宋偉寧 張其林

（1.上海中心大廈建設(shè)發(fā)展有限公司，上海200120；2.同濟(jì)大學(xué)，上海200092）

0 引 言

隨著我國(guó)現(xiàn)代大空間和超高層建筑的不斷發(fā)展，具有標(biāo)志性的大尺度幕墻工程也逐漸增多。大空間尺度幕墻必然要求有大尺度的支撐體系。例如，北京國(guó)家大劇院外罩幕墻大跨度橢圓形長(zhǎng)短軸桁架結(jié)構(gòu)支撐體系［1］、新保利大廈索網(wǎng)幕墻支撐體系［2］、京滬高鐵虹橋站站房西立面鋸齒形索幕墻支撐體系、上海中心大廈柔性懸掛式可滑移幕墻支撐體系等，這些幕墻支撐體系與常規(guī)的結(jié)構(gòu)體系有諸多不同，除了材料和選型，這些大尺度的支撐結(jié)構(gòu)必須適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)和幕墻本身的變形要求，同時(shí)保證幕墻的功能。

幕墻支撐體系無(wú)論其是剛性還是柔性的，都面臨著結(jié)構(gòu)本身、溫度、地震和風(fēng)載所帶來(lái)的變形問(wèn)題，而金屬構(gòu)件因溫度變化所產(chǎn)生的變形尤為顯著。除了幕墻本身需要適應(yīng)多種變形，其支撐結(jié)構(gòu)同樣要適應(yīng)這些復(fù)雜變形，對(duì)于大空間尺度的支撐體系而言，其技術(shù)要求更高。幕墻單元板塊無(wú)論是有框還是無(wú)框，因其尺度相較于幕墻體系的支撐結(jié)構(gòu)而言總是偏小的，通過(guò)縫隙和轉(zhuǎn)接的構(gòu)造設(shè)計(jì)來(lái)吸收幕墻本身的各種變形在技術(shù)上已趨于成熟。但是，處理大尺度幕墻支撐結(jié)構(gòu)對(duì)各種變形的容適性，往往比幕墻單元板塊要復(fù)雜得多，需要設(shè)置一些特殊的可動(dòng)裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)這種變形。與此同時(shí)，為了提升幕墻體系全生命周期的安全性與可靠性，要求通過(guò)跟蹤監(jiān)測(cè)來(lái)掌握這些特殊裝置的實(shí)際工作狀態(tài)，上海中心大廈外幕墻就是其中的典型案例。

近年來(lái)，結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于超高層建筑的施工和運(yùn)營(yíng)階段，如金茂大廈（421 m）［3］、廣州西塔（437.5 m）［4］、上海環(huán)球金融中心（492 m）［5］、臺(tái)北101 大廈（508 m）［6］、天津117大廈（597 m）［7］、廣州電視塔（600 m）［8］和深圳平安金融中心（600 m）［9］等。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者雖然已經(jīng)取得了一些研究成果，但針對(duì)大尺度柔性懸掛幕墻的監(jiān)測(cè)研究鮮有報(bào)道。本文針對(duì)上海中心隱蔽型滑移裝置直觀監(jiān)測(cè)的困難性，提出了簡(jiǎn)明有效的間接監(jiān)測(cè)方案，并經(jīng)優(yōu)化后應(yīng)用于工程實(shí)踐，取得了良好的實(shí)效。

1 上海中心大廈柔性懸掛式外幕墻簡(jiǎn)介

上海中心大廈主樓外幕墻采用大尺度幾何柔性懸掛式幕墻，總面積約14 萬(wàn)m2，由20 357 個(gè)單元板塊組成［10］。由于削減風(fēng)荷載和建筑造型的需要，外幕墻采用120°旋轉(zhuǎn)向上的收分設(shè)計(jì)形成幾何造形。除了塔冠外幕墻的的支撐結(jié)構(gòu)，其他分區(qū)采用上掛形式，從每區(qū)的桁架層底部自上而下懸垂下來(lái)，分區(qū)懸掛尺度除了一區(qū)均超過(guò)60 m，最高為66.65 m。每層由460 鋼吊桿、鋼環(huán)梁和徑向支撐桿件形成圍合的幾何空間結(jié)構(gòu)，幕墻單元板塊通過(guò)轉(zhuǎn)接件與支撐結(jié)構(gòu)相連接，其形態(tài)如同“玻璃筒裙”。分區(qū)幕墻懸掛支撐結(jié)構(gòu)示意圖和現(xiàn)場(chǎng)施工照片（圖1）。

