宋伟宁 张其林

（1.上海中心大厦建设发展有限公司，上海200120；2.同济大学，上海200092）

0 引 言

随着我国现代大空间和超高层建筑的不断发展，具有标志性的大尺度幕墙工程也逐渐增多。大空间尺度幕墙必然要求有大尺度的支撑体系。例如，北京国家大剧院外罩幕墙大跨度椭圆形长短轴桁架结构支撑体系［1］、新保利大厦索网幕墙支撑体系［2］、京沪高铁虹桥站站房西立面锯齿形索幕墙支撑体系、上海中心大厦柔性悬挂式可滑移幕墙支撑体系等，这些幕墙支撑体系与常规的结构体系有诸多不同，除了材料和选型，这些大尺度的支撑结构必须适应主体结构和幕墙本身的变形要求，同时保证幕墙的功能。

幕墙支撑体系无论其是刚性还是柔性的，都面临着结构本身、温度、地震和风载所带来的变形问题，而金属构件因温度变化所产生的变形尤为显著。除了幕墙本身需要适应多种变形，其支撑结构同样要适应这些复杂变形，对于大空间尺度的支撑体系而言，其技术要求更高。幕墙单元板块无论是有框还是无框，因其尺度相较于幕墙体系的支撑结构而言总是偏小的，通过缝隙和转接的构造设计来吸收幕墙本身的各种变形在技术上已趋于成熟。但是，处理大尺度幕墙支撑结构对各种变形的容适性，往往比幕墙单元板块要复杂得多，需要设置一些特殊的可动装置来实现这种变形。与此同时，为了提升幕墙体系全生命周期的安全性与可靠性，要求通过跟踪监测来掌握这些特殊装置的实际工作状态，上海中心大厦外幕墙就是其中的典型案例。

近年来，结构健康监测技术已广泛应用于超高层建筑的施工和运营阶段，如金茂大厦（421 m）［3］、广州西塔（437.5 m）［4］、上海环球金融中心（492 m）［5］、台北101 大厦（508 m）［6］、天津117大厦（597 m）［7］、广州电视塔（600 m）［8］和深圳平安金融中心（600 m）［9］等。目前，国内外学者虽然已经取得了一些研究成果，但针对大尺度柔性悬挂幕墙的监测研究鲜有报道。本文针对上海中心隐蔽型滑移装置直观监测的困难性，提出了简明有效的间接监测方案，并经优化后应用于工程实践，取得了良好的实效。

1 上海中心大厦柔性悬挂式外幕墙简介

上海中心大厦主楼外幕墙采用大尺度几何柔性悬挂式幕墙，总面积约14 万m2，由20 357 个单元板块组成［10］。由于削减风荷载和建筑造型的需要，外幕墙采用120°旋转向上的收分设计形成几何造形。除了塔冠外幕墙的的支撑结构，其他分区采用上挂形式，从每区的桁架层底部自上而下悬垂下来，分区悬挂尺度除了一区均超过60 m，最高为66.65 m。每层由460 钢吊杆、钢环梁和径向支撑杆件形成围合的几何空间结构，幕墙单元板块通过转接件与支撑结构相连接，其形态如同“玻璃筒裙”。分区幕墙悬挂支撑结构示意图和现场施工照片（图1）。

2 支撑体系及滑移装置工作机理

上海中心外幕墙旋转收分的设计形态，使得外幕墙悬挂体系的钢吊杆并非是垂直的，而是沿着幕墙面进行倾斜布置，并采用一组双杆来提高安全冗余度。幕墙自身重力在倾斜吊杆上会产生水平分力，平面外倾斜所产生的径向水平分力由径向撑杆承担；平面内所产生的水平分力会使得与吊杆相连的幕墙水平环梁自然产生水平转动趋势，而限制这一整体转动的装置就是平面止推支座。

由于上海中心大厦建筑高度达到632 m，建筑结构受到强风、地震、温度变化、自身恒-活荷载和压缩徐变等因素影响会产生多种复杂变形。形如“筒裙”的外幕墙工作机理必须适应主塔结构及其本身支撑结构的各种变形，这种变形不仅仅出现在幕墙板块之间，更在整体上反映在其大尺度支撑体系之间。根据设计分析与要求，分区外幕墙的最大张开变形为80 mm，最大闭合变形为250 mm［11］，见图2；水平伸缩能力须满足钢环梁的温度变形即±50 mm［11］，且在这样的变形过程中，幕墙体系必须保证其设计所要求的四性功能与整体稳定。

