杭州之门项目大跨度悬垂网格钢结构设计

引用文献:

陈晋 托比·米切尔 马克思·库珀 丁晗 邓·朗奇 威廉·贝克. 杭州之门项目大跨度悬垂网格钢结构设计[J]. 建筑结构,2019,49(21):34-42.

Chen Jin Toby Mitchell Max Cooper Ding Han Dane Rankin William Baker. Design of long-span suspended grid steel structure of Hangzhou Gate project[J]. Building Structure,2019,49(21):34-42.

作者:陈晋 托比·米切尔 马克思·库珀 丁晗 邓·朗奇 威廉·贝克
单位:美国SOM建筑结构事务所
摘要:杭州之门项目的主体结构为两栋基本对称布置的建筑高度为302m的高层塔楼,采用钢筋混凝土框架-核心筒结构体系。两栋塔楼底部之间为跨度约60m的拱形钢桥,大跨度悬垂网格钢结构横跨于两栋塔楼之间,位于塔楼21层以下及钢桥之上。重点介绍了悬垂钢结构屋顶及侧墙系统的结构理念、屋顶找型、节点细化、大跨度屋顶钢网格的施工顺序、网格变形对玻璃面板的影响。另外,对于柔性钢网格屋顶的风洞测试、两栋塔楼变形对悬垂屋顶的影响、悬垂屋顶及侧墙的侧向约束系统、网格节点有限元分析也进行了系统介绍。该三维悬垂网格钢结构及侧墙系统属于世界首创,对今后的类似项目有较为重要的参考价值。
关键词:超高层结构 大跨度屋盖 钢结构 悬垂结构
作者简介:陈晋,硕士,美国注册结构工程师,注册职业工程师,Email:jin.chen@som.com。
基金:

1 工程概述

   杭州之门项目位于钱塘江东岸,老城核心区与机场之间。项目场地位于萧山区,坐落于东北面的国际博览中心与西南面的奥体中心培训馆之间。项目场地东南面为江南大道,在项目场地西南面、西北面和东北面将建设新的道路。当从江南大道望去时,双塔形成了通往市中心的门户,体型与杭州的抽象英文字母“H”接近,如图1所示。杭州之门项目为多用途开发项目,地上部分总面积为36万m2,地下部分总面积为14.5万m2。项目的东西塔楼都为64层,结构屋顶高度282m,塔楼冠顶高度都为302.6m。项目南侧为多幢商业建筑,其楼层数在2~4层之间不等。商业功能的总面积约为8万m2,塔楼平面外轮廓尺寸约为54.5m×64.5m,呈不规则椭圆形平面,短边沿东西向,长边沿南北向。两个塔楼之间的底部为跨度60m的拱形钢桥,钢桥通过伸缩缝与塔楼在地面以上脱开。下部的钢结构悬垂屋顶从双塔的21层悬挂而下,在中间下部的钢桥顶部形成大跨度公共空间。

   两栋楼的使用人数不超过8 000人,塔楼的抗震设防类别为标准设防类(丙类),主楼的结构安全等级为二级,地基基础设计等级为甲级。抗震设防烈度为6度[1],设计基本加速度为0.05g,设计地震分组为第一组,场地类别为Ⅲ类,特征周期0.45s,小震阻尼比:塔楼取0.05,钢结构桥梁和悬垂屋顶取0.02。

   50年一遇基本风压为0.50kN/m2,场地地面粗糙度为B类。由于塔楼高度很高,塔楼角部为圆角,业主聘请了加拿大RWDI进行了风洞测试。两栋塔楼的体型系数为1.0~1.1。

   两栋塔楼的结构形式为钢筋混凝土结构。根据《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ 3—2010)[2](简称《高规》),混凝土框架-核心筒结构在6度地区的高度限值为210m,本结构属于高度超限的结构,在初步设计阶段进行了超限抗震设计审查。

图1 杭州之门建筑效果图

   图1 杭州之门建筑效果图

    