2 支撐體系及滑移裝置工作機(jī)理

上海中心外幕墻旋轉(zhuǎn)收分的設(shè)計(jì)形態(tài)，使得外幕墻懸掛體系的鋼吊桿并非是垂直的，而是沿著幕墻面進(jìn)行傾斜布置，并采用一組雙桿來(lái)提高安全冗余度。幕墻自身重力在傾斜吊桿上會(huì)產(chǎn)生水平分力，平面外傾斜所產(chǎn)生的徑向水平分力由徑向撐桿承擔(dān)；平面內(nèi)所產(chǎn)生的水平分力會(huì)使得與吊桿相連的幕墻水平環(huán)梁自然產(chǎn)生水平轉(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)，而限制這一整體轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置就是平面止推支座。

由于上海中心大廈建筑高度達(dá)到632 m，建筑結(jié)構(gòu)受到強(qiáng)風(fēng)、地震、溫度變化、自身恒-活荷載和壓縮徐變等因素影響會(huì)產(chǎn)生多種復(fù)雜變形。形如“筒裙”的外幕墻工作機(jī)理必須適應(yīng)主塔結(jié)構(gòu)及其本身支撐結(jié)構(gòu)的各種變形，這種變形不僅僅出現(xiàn)在幕墻板塊之間，更在整體上反映在其大尺度支撐體系之間。根據(jù)設(shè)計(jì)分析與要求，分區(qū)外幕墻的最大張開(kāi)變形為80 mm，最大閉合變形為250 mm［11］，見(jiàn)圖2；水平伸縮能力須滿足鋼環(huán)梁的溫度變形即±50 mm［11］，且在這樣的變形過(guò)程中，幕墻體系必須保證其設(shè)計(jì)所要求的四性功能與整體穩(wěn)定。

圖1 外幕墻支撐體系和外幕墻施工安裝示意圖Fig.1 Diagram of support system for external curtain wall and installation of external curtain wall

圖2 幕墻風(fēng)-震所致豎向變形示意圖Fig.2 Diagram of vertical deformation caused by wind and earthquake on curtain wall

為了吸收支撐體系的變形，在技術(shù)設(shè)計(jì)上引入了十分獨(dú)特的滑移支座。外幕墻支撐體系滑移支座大體上可以分為五類(lèi)：①豎向滑移支座（圖3（a）和圖3（b））；②水平滑移支座（圖4（a））；③平面止推支座（圖4（b））；④平面滑移支座；⑤可偏轉(zhuǎn)鉸支座。豎向滑移支座服務(wù)于環(huán)梁的上下滑動(dòng)，限制環(huán)梁的水平移動(dòng)和扭轉(zhuǎn)；水平滑移支座服務(wù)于環(huán)梁因溫度變化的熱脹冷縮變形；平面止推支座限制環(huán)梁在水平面內(nèi)的旋轉(zhuǎn)，釋放環(huán)梁的豎向滑動(dòng)；平面滑移支座服務(wù)于一區(qū)支撐桁架東連接端的平面內(nèi)滑動(dòng)?？善D(zhuǎn)鉸支座服務(wù)于徑向撐桿內(nèi)側(cè)連接點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)；經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)優(yōu)化，最終約有1 562 個(gè)各類(lèi)特型支座服務(wù)于整個(gè)外幕墻支撐體系。

3 豎向滑移裝置的監(jiān)測(cè)方法和依據(jù)

上海中心大廈外幕墻所謂柔性懸掛是因?yàn)槠湄Q向傳力依靠25 組雙吊桿自上而下通過(guò)耳板和銷(xiāo)軸與每層鋼環(huán)梁實(shí)現(xiàn)純鉸接連接，理論上吊桿是單向受拉桿件，當(dāng)塔樓擺動(dòng)時(shí)，幕墻支撐體系會(huì)同時(shí)出現(xiàn)收拉張開(kāi)變形和受壓閉合變形兩種狀態(tài)。受拉一側(cè)即便吊桿拉力和受拉變形值較大，只要在設(shè)計(jì)允許值內(nèi)，通過(guò)轉(zhuǎn)接件連接的幕墻單元板塊及整體就不會(huì)出現(xiàn)安全問(wèn)題。而在幕墻支撐體系受壓一側(cè)，理論上通過(guò)幕墻自重產(chǎn)生的下推力大于豎向滑移支座的內(nèi)部摩阻力，就能夠?qū)崿F(xiàn)懸掛幕墻的整體閉合變形。但如果豎向滑移支座因某種原因，摩阻力增大，就會(huì)使得下移閉合變形受到阻礙。極端情況如吊桿出現(xiàn)受壓屈服，壓縮量超出幕墻單元板塊插接縫縫隙所能容許的量級(jí)時(shí)，雖然幕墻支撐體系不至于出現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全問(wèn)題，但幕墻單元板塊就會(huì)受到擠壓，幕墻受損破裂的風(fēng)險(xiǎn)就會(huì)增大。因此，上海中心大廈柔性懸掛式外幕墻狀態(tài)是否正常，有賴(lài)于這些支座的工作狀態(tài)是否健康，尤其是分區(qū)底環(huán)梁上的豎向滑移支座。由于豎向滑移支座構(gòu)造最為復(fù)雜，加工和安裝難度最大，并要求做到設(shè)計(jì)壽命內(nèi)的免維護(hù)，因而工程風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較高。

