上海中心幕墙支撑结构设计概况

何志军

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海200092）

上海中心幕墙支撑结构设计概况

何志军

（同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司，上海200092）

上海中心大厦建筑高度632 m，该项目的幕墙设计采用了非常独特的分离式双层幕墙系统。其外幕墙支撑结构采用了独特的柔性悬挂式幕墙支撑结构体系，该体系具有分区悬挂重量大、支承刚度柔、荷载效应及节点构造复杂等特点。对该幕墙支撑结构体系的分析与设计有关内容进行了介绍，包括结构体系布置特点、关键荷载及作用取值、主要荷载作用下结构的受力特性，以及幕墙与主体结构的连接构造。有关分析和设计方法可供其他类似项目分析、设计参考。

上海中心大厦，悬挂式幕墙支撑结构，结构体系选型，结构分析与设计

1 工程概况

正在建造的上海中心大厦建筑高度632 m（图1），为目前在建的国内最高的超高层之一。主体塔楼呈圆形，沿高度共设置8道设备层将整个塔楼分成9个功能区，每个区的塔楼主体为一圆柱体（图2），随着高度升高，每个区楼面直径逐渐缩小。

该项目的幕墙采用了独特的内外分离式双层幕墙系统，其内幕墙沿着楼板边界呈圆柱形布置。外幕墙平面形状为与主体楼面内切的圆角三角形，在高度方向，三角形的外幕墙绕着主体楼面逐层旋转、收缩，从而形成了非常独特的建筑造型和外部立面，并在内外幕墙之间形成贯通一个功能区的12～15层高的中庭空间（图3）。

图1 上海中心大厦鸟瞰Fig.1 Perspective view of the Shanghai Tower

图2 外幕墙与主结构关系Fig.2 Relationship of the outer curtain wall and themain structure

图3 典型幕墙剖面透视图Fig.3 Perspective view of a typical curtain wall

由于外幕墙远离主体结构，其幕墙板块重量和水平风力无法直接传递至相应标高的楼面结构。为此，设计了一个非常特殊的分区悬挂式幕墙支撑系统作为玻璃幕墙支撑结构。结合主体结构竖向分区情况，整个幕墙系统分8段悬挂于每区设备层的悬挑桁架外端，每段约承担12～15层（约60 m）高的玻璃幕墙重量。该幕墙支撑结构系统造型轻巧、承重大、竖向变形大，相关结构构造复杂，结构设计难度大。

2 结构体系布置及特点

上海中心主体结构采用巨型框架—伸臂—核心筒结构体系（图4），巨型框架结构由8根巨型柱、4根角柱、8道环带桁架组成［1，2］。在设备层布置有20～28榀辐射桁架用以悬挂幕墙支撑结构。

图4 巨型框架结构布置Fig.4 Structural arrangement of themain structure

为适应扭曲上升的外幕墙几何形态，同时满足建筑师对外幕墙视觉通透性的要求，外幕墙支撑结构最终采用了由高强度钢吊杆—环梁—径向钢管支撑组成的柔性悬挂式幕墙支撑结构体系（图5）。

图5 幕墙支撑结构体系构成Fig.5 Curtain wall system

环梁的几何与外幕墙造型高度匹配，随着楼层升高，环梁绕着圆主体楼面逐层旋转、收缩。考虑成型能力和建筑造型效果，环梁采用直径356 mm钢管，沿竖向每层（4.3～4.5 m）布置以承受幕墙板块的重量和水平风荷载。沿环梁每8～10 m设置一道水平径向钢管支撑将其与主体楼面结构连接，连接节点采用铰接以允许外幕墙相对于楼板之上下运动。在每个环梁和径向水平钢管支撑相交的位置设置两根屈服强度460 MPa的高强度钢吊杆将每区的所有水平环梁串联起来吊至上部机电层辐射桁架的悬挑端。