   两栋塔楼对悬垂网格钢结构提供竖向和侧向约束,中部大跨度拱形钢桥对悬垂屋顶提供侧向约束。本文将简要介绍塔楼和钢桥的结构设计。

2 塔楼结构体系

   塔楼结构体系为型钢混凝土框架+钢筋混凝土核心筒,如图2所示。中置的核心筒为扁长的八边形,核心筒底部南北向宽度为38m,东西向宽度25m。核心筒在44层收缩为较小的长方形核心筒,南北向宽34m,东西向宽9m。核心筒采用C60~C40混凝土,周边主墙肢厚度由1 200mm沿塔楼高度逐渐减为350mm,腹墙肢在塔楼底部的厚度为600mm。塔楼的外框为型钢混凝土框架,塔楼型钢混凝土柱直径从底部的1 600mm变为屋顶层的800mm,钢筋混凝土外框梁的典型梁高为800mm。塔楼典型结构布置平面图如图3所示。

图2 塔楼结构体系示意图

   图2 塔楼结构体系示意图

    

   由于塔楼沿南北方向的核心筒跨度较大,楼层层间位移角沿Y向的分析结果较小,核心筒沿东西向跨度小,X向的楼层层间位移角要大一些,但离规范限值还有较大的余度。具体结果见图4。塔楼整体振型分析的质量参与系数达到了99%(表1)。塔楼剪力墙和外框柱的设计基本为轴压比控制[5]

   两栋塔楼采用带有大直径钻孔灌注桩的深桩筏基础,桩直径为900mm,桩长约32~35m,底部注浆,承载力特征值为7 400kN,筏板3.8m厚。裙楼及纯地下室的基础采用抗浮筏板,且在柱下布置带承台的钻孔桩,作为承压及抗拔桩。塔楼的沉降估算值为68mm,两栋塔楼的沉降非常接近。

图3 塔楼典型结构布置平面图

   图3 塔楼典型结构布置平面图

    

图4 塔楼层间位移角

   图4 塔楼层间位移角

    

   表1 结构周期与质量参与系数   

表1 结构周期与质量参与系数

3 中部钢桥简介

   拱形钢桥位于两栋主楼之间,在地面以上通过设伸缩缝与两栋塔楼分开。桥体由大跨钢拱和附属桁架组成,功能分两层:人行桥面层(6层)和宴会厅层(3层)。钢桥的主跨度约为62m,高34m,宽约58m,中间的6道拱形桁架为6道平行的位于两塔楼连线所在平面内的桁架,这6道钢拱与塔楼柱位置对齐。钢拱的矢高为18~19m不等。这些拱形桁架都保留了斜撑,提高了钢结构的侧向刚度,同时可有效减小底部钢拱构件中的弯矩,从而使得钢拱构件尺寸比较小,便于与主楼外框柱在地面层处进行连接。钢桥三维视图见图5。钢桥结构的前3阶周期为T1=1.23s(Y向平动),T2=1.18s(绕Z轴扭转),T3=0.99s(X向平动)。钢桥在50年一遇风荷载(包括悬垂屋顶传递的风荷载)作用下的Y向变形为14mm。

   钢桥的6道钢拱在地面层处的支座形式为刚接。钢拱的型钢和相邻塔楼型钢混凝土柱在地面层以下结合成一个大的哑铃形的型钢混凝土柱墩,一直下沿到基础。在自重、水平地震作用、竖向地震作用以及风荷载作用下产生的竖向力直接由柱墩下传至基础。钢桥各工况下的水平推力在地面层的柱墩处,通过地面层的连续楼面梁板体系传递到相邻塔楼的核心筒。

图5 钢桥三维视图

   图5 钢桥三维视图

    

4 悬垂屋顶设计

   两栋主楼之间底部的跨度约为60m,钢桥上部为悬垂屋顶(图6)。悬垂屋顶网格悬挂端从两栋塔楼21层的悬挑钢桁架端部挑出,如图7(a)所示、内部效果图见图7(b)。悬垂屋顶网格的侧向约束由18层、14层、11层处设置的拉索及侧墙约束梁提供。悬垂屋顶网格钢结构系统中南北两侧幕墙的竖向钢构件从悬垂网格边缘构件处悬挂,竖向构件的侧向约束由钢桥公共空间层及宴会厅层处的竖向滑动支座提供,如图6(b)所示。竖向滑动连接的做法见本文第6.2节。悬垂屋顶与钢桥之间没有竖向约束,其竖向变形相互不影响。

