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（幕墻鋼結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)叢談系列三）

夏祥生　符旭晨 劉　斌

（1浙江中南建設(shè)集團(tuán)有限公司 杭州310052 ）

摘　要：承擔(dān)幕墻鋼結(jié)構(gòu)支座荷載的主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剛度問題，也即幕墻鋼結(jié)構(gòu)同主體結(jié)構(gòu)的共同作用問題，是幕墻鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行概念設(shè)計(jì)和體系布置時(shí)必須考慮的重要因素，但卻往往被幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師所忽略。忽略支座剛度時(shí)容易導(dǎo)致各類計(jì)算失真，主要包括荷載與作用計(jì)算失真，內(nèi)力計(jì)算失真以及支座反力失真。本文將專注于此方面進(jìn)行詳細(xì)的論述，并以某屋頂采光頂球殼為案例，通過分析不同模型計(jì)算方案對支座反力的影響進(jìn)行定量對比來明確此問題的重要性，為幕墻鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論支撐。

關(guān)健詞：幕墻鋼結(jié)構(gòu)、共同作用、計(jì)算模型、剛度

1、引言

關(guān)于幕墻鋼結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)，筆者在本刊《幕墻設(shè)計(jì)》2016年第五期（十月號）中<<從屋頂鋼塔設(shè)計(jì)談幕墻鋼結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)>>進(jìn)行了綜合性闡述并以某屋頂鋼塔設(shè)計(jì)為例進(jìn)行了全面說明，并在2017第五期(十月號)中<<從屋頂鋼架設(shè)計(jì)談幕墻鋼結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)>>針對幕墻鋼結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)中的傳力體系的設(shè)計(jì)對幕墻鋼結(jié)構(gòu)對同主體結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計(jì)和埋件設(shè)計(jì)的作用進(jìn)行了詳細(xì)的討論。另外，由于幕墻鋼結(jié)構(gòu)是以主體結(jié)構(gòu)為邊界條件進(jìn)行力的傳遞消化的，而承擔(dān)幕墻鋼結(jié)構(gòu)的主體構(gòu)件的剛度問題目前往往是幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師容易忽略的重要影響因素。實(shí)際上，計(jì)算所采用的理想模型和工程實(shí)際力學(xué)模型是有相當(dāng)差異的，這將導(dǎo)致一系列的問題。本文將專注于講座屋頂采光頂幕墻鋼殼設(shè)計(jì)模型的建立以及幕墻鋼結(jié)構(gòu)支座所設(shè)置的主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件剛度對上部幕墻鋼結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響問題。

2、論述

關(guān)于幕墻剛結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作，目前通用作法是：下部主體結(jié)構(gòu)由土建設(shè)計(jì)院完成，屋頂鋼架由鋼結(jié)構(gòu)公司或者幕墻公司來設(shè)計(jì)完成，并將支座荷載提供給土建設(shè)計(jì)院由土建設(shè)計(jì)院將支座荷載加在 下部主體結(jié)構(gòu)上完成計(jì)算。此種操作模式由于同一個(gè)結(jié)構(gòu)分拆成兩個(gè)模型來分別計(jì)算，顯然是存在不少問題的。最主要是計(jì)算失真問題，主要原因有下幾點(diǎn)：

一、上部結(jié)構(gòu)計(jì)算內(nèi)力失真：因上部結(jié)構(gòu)支座落在下部結(jié)構(gòu)構(gòu)件上，因?yàn)橄虏恐黧w結(jié)構(gòu)會在上部支座荷載(以及其自身荷載)作用下會產(chǎn)生變形，所以該支座并非上部鋼架結(jié)構(gòu)計(jì)算模型所采用的剛性不動(dòng)支座，而實(shí)際上為一彈性支座，上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力是按照剛度分配的，因?yàn)楝F(xiàn)有軟件無法考慮支座彈性剛度問題，故上部結(jié)構(gòu)計(jì)算內(nèi)力失真(類似主體結(jié)構(gòu)不考慮和地基共同作用時(shí)出現(xiàn)的問題，這也是本文將重點(diǎn)討論的問題)。