每区最下方的环梁位于休闲层楼板上方且距楼板仅约360 mm，无法在这一层设置径向支撑。因此在每区最下方的环梁上设置连接立杆，并通过圆柱形衬套嵌入休闲层楼板中（图6）。这样的连接方式为周边环梁提供了侧向支撑的同时又能允许幕墙支撑结构在一定范围内相对主体结构产生一定的竖向变形和转动，防止底层幕墙板块受到挤压。

为约束幕墙相对主体的扭转，在每层水平曲梁与圆柱体楼面相切的位置布置了三个限位约束，在角部设置了交叉拉杆支撑（图5（b））［3］。

从传力的角度，该体系最大特点是幕墙荷载向主体结构的传递路径在水平向与竖向分离，竖向通过吊杆每区集中传至设备层悬挑桁架，水平向通过径向支撑逐层传递至主体楼面结构。

图6 底环梁与楼板连接构造Fig.6 Details of the connection between the bottom ring beam and the floor

3 荷载与作用

3.1 重力荷载

幕墙单元板块及有关连接件的自重约为1.2 kN／m2。由于幕墙单元的悬挂点位于环梁中心线400 mm处，还将产生约2.1 kN·m的扭矩线荷载。

3.2 风荷载

结构强度设计采用基于重现期为100年的风速50 m／s的风荷载，结构位移计算采用基于重现期为50年的风荷载。鉴于结构超高，几何形态复杂，幕墙结构的风荷载通过风洞试验确定，每层水平环梁考虑均布压力、均布吸力、不平衡风力4种典型工况，如图7所示。

3.3 地震作用

本工程的抗震设防烈度为7度（0.10 g），场地类别为Ⅳ类，特征周期0.9 s。幕墙支撑结构按中震弹性设计，相应的水平地震影响系数最大值为0.23，竖向地震影响系数取水平地震作用的65%［4］。

图7 幕墙支撑结构风荷载工况类型Fig.7 Wind load of the CWSS

3.4 温度作用

幕墙支撑结构设计中考虑其与塔楼存在±30℃的温差效应。

4 结构分析

4.1 静力分析

4.1.1 径向支撑受力分析

径向支撑主要承受由温度作用和风荷载产生的轴力并将其传递至主体结构。角部的径向支撑温度作用引起的轴力为375～474 kN，远大于风荷载作用下的轴力（图8），成为角部径向支撑强度设计的控制因素。

其余位置径向支撑风荷载作用下的轴力为110～217 kN，随高度增加风荷载增大而增大；温度作用引起的轴力为108～155 kN（图8），从低区到高区随着环梁周长的缩小，径向支撑轴力逐渐增大。总体上看，对于普通位置的径向支撑，风荷载和温度作用引起的轴力共同控制其设计。

对于大多数的径向支撑而言，在风荷载及温度作用下的水平向弯矩均很小，属于结构次内力，不控制结构设计。但位于限位约束两侧长度较短的径向支撑（图8（b）），由于其线刚度较大，对支撑两端的位移差比较敏感，将产生较大的弯矩，成为设计控制荷载。另外，V口处环梁不连续，轴力无法自平衡，相应位置的径向支撑亦产生较大的弯矩。

图8 径向支撑温度作用下内力图Fig.8 Internal force distribution of the radial strut under temperature effects

4.1.2 环梁受力分析

由于径向支撑限制了环梁的自由膨胀和收缩，温度作用在环梁内部产生了较大的轴力和弯矩，温度效应引起的环梁轴力为850～1500 kN，出现在环梁平直段（图9）从低区到高区随环梁周长缩小而逐渐增大。同时，环梁在角部的曲率大，温度作用下的弯矩效应显著，2～8区环梁角部的弯矩大约为260 kN·m。而由风荷载引起的环梁轴力为100～150 kN，弯矩为104～140 kN·m；分别为温度效应的10%～25%以及45%左右，可见整个环梁的轴力和弯矩，都是由温度效应控制。