图6 悬垂屋顶局部三维视图及剖面示意图

   图6 悬垂屋顶局部三维视图及剖面示意图

    

图7 悬垂屋顶钢网格顶部连接示意图及内部效果图

   图7 悬垂屋顶钢网格顶部连接示意图及内部效果图

    

4.1 悬垂屋顶的构成

   悬垂屋顶网格钢结构系统的主体部分为双向弯曲的钢网格屋顶,该网格的竖向曲率找形采用了悬链几何的力学概念,水平向曲率的确定考虑了节点设计的简化和建筑美学的表达。悬垂屋顶网格的两道边缘构件为截面比较大的箱形钢构件,其几何定位也参考了悬链线理念。侧墙为一系列竖向的长方形箱形钢构件,承担上覆侧面幕墙的自重以及抵抗侧向风荷载。侧墙的整个自重由上述两道边缘钢构件承担,如图8所示。侧墙及悬垂网格的侧向约束由底部钢梁以及塔楼11层、14层及18层的水平约束系统提供。

图8 悬垂屋顶组成示意图

   图8 悬垂屋顶组成示意图

    

4.2 悬垂屋顶的边界条件

   侧墙的重力荷载通过悬挂竖向钢构件传递到悬垂屋顶的边缘构件上,再通过边缘构件传递到塔楼21层的悬挑桁架。悬垂屋顶的重力荷载通过悬链线优化找形的钢网格系统传递到21层的悬挑桁架,如图7(a)所示。

   侧墙竖向悬挂钢构件在钢桥6层及3层处有侧向约束,但竖向变形不约束,见图6(b)。

   经多方优化分析,设计团队在18层、14层及11层设置压杆和拉索共同工作的水平支撑系统及侧墙约束梁支撑系统,对悬垂网格钢结构提供侧向约束,如图9所示。经计算,水平拉索可采用24mm直径不锈钢高强度拉索,初始预应力为5kN,保持拉索在重力工况下不松弛。18层和14层的支撑系统中各有6根压杆(图9(b)),双向交叉布置的拉索与这些压杆相结合。18层压杆采用180×8钢管,14层压杆采用300×10钢管。11层的水平支撑构件为加设在侧墙水平约束梁一半长度的位置的截面250×250×12方钢管。

图9 悬垂屋顶侧向约束

   图9 悬垂屋顶侧向约束

    

   X向风荷载作用下悬垂屋顶及侧墙系统的侧向力大部分通过21层钢桁架及18层、14层、11层的水平拉索及侧墙约束梁传递到主楼,少部分X向水平力通过侧墙与钢桥的水平约束连接传递到钢桥。

   这些压杆与拉索形成侧向支撑约束系统,使整个悬垂屋顶得到有效加强,在Y向风荷载作用下,悬垂屋顶的翘曲变形显著减小。从荷载传递而言,在18层、14层及11层设置的钢管和拉索组成的水平支撑系统及侧墙约束梁支撑系统可直接对悬垂屋顶Y向进行有效约束并使荷载传递到主楼。

4.3 悬垂屋顶的找形策略

   悬垂屋顶钢网格的几何优化找形,采用了悬链线的理念。悬链曲线为在单位长度中施加相等重力荷载下形成的自然几何曲线形态。在该曲线形态下,曲线中每段结构构件所承担的弯矩为零。设计团队将每一个悬跨于两个塔楼之间的单根悬垂网格的纵向构件都确定为悬链曲线形态。在此假定下,将能够使屋顶钢网格承担重力荷载的结构效率最大化,显著减少钢材用量。

   悬链线几何定义的数学表达如下:

    

