沈阳市府恒隆广场办公楼采用了框架-核心筒结构体系,地下4层,地上68层,建筑高度350.60m,由建筑立面造型需要,南侧5根框架柱由首层开始为斜柱,与垂线夹角为3.82°,如图1所示。

屋顶为空间网架钢结构的皇冠造型,皇冠位于塔楼顶部297.525m(L67M层)至346.835m标高处,为空间网架结构,造型总高度为49.31m,钢结构用量约1 200t。皇冠结构由核心筒L67M处开始抱箍向上伸展,共10个结构层,其中西北角最高(10层),标高为346.835m,东南角最低(4层),标高为297.525m,西南、东北2个角高度相同(L7),标高为330.055m。整体切面成“梭形”,局部10层依次递减至4层(西北角10层、西南角与东北角各7层、东南角4层)。皇冠作为整个塔楼的核心结构,集结了整个塔楼的所有复杂系统:冷却塔系统、卫星碟系统、擦窗机系统、避雷系统、屋顶照明系统等。

皇冠外周采用12mm厚的幕墙进行装饰,幕墙龙骨作为支撑,包括间距2.52,1.68m的横向龙骨及间距6.0~7.5m的竖向主龙骨,立柱除顶部与擦窗机钢架相贯焊接外,其他均采用牛腿龙骨形式与皇冠相连。同时在塔楼龙骨角部设置航空障碍灯,沿皇冠玻璃幕墙高度方向设置3排擦窗机防风锁扣。L68楼板下无柱支撑,龙骨兼顾反拉该层楼板作用。幕墙钢结构全部采用一级焊接质量等级。幕墙钢龙骨构件主要截面参数如表1所示。

1)幕墙取线荷载作用在横向龙骨上,2.52m间距龙骨为0.90k N/m,1.68m间距龙骨为0.60k N/m。

2)竖向龙骨需承受L67楼板自重及其上荷载,每个龙骨承担的拉力为300k N。

3)分别采用单独建模和整体建模分析皇冠、二次结构及幕墙龙骨的风荷载及地震作用。

4)取100年重现期的基本风压0.60k Pa,折算成横向龙骨线荷载,风荷载取吸力(-)及压力(+)

5)抗震设防烈度7度(0.10g),II类场地,设计地震分组为第1组,地震影响系数取安评结果0.105,考虑双向地震及P-Δ效应。单独建模计算时将地震作用折算成横向龙骨线荷载为0.3k N/m。

1)采用MIDAS/Gen分析,可获得结构构件设计内力和结构标准变形量。用框架单元模拟梁、柱、斜撑、桁架、网架等。与核心筒剪力墙相连部位采用固接约束,拉楼板处立杆端部采用铰接约束。

2)顶部立柱需与擦窗机支架相连,采用钢管相贯线焊接,立柱不仅要承担幕墙荷载、风荷载、地震作用及L67楼板上的自重及使用荷载,此节点的处理及设计是一个重要的关键点及难点。

3)角部幕墙横向龙骨可直接与皇冠竖向对应杆件相连,对于未能直接相连的横向龙骨需设置牛腿与皇冠主体结构相连,角部连接处理及牛腿设计是另一个重要的关键点及难点。

1)皇冠在初步设计时未建立幕墙结构模型,仅考虑了龙骨传递荷载,为进行详细的建模分析计算,文中将皇冠及幕墙龙骨进行详细、深入的整体建模。分析表明,皇冠结构满足设计要求,再一次复核了皇冠本身的安全性。

2)皇冠及幕墙全部龙骨等经详细计算,表明强度、稳定性满足设计要求。幕墙龙骨最大应力比为0.90,出现在西面正面迎风为主的工况。与龙骨相连接的支架竖向位移较大,出现在南侧中部竖向龙骨处,最大位移为6mm,主要由强度控制。

3)前3阶周期及振型如图2所示。振型符合本身振动特性,符合设计预期,未出现局部振动。刚度分布均匀,结构体系合理。

4)整体建模分析表明皇冠及幕墙结构在风荷载及地震荷载作用下满足强度和变形要求。

1)立柱顶部需与擦窗机支架相连,此节点关乎整个幕墙结构的安全性,选取与支架相连的受力最大的北侧、西侧2榀桁架,圆管截面Ф300mm×20mm,立柱Ф325mm×16mm,工字钢截面300mm×350mm×20mm×20mm,材质除立柱Q345B外,其他均为Q345C,利用ABAQUS进行有限元分析。根据强节点弱构件原则,在交点处增加了支架杆件间20mm厚加劲板,支架与皇冠外弦节点处增加20mm厚加劲环板作为加强措施。立柱与L67楼板连接节点定位如图3所示。计算结果表明,最大应力为301N/mm²,小于钢材屈服强度,结构设计满足要求。整体计算结果满足强节点设计要求。虽然计算结果满足强度要求,但综合考虑,幕墙立柱与擦窗机支架的全部连接节点仍需加强,加固板件厚20mm,与被加固构件材质相同。

2)对立柱反拉L67楼板处的节点进行有限元计算分析,如图4所示,拉力取300k N。所有材质均为Q345。计算结果表明,最大应力为201N/mm²,小于钢材屈服强度,结构设计满足要求。立柱与L67楼板框架钢梁的交界处有应力集中,设计时在此处增加12mm厚加劲肋,对称布置。整体计算结果满足强节点设计要求。

3)由于结构布置的特殊性及幕墙横向龙骨的复杂性,出现了较多的牛腿龙骨。节点形式复杂多样,牛腿节点的重要性是保证整个幕墙结构的关键之一。对图5几种典型关键节点采用ABAQUS进行分析计算,构件外荷载均取最大值。计算结果表明,最大应力为276N/mm²,小于钢材屈服强度,结构设计满足要求。

1)沈阳市府恒隆广场办公楼屋顶皇冠玻璃幕墙钢结构十分复杂,空间关系多样,支撑种类多,结构受力相互影响,从而给设计和施工带来了挑战。

2)采用有限元分析软件MIDAS/Gen精确建模及详细计算,皇冠幕墙钢结构满足设计要求,同时复核了皇冠本身在整体建模计算时的安全性。

3)与幕墙竖向龙骨相连接顶部皇冠结构处的节点受力最大,对4个方向的典型节点采用单榀桁架整体建模分析方法,采用ABAQUS进行有限元分析,根据强节点弱构件原则,虽然整体计算结果满足设计要求,但由于此处节点承担了较大的竖向拉力,重要性不言而喻,故仍对此处节点进行加固。

4)由于空间关系的复杂性,幕墙结构与皇冠在其他地方连接时采用了较多牛腿形式,对几种典型牛腿的节点采用ABAQUS进行有限元分析,计算结果满足设计要求。