二、同樣下部結(jié)構(gòu)無法考慮上部結(jié)構(gòu)帶來的剛度變化問題同樣存在計(jì)算內(nèi)力失真的問題。

三、風(fēng)荷載及地震作用計(jì)算嚴(yán)重失真：因?yàn)轱L(fēng)荷載和地震作用的計(jì)算同結(jié)構(gòu)的自振周期有關(guān)，同一結(jié)構(gòu)分析成兩個(gè)結(jié)構(gòu)分別計(jì)算，各自得到自己的自振周期，而整體結(jié)構(gòu)的自振周期是要大于這兩者分別計(jì)算的自振周期(幕墻結(jié)構(gòu)同主體為串聯(lián)形式時(shí))，所以若只考慮部分結(jié)構(gòu)計(jì)算的周期,會在在計(jì)算出現(xiàn)的風(fēng)載荷偏小，地震作用亦失真嚴(yán)重等問題(關(guān)于幕墻鋼結(jié)構(gòu)的荷載與作用問題將在幕墻鋼結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)叢談系列五中專文討論，敬請期待)。

四、由于整體結(jié)構(gòu)分柝成兩個(gè)模型分別計(jì)算的所帶來的其它問題。

關(guān)于以上問題常用的解決方案：由于同一結(jié)構(gòu)分拆成兩個(gè)結(jié)構(gòu)分別計(jì)算帶來的上述問題，最合理的解決方案是把結(jié)構(gòu)不再分拆，結(jié)構(gòu)整體計(jì)算。但鑒于目前的設(shè)計(jì)工作機(jī)制和軟件能力問題，無法圓滿解決。本人在長期實(shí)際工程實(shí)踐中常采用以下的解決方案來解決此問題(主要思想是盡量使計(jì)算模型同結(jié)構(gòu)實(shí)際受力情況一致,或者盡可能是減少結(jié)構(gòu)計(jì)算的失真程度)：

一、上部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成靜定體系，結(jié)構(gòu)內(nèi)力不會因?yàn)橹ё淖冃蜗鲁恋纫蛩囟鴥?nèi)力重分配。

二、若無法設(shè)計(jì)為靜定體系，則可以通過以下方法處理盡量減少支座的變形作用對內(nèi)力的影響(或者讓支座的變形一致)。

1、盡量把傳遞豎向力的支座放在柱頂墻頂，或者靠近柱頂墻頂這類豎向剛度較大的構(gòu)件上，減少豎向變形。而盡量避免放在長梁的跨中位置或者懸挑梁的梁端部位這類豎向剛度較差的部位。

2、屋頂剛架傳遞水平荷載的支座盡量放在剪力墻、核心筒的層標(biāo)高上，這類水平剛度較大的位置上，減少支座水平變形。而盡量避免放在立柱的層中間位置以及屋頂懸臂柱的頂端這類水平剛度較差的部位。

3、在屋頂提高混凝土梁板結(jié)構(gòu)的整體剛度，如澆厚板，加強(qiáng)層等方案，使屋頂剛架落在混凝土結(jié)構(gòu)上的支座變形一致，減少支座變形不一致對上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力重分布。

4、提高上部結(jié)構(gòu)的整體剛度，可以上部結(jié)構(gòu)的底層做一下鋼結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)層，盡量使支座變形一致，這樣使得內(nèi)力的重分布在此加強(qiáng)層內(nèi)完成，避免或減少除加強(qiáng)層以外的上部結(jié)構(gòu)因支座變形不一致而產(chǎn)生的內(nèi)力重分布。

5、盡量減少上部結(jié)構(gòu)在混凝土主體結(jié)構(gòu)的約束的超靜定次數(shù)，使內(nèi)力的重分配影響減少到最大程度，如只約束支座的平動(dòng)位移，而不約束其轉(zhuǎn)動(dòng)位移，減少超靜定次數(shù)，減少內(nèi)力重分配程度。