   式中:a为缩放系数;b为竖向偏差。

   要指出的是,上述的数学表达其实并不是悬垂屋顶最终几何定义的数学表达,而只是用其来进行屋顶网格的第一轮几何定义。悬垂屋顶钢网格系统中,位于节点之间的钢构件为直线段;各条纵向悬链钢构件总长度并不完全相等;各条悬链钢构件沿纵向切分,由于要考虑到与塔楼幕墙的配合,也不能完全等分,这样导致安装在这些网格之上的玻璃面板大小也不完全一致。最终,各个网格节点上的重力大小并不是如理论计算时所假定的完全均匀相等的。这时,只能在初始的悬链几何定义基础上,根据每个节点的实际重力进行迭代找形,最终确定悬垂屋顶在实际重力下的优化几何形态。

   高度优化的几何体型,使得悬垂屋顶网格中97%的纵横网格构件仅采用截面HN300×150×6.5×9的标准工字构件即可满足抗重力、抗风及抗震的设计要求,局部应力集中处构件采用截面H300×150×10×25。对于这个展开面积约66m×120m的三维曲面屋盖,含节点的总用钢量(不包括侧墙)仅为700t。

4.4 侧墙钢结构找形及优化策略

   侧墙系统由一系列直的箱形钢截面悬挂窗肋杆组成,这些竖向构件在顶部与位于侧墙顶部的边缘箱形钢构件相连。边缘方形钢构件的两个侧腹板在三维空间中维持竖直,可大幅度简化其与侧墙竖向构件的连接。由于悬链线体型中的钢构件的弯矩是最小化的,但悬挂的侧墙竖向窗肋杆件的不均匀自重作用被施加到边缘悬链钢管后,会使其产生较大附加弯矩,给设计带来一系列挑战。

   设计团队对此采取了三个措施:1)侧墙竖杆和边缘方钢管按三维图形静力几何法优化空间布置,这样使得边缘方形钢构件在竖杆重量作用下的轴向力均匀化;2)侧墙竖杆截面面积需要优化,使得侧墙竖杆自重控制在按照三维图形静力学优化得出的一个合理范围内,确保悬垂屋顶边缘主钢管的附加弯矩最小化;3)侧墙竖杆在钢桥处设侧向约束,但竖向滑动被释放,这样确保了重力荷载被施加到了边缘方形钢构件上,但钢桥的相对竖向变形对其不会有影响。

   侧墙系统的钢竖杆靠近塔楼的部分截面采用□300×100×10×25,侧墙中间部分的钢竖杆截面采用□300×100×8×15。两道侧墙的结构总用钢量为900t。

4.5 悬垂网格与玻璃面板相协调

   多组悬链线曲线横跨于两个塔楼之间。这些曲线的两端均连接于塔楼,每根悬链线的垂幅及跨度都不相同,需要有对应的不同参数a和参数b得出。

   笔者团队的策略是,每根悬链线的垂幅根据缩放平移表面的原则来确定。选取一个曲线作为起始曲线,并把它划分成多个直线段,然后复制起始曲线到新的位置(平移复制),对它进行均匀缩放。缩放系数对复制平移至不同位置的曲线都是不同的。再通过侧向构件将不同曲线的直线端连接起来,就可以获得整个网格,并且可控制每个面板都为完全平面,如图10所示。

图1 0 平移缩放产生网格

   图1 0 平移缩放产生网格

    

   采用由悬链线组成的缩放平移表面,使得结构体系具有优化的重力荷载传力途径,也可以使得放置于每个网格之上的屋面玻璃都为平板。为最大化构件的重复性,将初始悬垂线分区段进行了等分。既然其他每个悬链线是通过初始悬链线缩放得出,因此,每个悬链线在同一区段内的直线段都是相等的。但不同悬链线的直线段并不相等。

4.6 悬垂网格节点轴线方向定位

   采用工字钢的网格构件可使得玻璃面板直接与钢构件相连,不需采用次要窗肋构件,这需要工程师非常小心地控制工字钢沿屋顶外表面对齐。为避免过于复杂的节点,设计团队希望所有工字钢的腹板在节点处相交于一个共同节点轴线(即节点钢筒中心线)上。这样就可以避免工字钢在节点处的几何扭曲,形成一个无扭曲的节点。

   定义节点轴线方向的目的是使得节点轴线与网格化的表面相垂直,如图11(a)所示。这就可以将玻璃面板直接锚固到钢梁的顶部翼缘上。

图1 1 屋顶网格的切分

   图1 1 屋顶网格的切分

    