圖3 豎向滑移支座及其連接和豎向滑移支座解剖示意圖Fig.3 Diagram of vertical sliding bearing and its connection and anatomical sketch of vertical sliding connection bearing

圖4 水平滑移支座和平面止推支座示意圖Fig.4 Diagram of horizontal sliding bearing and diagram of planar thrust bearing

針對(duì)具有復(fù)雜構(gòu)造且對(duì)外幕墻整體安全性至關(guān)重要的特型滑移支座，技術(shù)評(píng)審專(zhuān)家認(rèn)為對(duì)豎向滑移支座進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)是必要的，但這種監(jiān)測(cè)沒(méi)有先例。由于豎向滑移支座作為可動(dòng)連接節(jié)點(diǎn)，其軸套與支撐環(huán)梁相整合，而滑軸與樓面鋼梁連接，包括固態(tài)潤(rùn)滑脂的摩擦副均是隱蔽型工作部件，如何直觀檢查隱蔽型支座裝置內(nèi)部滑軸是否正常目前尚無(wú)有效的工具和手段，因而必須創(chuàng)新一種簡(jiǎn)明可靠的監(jiān)測(cè)方法。通過(guò)對(duì)拉桿節(jié)點(diǎn)、轉(zhuǎn)接件、板塊插接縫構(gòu)造和壓縮導(dǎo)致失效過(guò)程的深入分析研究并以試驗(yàn)為基礎(chǔ)最終形成了如下監(jiān)測(cè)方法。

（1）每區(qū)選擇若干緊鄰?fù)谱璞茸钚〉鯒U的豎向滑移支座進(jìn)行監(jiān)測(cè)，達(dá)到風(fēng)險(xiǎn)可控和監(jiān)測(cè)方案的優(yōu)化實(shí)施（圖6（a））。

（2）通過(guò)對(duì)吊桿應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測(cè)來(lái)判斷所遴選的豎向滑移支座的工作狀態(tài)，將復(fù)雜的無(wú)法直觀監(jiān)測(cè)的難題通過(guò)間接可靠的監(jiān)測(cè)方法來(lái)解決。

（3）監(jiān)測(cè)的預(yù)警閥值通過(guò)對(duì)幕墻單元、轉(zhuǎn)接件、環(huán)梁和拉桿按照實(shí)際尺寸和安裝方式所形成的組合單元體進(jìn)行分級(jí)壓縮加載試驗(yàn)來(lái)確定，以試驗(yàn)狀態(tài)值作為閥值設(shè)定的依據(jù)（圖5（a）、圖5（b）、表1）［12］。

圖5 幕墻壓縮變形試驗(yàn)與吊桿變形和應(yīng)變圖示Fig.5 Compressive deformation experiment of curtain wall and diagram of deformation and strain of suspender

表1 試驗(yàn)吊桿位移值和受力狀態(tài)匯總Table 1 Summary of displacement values and stress states of the suspender

表2 振弦式應(yīng)變傳感器技術(shù)參數(shù)Table 2 Technical parameters of vibrating string strain sensor

（4）設(shè)定報(bào)警等級(jí)，變形量超過(guò)預(yù)警閥值，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)分級(jí)報(bào)警。

（5）選取合適的應(yīng)變計(jì)（如表面型正弦式應(yīng)變傳感器，技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2），采用有線和無(wú)線兩種數(shù)據(jù)采集模式，以覆蓋工程項(xiàng)目的建造期和營(yíng)運(yùn)期。由于施工階段在線監(jiān)測(cè)條件不具備，且不可預(yù)計(jì)因素較多，在施工階段需加密現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)頻次。