6、若實(shí)在無法避免把上部結(jié)構(gòu)的支座放在下部結(jié)構(gòu)的長梁跨中，屋頂懸臂柱頂，或者混凝土柱的層間等剛度較弱，抗變形能力較差的構(gòu)件上，則可以把這類下部結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)構(gòu)件建入上部剛架結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算。以將混凝土構(gòu)件的變形考慮在內(nèi),使上部結(jié)構(gòu)的內(nèi)力計(jì)算值與實(shí)際值符合.同時(shí)將約束點(diǎn)約束到梁柱節(jié)點(diǎn)處等抗變形能力較強(qiáng)的位置，或者柱的反彎點(diǎn)等內(nèi)力相對簡單位置。

關(guān)于風(fēng)作用和地震作用計(jì)算嚴(yán)重失真問題的解決辦法主要有以下方面：

一、計(jì)算風(fēng)荷載風(fēng)振系數(shù)所使用到的結(jié)構(gòu)自振周期，使用上部層頂鋼架結(jié)構(gòu)，下部主體結(jié)構(gòu)自振周期某種形式的疊加后的總體結(jié)構(gòu)自振周期值來計(jì)算風(fēng)荷載，減少風(fēng)荷失真度。

二、地震作用可以如上法操作，若軟件使用其自身計(jì)算出來的自振周期而無法修改這個(gè)參數(shù)，可以使用分部結(jié)構(gòu)的自振周期來計(jì)算地震作用，同時(shí)人為提高地震作用影響系數(shù)最大值的辦法，至于地震影響系數(shù)最大值的最高程度可參考<<高層建筑混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程>>JGJ3-2010的相關(guān)條款 (關(guān)于幕墻鋼結(jié)構(gòu)的荷載與作用問題將在幕墻鋼結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)叢談系列五中專文討論，敬請期待) 。

3、案例分析

具體算例見圖E-01、E－02、為浙江紹興某工程裙樓屋面球殼形采光頂，共十個(gè)拱形柱腳支撐在混凝土圈梁上，球殼形采光頂上鋪三角形鋼化夾膠中空玻璃，由于上部結(jié)構(gòu)由kwait形殼體，平面內(nèi)剛度較好，整體性強(qiáng)?；炷寥α簽榻孛鏋?/span>350X930，圈梁的支撐為間距差別較大的混凝土圓柱。詳見圖E－01 殼球支撐原結(jié)構(gòu)混凝土圖。

E－01 殼球型采光頂結(jié)構(gòu)平面及埋件圖

E－02 殼球型采光頂拱殼剛架詳圖

E－03 不考慮下部結(jié)構(gòu)剛度的計(jì)算模型

E－04 部分考慮下部結(jié)構(gòu)剛度的計(jì)算模型

在屋頂鋼殼的建模計(jì)算分別采用以下三個(gè)模型方案：模型一如圖E－03所示，為常規(guī)設(shè)計(jì)思路，僅考慮鋼殼自身的計(jì)算，拱腳鉸接處理，視拱腳支座剛度為無限大。模型二如圖E－04所示把屋頂環(huán)梁以及同環(huán)梁相連接的混凝土圓柱建入模型，而將柱的反彎點(diǎn)作為約束點(diǎn)進(jìn)行鉸接約束處理。建入混凝土環(huán)梁的時(shí)候考慮板對其剛度的增加作用，按現(xiàn)行<<高層混凝土結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程>>JGJ3-2010-5.2.2條，混凝土圈梁的剛度增加1.3倍。因?yàn)榇瞬晒忭斘挥谌狗康捻斆?，?biāo)高不高，而且體型為球形光滑面，風(fēng)荷載作用有限，為簡化起見，定量計(jì)算的時(shí)候不考慮風(fēng)及地震作用，僅考慮恒活荷載作用。這里恒載鋼架自重軟件自動(dòng)計(jì)算，玻璃面板，連接件以及沒有計(jì)算入模型的次構(gòu)件按0.8KN/平方米，活載按0.5KN/平方米施加。

