（幕墙钢结构概念设计丛谈系列三）

夏祥生　符旭晨 刘　斌

（1浙江中南建设集团有限公司 杭州310052 ）

摘　要：承担幕墙钢结构支座荷载的主体结构构件的刚度问题，也即幕墙钢结构同主体结构的共同作用问题，是幕墙钢结构进行概念设计和体系布置时必须考虑的重要因素，但却往往被幕墙结构设计师所忽略。忽略支座刚度时容易导致各类计算失真，主要包括荷载与作用计算失真，内力计算失真以及支座反力失真。本文将专注于此方面进行详细的论述，并以某屋顶采光顶球壳为案例，通过分析不同模型计算方案对支座反力的影响进行定量对比来明确此问题的重要性，为幕墙钢结构的设计提供理论支撑。

关健词：幕墙钢结构、共同作用、计算模型、刚度

1、引言

关于幕墙钢结构概念设计，笔者在本刊《幕墙设计》2016年第五期（十月号）中<<从屋顶钢塔设计谈幕墙钢结构的概念设计>>进行了综合性阐述并以某屋顶钢塔设计为例进行了全面说明，并在2017第五期(十月号)中<<从屋顶钢架设计谈幕墙钢结构的概念设计>>针对幕墙钢结构概念设计中的传力体系的设计对幕墙钢结构对同主体结构的连接设计和埋件设计的作用进行了详细的讨论。另外，由于幕墙钢结构是以主体结构为边界条件进行力的传递消化的，而承担幕墙钢结构的主体构件的刚度问题目前往往是幕墙结构设计师容易忽略的重要影响因素。实际上，计算所采用的理想模型和工程实际力学模型是有相当差异的，这将导致一系列的问题。本文将专注于讲座屋顶采光顶幕墙钢壳设计模型的建立以及幕墙钢结构支座所设置的主体结构构件刚度对上部幕墙钢结构内力的影响问题。

2、论述

关于幕墙刚结构的设计工作，目前通用作法是：下部主体结构由土建设计院完成，屋顶钢架由钢结构公司或者幕墙公司来设计完成，并将支座荷载提供给土建设计院由土建设计院将支座荷载加在 下部主体结构上完成计算。此种操作模式由于同一个结构分拆成两个模型来分别计算，显然是存在不少问题的。最主要是计算失真问题，主要原因有下几点：

一、上部结构计算内力失真：因上部结构支座落在下部结构构件上，因为下部主体结构会在上部支座荷载(以及其自身荷载)作用下会产生变形，所以该支座并非上部钢架结构计算模型所采用的刚性不动支座，而实际上为一弹性支座，上部结构的内力是按照刚度分配的，因为现有软件无法考虑支座弹性刚度问题，故上部结构计算内力失真(类似主体结构不考虑和地基共同作用时出现的问题，这也是本文将重点讨论的问题)。

二、同样下部结构无法考虑上部结构带来的刚度变化问题同样存在计算内力失真的问题。

三、风荷载及地震作用计算严重失真：因为风荷载和地震作用的计算同结构的自振周期有关，同一结构分析成两个结构分别计算，各自得到自己的自振周期，而整体结构的自振周期是要大于这两者分别计算的自振周期(幕墙结构同主体为串联形式时)，所以若只考虑部分结构计算的周期,会在在计算出现的风载荷偏小，地震作用亦失真严重等问题(关于幕墙钢结构的荷载与作用问题将在幕墙钢结构概念设计丛谈系列五中专文讨论，敬请期待)。

四、由于整体结构分柝成两个模型分别计算的所带来的其它问题。

关于以上问题常用的解决方案：由于同一结构分拆成两个结构分别计算带来的上述问题，最合理的解决方案是把结构不再分拆，结构整体计算。但鉴于目前的设计工作机制和软件能力问题，无法圆满解决。本人在长期实际工程实践中常采用以下的解决方案来解决此问题(主要思想是尽量使计算模型同结构实际受力情况一致,或者尽可能是减少结构计算的失真程度)：

一、上部结构设计成静定体系，结构内力不会因为支座的变形下沉等因素而内力重分配。

二、若无法设计为静定体系，则可以通过以下方法处理尽量减少支座的变形作用对内力的影响(或者让支座的变形一致)。

1、尽量把传递竖向力的支座放在柱顶墙顶，或者靠近柱顶墙顶这类竖向刚度较大的构件上，减少竖向变形。而尽量避免放在长梁的跨中位置或者悬挑梁的梁端部位这类竖向刚度较差的部位。

2、屋顶刚架传递水平荷载的支座尽量放在剪力墙、核心筒的层标高上，这类水平刚度较大的位置上，减少支座水平变形。而尽量避免放在立柱的层中间位置以及屋顶悬臂柱的顶端这类水平刚度较差的部位。