（6）對(duì)于雙吊桿組成體系，選擇先進(jìn)入屈服狀態(tài)的桿件作為監(jiān)測(cè)對(duì)象。由于雙吊桿有傾斜角，基于試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在壓縮載荷作用下左側(cè)吊桿首先進(jìn)入屈服狀態(tài)。

（7）監(jiān)測(cè)儀器設(shè)定在左側(cè)吊桿上并采用雙應(yīng)變計(jì)對(duì)稱(chēng)布置，以保證數(shù)據(jù)的可靠性。

（8）根據(jù)試驗(yàn)所獲得位移和吊桿狀態(tài)數(shù)據(jù)，設(shè)置如下報(bào)警閥值，超過(guò)閥值進(jìn)行分級(jí)報(bào)警：

①吊桿應(yīng)變達(dá)到：（A*με）二級(jí)報(bào)警（嚴(yán)重報(bào)警）；

②吊桿應(yīng)變達(dá)到：（B*με）一級(jí)報(bào)警（一般預(yù)警）；

③吊桿受拉且在設(shè)計(jì)容許值C*MP 之內(nèi)：安全；

其中，G為儀器標(biāo)準(zhǔn)系數(shù)，單位：με/Digit，或微應(yīng)變/字；f1為當(dāng)前頻率讀數(shù)；f0為初始頻率讀數(shù)。

*注：具體量值受知識(shí)產(chǎn)權(quán)保護(hù)。

（9）考慮到視覺(jué)效果，數(shù)據(jù)線沿幕墻支撐環(huán)梁鋪設(shè)，幕墻V口處設(shè)置集線箱并連接至子站，子站數(shù)據(jù)通過(guò)弱電綜合布線管路傳至總控中心的監(jiān)測(cè)平臺(tái)（圖6（b）、圖6（c））。

（10）健康監(jiān)測(cè)納入大廈總控中心監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在運(yùn)維階段實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控和預(yù)警功能，并通過(guò)其他如大樓加速度、位移指標(biāo)的實(shí)時(shí)比對(duì)，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析與評(píng)估。

圖6 二區(qū)監(jiān)測(cè)對(duì)象選擇、監(jiān)測(cè)應(yīng)變計(jì)安裝實(shí)景和健康監(jiān)測(cè)平臺(tái)系統(tǒng)Fig.6 Diagram of monitoring bearing selection in zone 2，installation of monitoring strain gauge and health monitoring system

4 監(jiān)測(cè)評(píng)估與結(jié)論

由于二區(qū)幕墻最先安裝，因而成為相應(yīng)的監(jiān)測(cè)重點(diǎn)。鋼吊桿中的應(yīng)變狀態(tài)（圖7）［13］。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)顯示：二區(qū)幕墻中三根吊桿，兩根受拉，一根受壓，受壓應(yīng)變量級(jí)較小。無(wú)論拉壓，應(yīng)力水平均處在極低水平，結(jié)構(gòu)處在安全狀態(tài)，支座工作正常。

5 結(jié) 論

（1）現(xiàn)代大空間幕墻支撐體系會(huì)借助一些特型可動(dòng)裝置來(lái)適應(yīng)各種復(fù)雜變形，幕墻及其整體的健康狀態(tài)往往與這些裝置的工作狀態(tài)密切相關(guān)。鑒于幕墻施工和運(yùn)維階段的整體安全，對(duì)關(guān)鍵性的特型裝置進(jìn)行健康監(jiān)測(cè)是必要的。

（2）對(duì)于具有大數(shù)量監(jiān)測(cè)對(duì)象的重點(diǎn)選擇可以基于結(jié)構(gòu)分析和重要性進(jìn)行判別，如對(duì)推阻比最小和先行進(jìn)入失穩(wěn)屈服狀態(tài)的構(gòu)件組群進(jìn)行監(jiān)控，以形成最優(yōu)監(jiān)測(cè)方案。

（3）對(duì)于基于多專(zhuān)業(yè)合成并執(zhí)行重要功能且具有隱蔽性的可動(dòng)裝置因難以直觀監(jiān)測(cè)，可以采用間接的測(cè)量方法。監(jiān)測(cè)過(guò)程應(yīng)覆蓋幕墻安裝和使用階段全壽命周期。

（4）監(jiān)測(cè)預(yù)警閥值若沒(méi)有判別依據(jù)可以通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)，設(shè)定報(bào)警標(biāo)準(zhǔn)。

（5）當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)積累到一定的樣本數(shù)量，可在此基礎(chǔ)上進(jìn)行大數(shù)據(jù)的分析與評(píng)估。

圖7 應(yīng)變監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)Fig.7 Strain monitoring data