   为了简化网格侧向构件的加工,也使得它们与节点连接更加容易,结构团队按放射平面的切分方法切割出整个屋顶悬垂网格系统的侧向构件,如图11(b)所示。这样进行切分实际上也综合考虑了悬垂网格与玻璃面板的协调(第4.5节)。通过在屋顶网格产生过程中就将侧向构件在平面内对齐,同时考虑纵向网格切分的伸缩平移,使得单个四边形网格在三维空间中为平面,平板玻璃可直接安装在上面。

   网格切分确定后,确定节点轴线的方法是基于简单的几何关系。悬垂屋顶钢网格是沿X轴及Y轴对称的,设计团队先确定网格二分对称正中心处的节点轴线为竖向轴线。然后,工程师选定纵横两个二分对称线上的钢结构网格,在垂直平面内,分别对网格二分对称线上的各节点,按角度等分确定节点轴线,如图12(a)所示。当所有二分对称线上节点轴向确定后,在中心对称点相邻节点处,横向二分对称线上的节点轴线和纵向连接的网格构件可产生一个空间平面。同理,纵向二分对称线上的节点轴线与横向连接的网格构件可产生另一个空间平面。这两个空间平面相交,即在相邻节点处形成该处节点轴线,如图12(a)中阴影平面交割线所示。新产生的轴线与相邻网格构件又可产生新的空间平面,然后以此类推,逐步交割出其他节点的轴线。这些节点轴线的角度被确定下来以后,所有网格工字钢节点都不会有扭曲,网格工字钢的腹板延伸平面会在节点轴线处汇集,如图12(b)所示。网格的切分以及单元的定位都在Grasshopper中按以上原则进行参数化控制,并与玻璃面板的布置一起考虑。

图1 2 节点轴线定位的确定

   图1 2 节点轴线定位的确定

    

4.7 悬垂屋顶系统的振型模态

   悬垂屋顶钢结构的基本分析模型包括悬垂屋顶、侧墙以及钢桥,动力分析结果如图13所示。玻璃自重按1.0kPa(18mm厚夹层玻璃)假定,考虑到日常状态下,悬垂屋顶并不上人,产生大面积屋顶维护活荷载的几率极低,活荷载按规范取0.5kPa,但质量源仅考虑25%的活荷载。

   在悬垂屋顶钢结构网格的设计过程中,结构设计团队也设计了一个不包含底部钢桥的、仅包含悬垂屋顶和侧墙的分析模型,该模型的边界条件比较理想化,周期要比采用钢桥作为约束条件的模型低0.1~0.05s。

图1 3 悬垂屋顶系统模态

   图1 3 悬垂屋顶系统模态

    

4.8 风洞测试及风荷载

   RWDI风洞测试团队进行了塔楼及悬垂屋顶系统的风洞测试(图14),并提供了8种风荷载工况作为悬垂屋顶结构的设计依据[6]。结构设计的风压在悬垂屋顶的不同部分有所不同,其值分布在-2.27~1.73kPa之间。按规范[3]建议,风压计算方法采用基于风洞测试的压力积分法。

   在设计团队和风洞团队的沟通中,由于风洞测试是以刚体模型为假定,设计团队将单体的钢结构悬垂屋顶的自然频率控制在1Hz左右。另外,由于悬垂屋顶钢结构比较柔,设计团队提供了前20个周期中悬垂屋顶和侧墙上共76个控制点的振型信息和质量信息给风洞团队。

   由于悬垂屋顶及侧墙的风压变化与该系统的动力参数及构件大小密切相关。结构设计团队经过三轮构件设计,风洞团队根据每轮的动力参数提供悬垂屋顶不同区域对应的结构设计风压。直到结构构件、动力参数与风洞结果完全收敛吻合。

图1 4 悬垂屋顶风洞测试模型

   图1 4 悬垂屋顶风洞测试模型

    

   风荷载作用下,悬垂屋顶结构中最大变形值为132mm,对于其约60m的跨度是可以接受的。悬垂屋顶系统在典型风洞工况下的变形如图15所示。

   风荷载作用下,侧墙与塔楼连接处最大侧向变形值向内为47mm,向外为68mm。设计中,建筑幕墙这些位置节点能够承受如此大小的位移。

图1 5 悬垂屋顶系统在典型风洞工况下的变形/mm

   图1 5 悬垂屋顶系统在典型风洞工况下的变形/mm

    