3、在屋顶提高混凝土梁板结构的整体刚度，如浇厚板，加强层等方案，使屋顶刚架落在混凝土结构上的支座变形一致，减少支座变形不一致对上部结构的内力重分布。

4、提高上部结构的整体刚度，可以上部结构的底层做一下钢结构的加强层，尽量使支座变形一致，这样使得内力的重分布在此加强层内完成，避免或减少除加强层以外的上部结构因支座变形不一致而产生的内力重分布。

5、尽量减少上部结构在混凝土主体结构的约束的超静定次数，使内力的重分配影响减少到最大程度，如只约束支座的平动位移，而不约束其转动位移，减少超静定次数，减少内力重分配程度。

6、若实在无法避免把上部结构的支座放在下部结构的长梁跨中，屋顶悬臂柱顶，或者混凝土柱的层间等刚度较弱，抗变形能力较差的构件上，则可以把这类下部结构的结构构件建入上部刚架结构模型进行计算。以将混凝土构件的变形考虑在内,使上部结构的内力计算值与实际值符合.同时将约束点约束到梁柱节点处等抗变形能力较强的位置，或者柱的反弯点等内力相对简单位置。

关于风作用和地震作用计算严重失真问题的解决办法主要有以下方面：

一、计算风荷载风振系数所使用到的结构自振周期，使用上部层顶钢架结构，下部主体结构自振周期某种形式的叠加后的总体结构自振周期值来计算风荷载，减少风荷失真度。

二、地震作用可以如上法操作，若软件使用其自身计算出来的自振周期而无法修改这个参数，可以使用分部结构的自振周期来计算地震作用，同时人为提高地震作用影响系数最大值的办法，至于地震影响系数最大值的最高程度可参考<<高层建筑混凝土结构技术规程>>JGJ3-2010的相关条款 (关于幕墙钢结构的荷载与作用问题将在幕墙钢结构概念设计丛谈系列五中专文讨论，敬请期待) 。

3、案例分析

具体算例见图E-01、E－02、为浙江绍兴某工程裙楼屋面球壳形采光顶，共十个拱形柱脚支撑在混凝土圈梁上，球壳形采光顶上铺三角形钢化夹胶中空玻璃，由于上部结构由kwait形壳体，平面内刚度较好，整体性强。混凝土圈梁为截面为350X930，圈梁的支撑为间距差别较大的混凝土圆柱。详见图E－01 壳球支撑原结构混凝土图。

E－01 壳球型采光顶结构平面及埋件图

E－02 壳球型采光顶拱壳刚架详图

E－03 不考虑下部结构刚度的计算模型

E－04 部分考虑下部结构刚度的计算模型

在屋顶钢壳的建模计算分别采用以下三个模型方案：模型一如图E－03所示，为常规设计思路，仅考虑钢壳自身的计算，拱脚铰接处理，视拱脚支座刚度为无限大。模型二如图E－04所示把屋顶环梁以及同环梁相连接的混凝土圆柱建入模型，而将柱的反弯点作为约束点进行铰接约束处理。建入混凝土环梁的时候考虑板对其刚度的增加作用，按现行<<高层混凝土结构技术规程>>JGJ3-2010-5.2.2条，混凝土圈梁的刚度增加1.3倍。因为此采光顶位于裙房的顶面，标高不高，而且体型为球形光滑面，风荷载作用有限，为简化起见，定量计算的时候不考虑风及地震作用，仅考虑恒活荷载作用。这里恒载钢架自重软件自动计算，玻璃面板，连接件以及没有计算入模型的次构件按0.8KN/平方米，活载按0.5KN/平方米施加。

另外，由于钢壳体支撑在主体混凝土结构上的环梁，除了上部钢结构球壳形采光顶传下来的荷载为，尚且有主体结构作用在其上的恒活荷载。但考虑到钢结构施工时，主体肯定已经施工完成，至少主体混凝土结构已经施工完成。主体结构荷载在环梁上产生的变形在球壳形采光顶钢结构吊装前变形已经完成，此部分恒载作用产生的变形因素因为球壳钢结构施工时的调整因素而不会对上层钢壳体其产生内力重分布，故此因素不予考虑。现在可在混凝土结构上施工因裙房屋面防水，保温，找平的铺装层材料恒荷载和上人屋面活荷载。根据现场情况，作用围护统一把环向以外三米进行简化处理来考虑，所以统一在环梁上施加6KN/M的恒载和活载作为原结构荷载。表中考虑了三米宽屋顶恒活荷载因素的为模型三，模型图同图E－04。模型一，模型二及模型三在相关球壳采光顶及屋面恒活荷载作用下的钢壳拱脚内力Fz（设计值，单位:KN）如下表E－01：