图9 温度作用下环梁内力图Fig.9 Internal force distribution of the ring beam under temperature effects

4.1.3 交叉支撑及限位受力分析

交叉支撑及限位支座的主要作用是抵抗环梁相对主体结构的扭转，这种扭转效应主要是由风和非均匀的温度作用造成。分析结果表明，交叉支撑主要由风荷载和温度作用共同控制其强度设计，温度引起的轴力为50～90 kN，风荷载引起轴力为60～100 kN，低区温度作用引起内力所占比重较大，4区以上风荷载超过温度作用成为交叉支撑设计主要控制荷载。

在均匀的温度作用下，三个限位支座将环梁分为三个相似的结构组成部分，受到的剪力较小，均不大于100 kN。在非均匀的温度作用下，限位支座两侧环梁的由于存在较大的轴力差，因而在限位支座产生较大的剪力，2～8区限位承担的支座剪力达688～875 kN。

4.2 动力分析

4.2.1 自振特性分析

求解振型时采用Ritz法，以提高求解效率。表1为幕墙支撑结构的主要振动模态，由表1可以看出，幕墙支撑结构的前几阶模态均为竖向振动，可见其竖向悬挂刚度相对较弱。

表1 幕墙支撑结构振型与周期Table 1 M odes and natural periods of the CWSS

4.2.2 地震反应分析

将幕墙支撑结构与主体结构整体建模进行地震分析计算，以考虑主体结构弹性支承效应和沿高度增加的地震效应对幕墙支撑结构竖向地震反应的影响。

分析表明幕墙支撑结构的水平向地震作用较小，在水平向幕墙支撑结构以随动主体结构运动为主，支撑结构各层水平地震力约为其重力代表值的10%。幕墙支撑结构竖向刚度较弱，竖向地震反应较大，且随幕墙悬挂高度的增加竖向地震响应呈增大趋势，高区幕墙吊杆的竖向地震轴力约为其承受重力作用的65%。

4.3 构件强度设计

拉杆为主要竖向承重构件对结构安全至关重要，在设计中都考虑到节点处两根吊杆中的一根可能失效的不利情况。基于这种设计理念，拉杆设计的最小拉力承载力不仅要大于在考虑分项系数下的总荷载的一半，同时也要大于不考虑分项系数下的总荷载。

环梁承受了由于幕墙偏心悬挂产生的扭矩，在中国《钢结构设计规范》中没有关于校核扭转、剪切、弯曲、轴向力共同作用下钢管截面承载力的明确计算方法，参照《美国钢结构施工协会手册》［5］，钢管扭转、剪切、弯曲和轴向力的作用应满足：

式中，Pr，Mr，Vr，Tr分别为构件轴力、弯矩、剪力及扭矩；Pc，Mc，Vc，Tc分别为构件抗压、抗弯及抗扭承载力。

主要杆件的截面及强度、稳定校核的应力比如表2所示。

表2 幕墙支撑结构构件规格表及应力比Table 2 Specifications of the CWSS

5 节点设计

由于幕墙系统与主体结构之间会产生较大的竖向相对变形差，幕墙与主楼的连接节点须有良好的吸收变形的能力。为此幕墙支撑结构与主体结构连接节点采用了比较特殊的构造。

（1）径向支撑与楼面结构连接节点

径向支撑与楼面结构的连接构造分为两类。一类径向支撑较长，支撑线刚度小，对其两端竖向位移差不是特别敏感，这类径向支撑与主体结构的连接采用了图10所示的铰接构造，这样径向支撑可以通过其内端的转动来吸收环梁与楼面的竖向位移差。

图10 径向支撑铰接构造Fig.10 Hinge joint details of the radial strut

另一类径向支撑较短，且外端与曲梁刚接，弯曲线刚度大，对其两端的位移差非常敏感，这类径向支撑与主体结构的连接采用了如图11所示滑动连接构造，该构造可相对楼面竖向滑动，从而可消除支撑因两端的位移差所产生的次内力。