另外，由于鋼殼體支撐在主體混凝土結(jié)構(gòu)上的環(huán)梁，除了上部鋼結(jié)構(gòu)球殼形采光頂傳下來的荷載為，尚且有主體結(jié)構(gòu)作用在其上的恒活荷載。但考慮到鋼結(jié)構(gòu)施工時(shí)，主體肯定已經(jīng)施工完成，至少主體混凝土結(jié)構(gòu)已經(jīng)施工完成。主體結(jié)構(gòu)荷載在環(huán)梁上產(chǎn)生的變形在球殼形采光頂鋼結(jié)構(gòu)吊裝前變形已經(jīng)完成，此部分恒載作用產(chǎn)生的變形因素因?yàn)榍驓や摻Y(jié)構(gòu)施工時(shí)的調(diào)整因素而不會對上層鋼殼體其產(chǎn)生內(nèi)力重分布，故此因素不予考慮。現(xiàn)在可在混凝土結(jié)構(gòu)上施工因裙房屋面防水，保溫，找平的鋪裝層材料恒荷載和上人屋面活荷載。根據(jù)現(xiàn)場情況，作用圍護(hù)統(tǒng)一把環(huán)向以外三米進(jìn)行簡化處理來考慮，所以統(tǒng)一在環(huán)梁上施加6KN/M的恒載和活載作為原結(jié)構(gòu)荷載。表中考慮了三米寬屋頂恒活荷載因素的為模型三，模型圖同圖E－04。模型一，模型二及模型三在相關(guān)球殼采光頂及屋面恒活荷載作用下的鋼殼拱腳內(nèi)力Fz（設(shè)計(jì)值，單位:KN）如下表E－01：

表E－01　鋼拱腳內(nèi)力對比表

現(xiàn)在我們盡量模擬此鋼球殼和混凝土主體結(jié)構(gòu)一體計(jì)算設(shè)計(jì)過程，此時(shí)主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件自重是要作用在環(huán)形混凝土邊梁上的，同時(shí)為了更清楚顯示此荷載的作用，我們放大混凝土環(huán)形邊梁的承荷寬度，按四米來考慮。當(dāng)在混凝土環(huán)梁上施加恒載24KN/M，8KN/M活載的時(shí)候，立在梁中間的支座E將出現(xiàn)27.8KN的拉力，而于其相臨的支座F將出現(xiàn)128KN的最大壓力，由此可判斷，此時(shí)球殼結(jié)構(gòu)對上部結(jié)構(gòu)已經(jīng)不僅僅是荷載作用，而局部已經(jīng)成為下部混凝土結(jié)構(gòu)的支撐體系。

以上論述中尚未考慮到的因素有以下幾點(diǎn):

一、模型二和模型三在柱的反彎點(diǎn)位置進(jìn)行鉸接處理，而實(shí)際工程中此處和反彎點(diǎn)以下的柱的連接是有一定剛度的連接，此處進(jìn)行鉸接處理，顯然會使上部梁受的約束相比真實(shí)情況偏弱。經(jīng)驗(yàn)上，此約束對于長梁作用更加明顯，所以此因素對于鋼柱腳力的平均化，減少因混凝土結(jié)構(gòu)豎向剛度的調(diào)整是有利的。

二、統(tǒng)一考慮的三米寬度的屋面鋪裝層恒活荷載是否合適，顯然上部結(jié)構(gòu)荷形成的的內(nèi)力亦會對梁的剛度問題進(jìn)行二次調(diào)整，此時(shí)長梁所承受的荷載明顯會小于短梁所承受的，所以其變形要比承受均一恒活線荷載時(shí)的變形要小一些，故此因素同上條因素一樣，對于減少因混凝土梁豎向剛度差引起的鋼柱腳沉降差，最終引起的鋼柱腳內(nèi)力差是有利的。

三、模型的簡化處理是否合理、模型二和模型三將柱反彎點(diǎn)鉸接處理，顯然應(yīng)該是存在一定剛度的，將混凝土柱一起建到下層的樓面剛接處更符合實(shí)際受力情況，所以真正合理的情況應(yīng)該是球殼形采光頂鋼結(jié)構(gòu)和主體混凝土結(jié)構(gòu)整體一體建模整體計(jì)算。