4.9 主楼变形对悬垂屋顶的影响

   风荷载作用下,钢结构悬垂屋顶的最大层间位移角的限值按《钢结构设计规范》(GB 50017—2003)和幕墙规范[4]的1/250控制。该项分析采用了包括双塔、钢桥和悬垂钢网格的完整ETABS模型。主楼变形对悬垂屋顶的影响只有在总的整合模型中才能体现。

   悬垂屋顶系统在典型工况下的变形如图16所示。经分析,塔楼的刚度相对于悬垂屋顶钢结构而言非常大,塔楼基本可以当作悬垂屋顶的固定支座。在整体模型中,虽然主楼在11~21层这个区段有一定的侧向变形,但变形值在30~50mm左右,对于大跨度的悬垂屋顶钢结构的整体受力影响极小。塔楼的变形导致悬垂屋顶钢结构的内力变化在5%~10%之间,由于悬垂钢结构构件基本以刚度控制为主,构件强度利用率在0.50~0.60左右,塔楼侧向变形对最终的结构构件截面尺寸基本没有影响。由于悬垂屋顶幕墙玻璃面板只对所安装位置的局部变形敏感,悬垂屋顶塔楼支座处的变形分配到各个网格单元后也极小,不会影响玻璃面板的安全。

图1 6 悬垂屋顶系统在典型工况下的变形/mm

   图1 6 悬垂屋顶系统在典型工况下的变形/mm

    

4.1 0 悬垂屋顶的施工顺序

   由于悬垂钢结构体型的复杂性,同时横跨于两栋塔楼之间,施工难度很大。基本的施工假定为:1)两栋塔楼和中间钢桥的主体结构先行完工。2)从塔楼21层从上至下到14层,逐层伸出临时脚手架系统。3)在钢桥的公共空间层(6层)设立临时脚手架,对14层以下的内部空间进行支护,悬垂屋顶钢结构在其支撑下进行安装。4)在地面层将悬垂钢结构网格组装成多个大块构件,然后用吊车吊装其到相应安装位置处所设立的脚手架上。5)待所有悬垂网格构件于脚手架就位后,安装临时拉索辅助悬垂屋顶的最后定位。6)检查悬垂屋顶节点位置,如有需要通过临时拉索调整位置。待悬垂屋顶满足就位要求,初步拧紧连接处腹板螺栓。整体复核悬垂屋顶各个节点位置后,拧紧螺栓,完成焊接工作。7)安装侧墙的约束梁,连接塔楼和悬垂屋顶边界构件。8)从边界构件处吊挂侧墙竖肋,其在转折处铰接。侧墙竖肋的安装应按使所有边界构件均匀受载的顺序安装。9)拉拽上部侧墙竖肋靠近水平约束梁及钢桥楼层位置并连接。拉拽下部的侧墙竖肋到钢桥的下部边缘,与钢桥进行连接,并焊牢铰接节点。10)在最终位置,侧墙的竖肋在立面上是稍微倾斜的。检查所有侧墙的竖肋的位置并重新检查悬垂屋面的位置,确认几何尺寸符合误差要求。11)施工侧向水平构件,安装在18层、14层、11层的平面支撑系统。然后锚固外墙玻璃或面板。玻璃面板的安装应遵从使悬垂屋面以及侧墙均匀受载的顺序。

   自重下侧墙中点最大竖向位移为35mm。对于其大约60m的跨度而言,是完全可以接受的。

5 悬垂屋顶系统变形对玻璃面板的影响

   玻璃面板的变形可以分解成两个正交方向的变形:面板的平面外翘曲变形以及面板在平面内的剪切式变形。通常,很薄的玻璃仅会有较小的弯曲应力,因此玻璃面板系统通常对较大的翘曲变形有一定的容许能力。但是玻璃面板系统却不能够承受太大的平面内剪切式变形,因为平面内的拉力较容易使玻璃开裂。