图11 短支撑滑动节点Fig.11 Sliding joint for the short radial strut

（2）限位约束滑动构造

限位约束构造如图12所示，在环梁对应楼层设置箱形限位牛腿，环梁箱形牛腿伸入楼面限位牛腿中，并在环梁牛腿与楼面限位牛腿间设置滑板，以便于环梁相对楼面上下、前后滑动，而在环向约束环梁的位移。

图12 限位支座Fig.12 Sliding resistant block

（3）底环梁竖向伸缩节点

每区最下方的环梁与楼面结构连接节点采用了如图13所示的竖向伸缩节点。该节点连接既能为环梁提供侧向约束防止环梁在环向和径向产生较大位移，又能允许环梁与主楼之间相对自由滑动，防止底层吊杆受压。

图13 竖向伸缩节点Fig.13 Vertical sliding joint

6 结 论

上海中心外幕墙支撑结构为目前设计建造的最为复杂的幕墙支撑结构系统。

该体系的设计分析实践表明：

（1）环梁由于受到径向支撑约束，温度效应显著，为控制其设计的关键因素。角部径向支撑温度效应显著，温度作用引起的轴力控制其设计；普通位置的径向支撑，风荷载和温度作用引起的轴力共同控制其设计。不均衡温度引起的限位约束反力，控制其设计。

（2）幕墙支撑结构竖向刚度弱、竖向地震反应大，竖向地震作用下吊杆的附加轴力为其设计的控制因素。

（3）幕墙系统与主楼之间存在较大的竖向位移差，幕墙与主楼的连接节点须有良好的吸收变形的能力，以避免过大的位移差引起结构附加内力从而影响结构安全。

［1］ 丁洁民，巢斯，赵昕，等.上海中心大厦结构分析中若干关键问题［J］.建筑结构学报，2010，31（6）：122-131.Ding Jiemin，Chao Si，Zhao Xin，et al.Critical issues of structuralanalysis for the ShanghaiCenter project［J］.Journal of Building Structures，2010，31（6）：122-131.（in Chinese）

［2］ Ding JM，Li JP，He Z J，et al.Design of flexible hanging curtain wall support structure［C］.The CTBUH 9th World Congress，Shanghai，2012.

［3］ 胡殷，何志军，丁洁民.上海中心大厦幕墙支撑结构的选型分析［J］.结构工程师，2011，27（5）：1-5.Hu Yin，He Zhijun，Ding Jiemin.Selection of curtain wall support structures of Shanghai Tower［J］.Structural Engineers，2011，27（5）：1-5.（in Chinese）

［4］ 中华人民共和国建设部.GB 50011—2010建筑抗震设计规范［S］.北京：中国建筑工业出版社，2008.Ministry of Construction of the People’s Republic of China.GB 50011—2010 Code for seismic design of buildings［S］.Beijing：China Architecture and Buliding Press，2008.（in Chinese）

［5］ American Institute of Steel construction.steel construction manual［M］.13th Edition.Chicago，IL，2005.

Design of Curtain Wall Support Structure System of Shanghai Tower

HE Zhijun
（Tongji Architectural Design（Group）Co.Ltd，Shanghai200092，China）

The Shanghai tower is632-meter high with a unique design of an inner and outer“double-skin”curtain wall system.A unique flexible hanging curtain wall support structure（CWSS）was developed for outer skin.The CWSShas characteristics of heavy self-weight，complex load paths and connection details.This paper will discuss analysis and design of the CWSS briefly，including features of structural system，critical loads，structuralmechanical behaviors，and connection details between themain structure and the CWSS.The analysis and designmethod used in this paper could be a reference for the analysis and design of similar projects.

Shanghai Tower，hanging curtain wall support structure，structural system selection，structural analysis and design

2013-03-22

上海市科技攻关资助项目（09dz1207704）

*联系作者，Email：8hzj＠tjadri.com