超高层结构竖向压缩变形对单元式幕墙设计影响研究

超高层结构竖向压缩变形不可忽视，主体结构层间竖向压缩变形差会对单元式幕墙节点的竖向变形间隙预留设计产生影响吗？

与一般多高层建筑相比，超高层建筑结构的重量大，且各部分结构及受荷时间存在差异，加之混凝土材料徐变收缩等非荷载作用(对于超高层建筑而言，混凝土结构收缩徐变可达到其弹性变形的2~3倍)，超高层结构必然产生不可忽视的竖向压缩变形。

超高层建筑大多选用单元式玻璃幕墙，现行规范对单元式幕墙竖向变形预留间隙并没有明确规定，如果参考《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ 102-2003)中上、下立柱之间的预留缝隙，此值应不小于15mm。

本文以超高层工程项目为背景进行施工模拟计算，比较了不同高度超高层建筑的层间竖向压缩变形值对幕墙设计的影响

主体结构竖向压缩变形与幕墙节点竖向变形预留间隙

幕墙节点竖向变形预留间隙

以昆明某超高层项目为例，主体建筑上人高度308m，单元式幕墙单元体的竖向插接典型节点如图1所示，典型节点插接位置局部放大图见图2。

图1单元式幕墙单元体竖向插接典型节点

图2 典型节点竖向插接位置局部放大图

可见，本项目中公母框竖向变形间隙预留为25mm。此单元体幕墙竖框高度为4.1m，这就意味着每4.1m单元体幕墙有一个25mm的竖向预留间隙。

需要说明的是，单元体幕墙竖向变形预留间隙完全用于适应单元体幕墙安装后的各单元体板块间的竖向变形差，而不用于调节主体结构本身的施工误差。

也就是说，在进行竖向变形预留间隙计算时，只需要考虑幕墙单元体安装完成后所发生的竖向压缩变形量，而且是层间竖向压缩变形量的差值。

主体结构竖向压缩变形对幕墙节点竖向预留间隙设计的影响

主体结构竖向压缩变形过程施工模拟示意可参见图3。图中，d表示第i层柱在第i+j-1层荷载作用下竖向压缩量。例如d13为第一层柱在第三层荷载作用下竖向压缩量；d31为第三层柱在第三层荷载作用下竖向压缩量。

图3 主体结构竖向压缩变形过程施工模拟

以图3的第二层柱为例，第二层柱在第6步的高度变为H2+d11-d21-d22，假定第二层的幕墙是在第4步进行安装，即安装时幕墙的高度为H2+d11-d21，则主体结构竖向压缩变形差为(H2+d11-d21-d22)-(H2+d11-d21)=-d22。d22就是幕墙节点竖向变形预留间隙的最小尺寸。

2 竖向压缩变形对幕墙设计影响分析

2.1 项目概况

苏州某超高层项目由一幢137层塔楼及8层裙房组成，主体建筑上人高度598m，塔楼与裙房在地面以上用抗震缝分开，形成独立的抗震单元。项目建筑效果见图4，塔楼典型楼层平面布置见图5。

根据建筑功能要求，结构30层以下标准层层高4.4m，30~100层的标准层层高3.8m，100层以上标准层层高3.75m，最大层高约7m(首层以及避难层)。

2.2 计算模型

采用SAP2000软件进行施工模拟计算，计算模型如图6所示。按照7度(设计基本地震加速度值为0.10g)进行抗震设计。

图6 苏州某超高层建筑塔楼结构计算模型

巨柱和核心筒墙体混凝土均采用壳单元模拟，型钢梁柱均采用梁单元模拟，混凝土楼板及钢板采用壳单元模拟。

基于研究目的，进行了如下简化：1) 模型中仅保留至主体建筑上人高度(598m)；2) 模型中对结构荷载进行了标准层归并，仅定义结构自重、附加恒载和幕墙荷载，以便于定义施工模拟工况。

徐变和收缩计算参数采用规范《CEB-FIP MODEL CODE 1990》进行。

2.3 荷载取值及施工模拟顺序定义

在进行施工模拟计算时，考虑如下荷载：

(1) 恒荷载：包括结构自重、楼面附加恒荷载、单元式幕墙立面自重；(2) 楼面活荷载：包括办公室区、核心筒机电区、设备层区；(3) 风荷载：基本风压(100年一遇)。

为了完成结构的施工模拟计算，假定4层为一组，核心筒施工先行，外框架施工比核心筒施工滞后4层(20d)，混凝土板浇筑比外框架施工滞后4层(20d)，装修施工比混凝土板浇筑滞后8层(40d)，幕墙安装比装修施工滞后16层(80d)。