5.1 对玻璃面板平面外翘曲变形的控制

   以玻璃面板的任意三点构成一个平面,第四点到该平面的垂直距离即为该点的翘曲变形,如图17所示,其中,Δ为翘曲变形,Ld为在初始非变形的面板上测出的到翘曲角点的斜边长度。对玻璃面板所有四个角进行测量,取结果最大值进行控制。

图1 7 翘曲变形示意

   图1 7 翘曲变形示意

    

   对于平面外翘曲变形而言,需计算悬垂屋顶在所有风洞测试控制工况下的变形,同时包括结构恒载下的变形。这是由于部分玻璃安装完成时已存在一些初始翘曲,风荷载作用下的变形是在此基础上的叠加。

   玻璃面板平面外的翘曲限制按下式控制:Δ/Ld≤1/50。1/50这个限值是基于SOM的丰富经验、测试以及与中空玻璃面板制造商的技术讨论得出的,这个限值对采用非中空玻璃的本项目而言是偏保守的。

图1 8 典型风荷载工况下悬垂屋顶翘曲变形Δ/Ld

   图1 8 典型风荷载工况下悬垂屋顶翘曲变形Δ/Ld

    

图1 9 平面内剪切式变形示意

   图1 9 平面内剪切式变形示意

    

   从典型风荷载工况下的变形图(图18)可以看出,翘曲变形均小于1/50的限值。实际上,翘曲变形在侧墙比较集中,这也与侧墙在侧向力作用下构件主要受弯的情况相一致。与之对比明显的是,悬垂屋顶本身的翘曲却非常小。

5.2 对玻璃面板平面内剪切式变形的控制

   平面内的剪切式变形与工程应变的测量方式相同,即测量初始状态与变形状态下的角度变化,如图19所示,其中Δ为节点在平面内的变形,Le为单个网格构件的长度,α为变形之前的角度,α1为变形之后的角度。

   平面内的剪切式变形按下式计算:Δ/Le=(α1-α)Le/Le1-α。对于剪切式变形而言,仅需考虑风荷载所产生的变形,恒载引起的变形被忽略,与平面外翘曲变形不同。这是因为面板是按结构的最终体型就位后进行切割安装的,在安装位置没有初始剪应变。

   图20为各网格平面内的剪切式变形的图形表达结果,可知其小于与建筑专业协调确认的1/100的标准。

   玻璃面板锚固节点大样必须以允许这个幅度的滑动来设计。可以考虑在网格平面内的两个平动方向上将平面内滑动位移释放,节点大样图见图21。

6 关键节点设计

6.1 典型网格节点

   如第4节所述,通过几何定位优化,悬垂屋顶的所有网格节点中,四个工字钢汇接于节点钢筒,四个工字钢构件腹板的虚拟延伸面会与节点钢筒的中心线重叠。纵横两个方向的钢网格典型工字钢截面均为HN300×150×6.5×9,这样在钢筒的上顶面与下底面,与四根等高的工字钢翼缘对齐的位置焊接一个圆形钢连接板,这样就保证了网格工字钢构件上下翼缘的受力路径是连续的,如图22所示。

图2 0 典型风荷载工况下悬垂屋顶平面内剪切式变形Δ/Le

   图2 0 典型风荷载工况下悬垂屋顶平面内剪切式变形Δ/Le

    

图2 1 悬垂屋顶钢梁与玻璃面板的连接示意

   图2 1 悬垂屋顶钢梁与玻璃面板的连接示意

    

图2 2 悬垂屋顶网格节点三维视图和应力

   图2 2 悬垂屋顶网格节点三维视图和应力

    

   由于整个悬垂屋顶网格的构件都为300mm高的工字钢,这就使得所有网格节点的钢筒长度和直径都完全一样,按应力分析结果,上下钢筒盖板厚度约取为2.5倍工字钢翼缘厚度。钢筒节点的高度重复性大大简化钢结构的加工和安装。钢筒节点的自重在分析和设计中已经考虑。由于屋顶钢结构直接暴露在室内空间,相关钢结构构件的节点至少满足美国钢结构规范[7]建议的AESS 3的标准。