四、本例僅考慮了計(jì)算模型問題，尚未考慮風(fēng)荷載和地震作用如本文前部所述分體建模型計(jì)算所引起來的問題。

五、本算例尚未討論支座剛度因素對支座水平剪推力、支座自身變形以及球殼幕墻鋼結(jié)構(gòu)變形的影響。

以上分析是建立在原設(shè)計(jì)工程實(shí)際案例的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，現(xiàn)在為了直觀顯示混凝土邊梁的剛度對支座內(nèi)力的影響，改變混凝土環(huán)型邊梁350X920變?yōu)?50X600，而其它荷載條件均不作任何變化。同時(shí)相對應(yīng)表一的模型二和模型二分別變?yōu)槟Ｐ退暮湍Ｐ臀澹河?jì)算結(jié)果如下：

表E－02　柱腳內(nèi)力對比表

總結(jié)以上表E－01以及表E－02，可得出以下結(jié)論：

一、建立在原主體混凝土結(jié)構(gòu)上的二級次結(jié)構(gòu)(幕墻結(jié)構(gòu))的支座反力和僅決定于上部結(jié)構(gòu)的總組合內(nèi)力，并不因支座剛度的變化而變化（五個(gè)模型中支座A到支座K的總反力中均為660~670KN左右）。

二、在總各力一定的情況下，單個(gè)支座的內(nèi)力受其支座剛度影響很大，對于最接近實(shí)際受力情況的模型二最大和最小支座反力達(dá)到十倍差值，所以在幕墻鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算中必須加以考慮。

三、支座反力具體大小除了取決于本支座的剛度外，尚且取決于相臨支座的剛度，本支座剛度越強(qiáng)，而相臨支座剛度越弱，則本支座反力增加(相對于不考慮支座剛度的模型一情況)越多。同樣本支座剛度越弱，而相臨支座剛度越強(qiáng)，則本支座反力減少(相對于不考慮支座剛度的模型一情況)越多?？傮w來講，主要取決于支座彼此間的剛度比以及決定內(nèi)力重分布程度的支座距離(線剛度比)。

四、支座環(huán)梁的剛度對支座內(nèi)力的重分布有較大的影響，環(huán)梁鋼梁越弱，支座反力重分布效應(yīng)越強(qiáng)烈。支座反力的變化幅度除受支座剛度的影響外，尚且受到加在支座主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件上的荷載作用的影響。加在其上的荷載值越大，則支座反力的變化幅度越大。極端情況下會出支座拉壓屬性（即荷載及支撐屬性）改變的情況，此時(shí)幕墻鋼結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的作用與支撐關(guān)系局部翻轉(zhuǎn)。

4、結(jié)論

從以上的理論和案例分析，我們可以得出如下結(jié)論：

一、幕墻鋼結(jié)構(gòu)的支座剛度是一個(gè)在幕墻鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)不可忽略和必須考慮的重要問題。否則將使結(jié)構(gòu)內(nèi)力高度失真，而使結(jié)構(gòu)存在嚴(yán)重安全隱患。

二、幕墻鋼結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理的理論分析，建立起最接近工程實(shí)際受力情況的計(jì)算模型，是可以得出來相對精確的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果的。

作者簡介：

夏祥生：浙江中南建設(shè)集團(tuán)有限公司幕墻總經(jīng)理助理，高級工程師，一級注冊建造師，全國優(yōu)秀項(xiàng)目經(jīng)理，浙江省杭州市評標(biāo)專家，有二十多年幕墻施工管理經(jīng)歷。

符旭晨：

浙江中南建設(shè)集團(tuán)有限公司副總工程師、高級工程師、一級注冊結(jié)構(gòu)工程師、一級注冊建造師、高級幕墻設(shè)計(jì)師、全國優(yōu)秀項(xiàng)目經(jīng)理、有十余年幕墻及鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工經(jīng)歷。

劉斌：浙江中南建設(shè)集團(tuán)限公司幕墻總工程師、高級工程師、　中國建筑裝飾協(xié)會、浙江省建筑裝飾協(xié)會專家，從事于幕墻行業(yè)二十余年，專注與幕墻設(shè)計(jì)與施工。