根据已有试验结果，混凝土大部分徐变和收缩会在施工完成后两年以内完成。因此，本文以整个结构施工完成后两年作为计算时间点。

2.4 柱顶变形时程曲线

图7为第68层边柱顶变形时程曲线，可见，在结构施工完成两年后，混凝土徐变和收缩已完成大部分。

图7 第68层边柱顶变形时程

2.5 总竖向压缩变形

图8为施工完成两年后，结构各楼层框架边柱柱顶的总竖向压缩变形，此变形由弹性变形、徐变变形及收缩变形三部分组成。

图8 框架柱顶总竖向压缩变形

由图可见，结构总竖向压缩变形最大值为104mm，沿结构高度方向呈现两边小中间大的特征；徐变变形所占比重较大，基本达到总竖向压缩变形的50%。经计算，边柱、角柱的总竖向压缩变形基本一致，可见，总竖向压缩变形在每一层楼面分布均相对均匀。

层间竖向压缩变形差

在单元式幕墙竖向插接节点设计中，与竖向变形预留间隙有直接关系的应为层间竖向压缩变形差。

<>幕墙安装前的主体结构变形会在幕墙安装过程中通过单元体与预埋件之间的节点构造进行调节，因此在计算层间竖向压缩变形差时，应减去幕墙安装前主体结构已发生的竖向压缩变形(图3)。

图9为施工完成两年后，结构边柱各层竖向压缩变形差(为了避免不同层高的影响，将层间竖向压缩变形差平均为每延米楼层变形)，此结果已扣除幕墙安装前主体结构竖向压缩变形，同样图中竖向压缩变形差由弹性变形差、徐变变形差、收缩变形差三部分组成。

图9边柱层间竖向压缩变形差

由图可见，结构层间竖向压缩变形差最大值为首层；徐变变形差所占比重较大。可知，由重力荷载、混凝土收缩、徐变等因素影响引起的结构层间竖向压缩变形差较小，最大值仅为0.523mm/m，考虑层高7m，其层间总竖向变形差仅为3.7mm。

分别补充考虑风荷载、温度作用的层间竖向变形差的计算，计算结果表明，由风荷载引起的结构层间竖向压缩变形差约为0.15mm/m，考虑层高7m，则由风荷载引起的层间总竖向变形差为1mm；考虑温差40℃作用，即使认为幕墙龙骨发生自由变形，其层间竖向变形差也仅为5mm左右。

综上所述，考虑上述所有因素，理论上结构层间总竖向变形差应在10mm以内。按照经验预留的单元体插接节点位置的间隙尺寸(对于超高层建筑，此间隙通常在20mm以上)应完全可以满足上述竖向压缩变形的需求。

3 不同高度的超高层建筑竖向压缩变形对幕墙设计影响分析

基于上述类似方法，对与苏州某超高层项目结构形式类似的两座超高层建筑(包括一座100m超高层建筑，一座230m某超高层项目)进行施工模拟计算，结构类型均框架-核心筒结构，均按照7度(设计基本地震加速度值为0.10g)进行抗震设计。

分析结果表明，竖向压缩变形差随建筑高度增加略有增大，但增加不大(100m超高层建筑层间竖向压缩变形差为0.44mm/m，230m超高层建筑层间竖向压缩变形差为0.47mm/m，而598m苏州某超高层建筑层间竖向压缩变形差为0.523mm/m)。由重力荷载、混凝土收缩、徐变等因素影响引起的结构层间竖向压缩变形差均较小(即使计入风荷载及温度作用下层间竖向变形差，层间总竖向变形差理论上不会超过2mm/m，通常建筑标准层层高4.5m左右，这就意味着层间总竖向变形差应在10mm以内)。故按照经验预留的单元体插接节点位置的竖向变形预留间隙尺寸(对于超高层建筑，此间隙通常在20mm以上)应完全可以满足上述竖向压缩变形的需求。

(1) 在单元式幕墙竖向插接节点设计中，与竖向变形预留间隙尺寸有直接关系的为层间竖向压缩变形差。

(2) 每延米层间竖向变形差的理论值随建筑高度增加而略有增加，但增加幅度不大。

(3) 一般情况下，按照经验预留的单元体插接节点位置的竖向变形预留间隙尺寸(对于超高层建筑，此间隙应在20mm以上)应完全可以满足上述竖向压缩变形的需求。对于层高较大或跃层单元式幕墙等情况，需在设计中专门考虑。

需要说明的是：(1) 混凝土徐变和收缩变形对结构竖向总压缩变形均有一定影响，但由于徐变和收缩变形固有的离散性、模型的误差以及由材料性质和环境的随机性使得其计算可能有一定的误差，因此需要对分析结果考虑一定的安全系数，不可完全参照理论计算结果进行幕墙节点设计。(2) 本文的结论是基于考虑幕墙龙骨与主体结构框架紧密连接的情况得到的，如果幕墙龙骨安装在主体结构伸出的挑梁等位置，则需额外考虑挑梁等位置的变形影响。对于特殊的幕墙支承体系，建筑竖向压缩变形对幕墙设计的影响可能较大，需要进行专项分析。且本文未考虑地震作用引起的超高层建筑竖向压缩变形对幕墙设计的影响。