减，从而让钢板始终保持水平，这个过程需要不断调试最终达到平衡点，增加了施工安装难度，这就是结构连接改变后对施工安装的最大影响。 三、其他相关连接处理说明 整个幕墙系统竖向荷载最终连接到顶跨横向钢板上，顶跨横向钢板背后有通长的混凝土梁，并在竖向拉杆连接点两侧区域的位置增加竖向肋板予以加强(见图十八)，加强部位离开拉杆越近越好，这样就能减少顶部钢板肋在重力作用下的变形，根据实际情况及计算，本系统加强部位安装在拉杆两侧200mm以内，图十九显示顶部钢板应力云图，图二十显示顶部钢板即变形图。应力控制在147 Mpa,竖向挠度控制在3mm之内。 图十八 顶跨钢板拉杆节点示意图 图十九 顶跨钢板拉杆部位应力云图(局部) 图二十顶跨钢板拉杆部位变形图(局部) 四、总结 任何形式幕墙系统都是在不断优化的过程中得以完善，横向钢板铝合金组合构件竖向拉杆系统幕墙满足了建筑师对立面空间视觉特殊要求，淡化了竖向分格效应，使室内空间更加 明亮。结构设计更是一反传统幕墙竖向立柱为水平荷载主受力构件的模式，让材料更强的钢板构件横向承受水平荷载，可以让竖向构件截面做到最小，进一步拓展幕墙分格宽度极限，不过对于这样的新型系统的幕墙，还有不少领域值得深入探究，本系统比较适合横向跨度比较一致的情况，跨度不同，会大大增加钢材加工品种，影响工程安装效率，增加管理成本。还有这样的系统在实际(非实验状态)抗震情况下反应如何，是否能够推广运用，系统是否有进一步的优化空间，使这个系统更加成熟，运用面更加广阔，这些都是我们今后研究的。 编者注:钢铅组合横梁只有当梁的各组成部分连接得很紧密而无相对错动时，才可以将它看做一个整体。 [参考] 1、中华人民共和国国家标准-建筑幕墙GB/T 21086-2007。北京:中国标准出版社，2008.2 2、中华人民共和国行业标准-玻璃幕墙工程技术JGJ-2003。北京:中国建筑工业出版社，2003.12 3、中华人民共和国国家标准-建筑结构荷载规范(2006年版)幕墙GB 50009-2001。北京:中国建筑工业出版社，2006.11 4. 建筑结构静力计算 (第二版) 北京:中国建筑工业出版社，1998.9