表E－01　钢拱脚内力对比表

现在我们尽量模拟此钢球壳和混凝土主体结构一体计算设计过程，此时主体结构构件自重是要作用在环形混凝土边梁上的，同时为了更清楚显示此荷载的作用，我们放大混凝土环形边梁的承荷宽度，按四米来考虑。当在混凝土环梁上施加恒载24KN/M，8KN/M活载的时候，立在梁中间的支座E将出现27.8KN的拉力，而于其相临的支座F将出现128KN的最大压力，由此可判断，此时球壳结构对上部结构已经不仅仅是荷载作用，而局部已经成为下部混凝土结构的支撑体系。

以上论述中尚未考虑到的因素有以下几点:

一、模型二和模型三在柱的反弯点位置进行铰接处理，而实际工程中此处和反弯点以下的柱的连接是有一定刚度的连接，此处进行铰接处理，显然会使上部梁受的约束相比真实情况偏弱。经验上，此约束对于长梁作用更加明显，所以此因素对于钢柱脚力的平均化，减少因混凝土结构竖向刚度的调整是有利的。

二、统一考虑的三米宽度的屋面铺装层恒活荷载是否合适，显然上部结构荷形成的的内力亦会对梁的刚度问题进行二次调整，此时长梁所承受的荷载明显会小于短梁所承受的，所以其变形要比承受均一恒活线荷载时的变形要小一些，故此因素同上条因素一样，对于减少因混凝土梁竖向刚度差引起的钢柱脚沉降差，最终引起的钢柱脚内力差是有利的。

三、模型的简化处理是否合理、模型二和模型三将柱反弯点铰接处理，显然应该是存在一定刚度的，将混凝土柱一起建到下层的楼面刚接处更符合实际受力情况，所以真正合理的情况应该是球壳形采光顶钢结构和主体混凝土结构整体一体建模整体计算。

四、本例仅考虑了计算模型问题，尚未考虑风荷载和地震作用如本文前部所述分体建模型计算所引起来的问题。

五、本算例尚未讨论支座刚度因素对支座水平剪推力、支座自身变形以及球壳幕墙钢结构变形的影响。

以上分析是建立在原设计工程实际案例的基础上进行的，现在为了直观显示混凝土边梁的刚度对支座内力的影响，改变混凝土环型边梁350X920变为250X600，而其它荷载条件均不作任何变化。同时相对应表一的模型二和模型二分别变为模型四和模型五：计算结果如下：

表E－02　柱脚内力对比表

总结以上表E－01以及表E－02，可得出以下结论：

一、建立在原主体混凝土结构上的二级次结构(幕墙结构)的支座反力和仅决定于上部结构的总组合内力，并不因支座刚度的变化而变化（五个模型中支座A到支座K的总反力中均为660~670KN左右）。

二、在总各力一定的情况下，单个支座的内力受其支座刚度影响很大，对于最接近实际受力情况的模型二最大和最小支座反力达到十倍差值，所以在幕墙钢结构计算中必须加以考虑。

三、支座反力具体大小除了取决于本支座的刚度外，尚且取决于相临支座的刚度，本支座刚度越强，而相临支座刚度越弱，则本支座反力增加(相对于不考虑支座刚度的模型一情况)越多。同样本支座刚度越弱，而相临支座刚度越强，则本支座反力减少(相对于不考虑支座刚度的模型一情况)越多。总体来讲，主要取决于支座彼此间的刚度比以及决定内力重分布程度的支座距离(线刚度比)。

四、支座环梁的刚度对支座内力的重分布有较大的影响，环梁钢梁越弱，支座反力重分布效应越强烈。支座反力的变化幅度除受支座刚度的影响外，尚且受到加在支座主体结构构件上的荷载作用的影响。加在其上的荷载值越大，则支座反力的变化幅度越大。极端情况下会出支座拉压属性（即荷载及支撑属性）改变的情况，此时幕墙钢结构与主体结构的作用与支撑关系局部翻转。

4、结论

从以上的理论和案例分析，我们可以得出如下结论：

一、幕墙钢结构的支座刚度是一个在幕墙钢结构进行设计时不可忽略和必须考虑的重要问题。否则将使结构内力高度失真，而使结构存在严重安全隐患。

二、幕墙钢结构进行合理的理论分析，建立起最接近工程实际受力情况的计算模型，是可以得出来相对精确的内力计算结果的。

作者简介：

夏祥生：浙江中南建设集团有限公司幕墙总经理助理，高级工程师，一级注册建造师，全国优秀项目经理，浙江省杭州市评标专家，有二十多年幕墙施工管理经历。

符旭晨：

浙江中南建设集团有限公司副总工程师、高级工程师、一级注册结构工程师、一级注册建造师、高级幕墙设计师、全国优秀项目经理、有十余年幕墙及钢结构设计与施工经历。

刘斌：浙江中南建设集团限公司幕墙总工程师、高级工程师、　中国建筑装饰协会、浙江省建筑装饰协会专家，从事于幕墙行业二十余年，专注与幕墙设计与施工。