6.2 其他关键节点设计

   侧墙竖向构件与悬垂屋顶边缘方形钢构件的连接如图23(a)所示。由于侧墙的竖向杆件在安装过程中需要施工人员拉拽到预定位置,因此侧墙钢竖杆的上端节点设计为铰接。上部边缘构件为截面400×400×12的拼接箱形钢管,该钢构件的切分与悬垂网格的整体网格划分相吻合。该方形钢管的腹板竖向垂直,这使得其与侧墙竖向杆件的连接更加简化。

   悬垂屋顶的侧墙在中部钢桥顶部公共空间层(6层)和宴会厅层(3层)组成的楼板边缘处有侧向约束支撑,该支撑只提供两个方向的水平约束,但释放竖向位移约束,这意味着钢桥和悬垂屋顶系统在重力和风荷载下的相对竖向位移被释放,不会相互影响。该处节点的约束梁按一端与桥梁主体钢结构刚接,另一端与侧墙竖向构件竖向滑动支座连接,释放竖向位移约束,如图23(b)所示。滑动支座的竖向滑动接触面中加有PTFE垫片。

图2 3 悬垂屋顶的关键节点

   图2 3 悬垂屋顶的关键节点

    

7 结语

   绿地杭州之门项目的悬垂钢结构屋顶及侧墙钢结构系统的结构设计,成功地将悬链线找形、三维静力学找形运用到工程实践中。

   悬垂网格的切分以及网格构件工字钢的选择重复考虑了玻璃面板平板化及安装要求。在悬垂屋顶网格结构节点的细化中,各网格工字钢腹板延伸面汇聚于节点钢筒中心线,用以简化施工和加工。另外设计团队也对大跨度悬垂屋顶钢网格的施工顺序进行了比较系统的研究优化,对网格变形对玻璃面板的影响进行了全面的计算与评估。另外,设计团队也对柔性钢网格屋顶的风洞测试的迭代优化、两栋塔楼变形对悬垂屋顶的影响、悬垂屋顶及侧墙侧向约束系统的优化布置、网格的节点有限元分析进行了系统研究。

   该三维悬垂网格钢结构及侧墙系统是悬链线找形在大跨度屋盖系统中的一次成功运用,对今后的类似项目有较为重要的参考价值。

    

参考文献[1] 建筑抗震设计规范:GB 50011—2010[S].北京.中国建筑工业出版社,2010.
[2]高层建筑混凝土结构技术规程:JGJ 3—2010[S].北京.中国建筑工业出版社,2011.
[3]空间网格结构技术规程:JGJ 7—2010[S].北京.中国建筑工业出版社,2010.
[4]玻璃幕墙工程规范:JGJ 102—2003[S].北京.中国建筑工业出版社,2003.
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[6] 绿地杭州之门项目风洞试验研究报告[R].多伦多:RWDI,2017.
[7] Code of standard practice for steel buildings and bridges:ANSI/AISC 303-16[S]. Chicago:American Institute of Steel Construction,2016.
Design of long-span suspended grid steel structure of Hangzhou Gate project
Chen Jin Toby Mitchell Max Cooper Ding Han Dane Rankin William Baker
(Skidmore,Owings & Merrill LLP)
Abstract: The main structures of Hangzhou Gate project include two basically symmetrically arranged high-rise towers with the architectural height of 302 m,which adopts the reinforced concrete frame-core tube structure system. Between the bottom of the two towers,there is a steel arch bridge with the span of about 60 m. The long-span suspended grid steel structure spans between the towers and is located below the level 21 of the two towers and above the steel bridge. Structural concept of the suspended steel roof and side wall structural system,roof form-finding,grid connection node refinement,construction sequence of long-span roof steel grid,and influence of grid deformation on glass panels were mainly introduced. In addition,the wind tunnel test of flexible steel grid roof,the influence of deformation of two towers on the suspended roof,the lateral restraint system of the suspended roof and the side wall,and the finite element analysis of grid nodes were also comprehensively introduced. The three-dimensional suspended grid steel structure and side wall system are the first in the world,and have important reference value for similar projects in the future.
Keywords: super tall structure; long-span roof; steel structure; suspended structure;
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