图1 外幕墙支撑体系和外幕墙施工安装示意图Fig.1 Diagram of support system for external curtain wall and installation of external curtain wall

图2 幕墙风-震所致竖向变形示意图Fig.2 Diagram of vertical deformation caused by wind and earthquake on curtain wall

为了吸收支撑体系的变形，在技术设计上引入了十分独特的滑移支座。外幕墙支撑体系滑移支座大体上可以分为五类：①竖向滑移支座（图3（a）和图3（b））；②水平滑移支座（图4（a））；③平面止推支座（图4（b））；④平面滑移支座；⑤可偏转铰支座。竖向滑移支座服务于环梁的上下滑动，限制环梁的水平移动和扭转；水平滑移支座服务于环梁因温度变化的热胀冷缩变形；平面止推支座限制环梁在水平面内的旋转，释放环梁的竖向滑动；平面滑移支座服务于一区支撑桁架东连接端的平面内滑动。可偏转铰支座服务于径向撑杆内侧连接点的转动；经过设计优化，最终约有1 562 个各类特型支座服务于整个外幕墙支撑体系。

3 竖向滑移装置的监测方法和依据

上海中心大厦外幕墙所谓柔性悬挂是因为其竖向传力依靠25 组双吊杆自上而下通过耳板和销轴与每层钢环梁实现纯铰接连接，理论上吊杆是单向受拉杆件，当塔楼摆动时，幕墙支撑体系会同时出现收拉张开变形和受压闭合变形两种状态。受拉一侧即便吊杆拉力和受拉变形值较大，只要在设计允许值内，通过转接件连接的幕墙单元板块及整体就不会出现安全问题。而在幕墙支撑体系受压一侧，理论上通过幕墙自重产生的下推力大于竖向滑移支座的内部摩阻力，就能够实现悬挂幕墙的整体闭合变形。但如果竖向滑移支座因某种原因，摩阻力增大，就会使得下移闭合变形受到阻碍。极端情况如吊杆出现受压屈服，压缩量超出幕墙单元板块插接缝缝隙所能容许的量级时，虽然幕墙支撑体系不至于出现结构安全问题，但幕墙单元板块就会受到挤压，幕墙受损破裂的风险就会增大。因此，上海中心大厦柔性悬挂式外幕墙状态是否正常，有赖于这些支座的工作状态是否健康，尤其是分区底环梁上的竖向滑移支座。由于竖向滑移支座构造最为复杂，加工和安装难度最大，并要求做到设计寿命内的免维护，因而工程风险相对较高。

图3 竖向滑移支座及其连接和竖向滑移支座解剖示意图Fig.3 Diagram of vertical sliding bearing and its connection and anatomical sketch of vertical sliding connection bearing

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

针对具有复杂构造且对外幕墙整体安全性至关重要的特型滑移支座，技术评审专家认为对竖向滑移支座进行健康监测是必要的，但这种监测没有先例。由于竖向滑移支座作为可动连接节点，其轴套与支撑环梁相整合，而滑轴与楼面钢梁连接，包括固态润滑脂的摩擦副均是隐蔽型工作部件，如何直观检查隐蔽型支座装置内部滑轴是否正常目前尚无有效的工具和手段，因而必须创新一种简明可靠的监测方法。通过对拉杆节点、转接件、板块插接缝构造和压缩导致失效过程的深入分析研究并以试验为基础最终形成了如下监测方法。

（1）每区选择若干紧邻推阻比最小吊杆的竖向滑移支座进行监测，达到风险可控和监测方案的优化实施（图6（a））。

（2）通过对吊杆应力应变状态进行监测来判断所遴选的竖向滑移支座的工作状态，将复杂的无法直观监测的难题通过间接可靠的监测方法来解决。

（3）监测的预警阀值通过对幕墙单元、转接件、环梁和拉杆按照实际尺寸和安装方式所形成的组合单元体进行分级压缩加载试验来确定，以试验状态值作为阀值设定的依据（图5（a）、图5（b）、表1）［12］。

图5 幕墙压缩变形试验与吊杆变形和应变图示Fig.5 Compressive deformation experiment of curtain wall and diagram of deformation and strain of suspender

表1 试验吊杆位移值和受力状态汇总Table 1 Summary of displacement values and stress states of the suspender

表2 振弦式应变传感器技术参数Table 2 Technical parameters of vibrating string strain sensor

（4）设定报警等级，变形量超过预警阀值，监测系统实现分级报警。

（5）选取合适的应变计（如表面型正弦式应变传感器，技术参数见表2），采用有线和无线两种数据采集模式，以覆盖工程项目的建造期和营运期。由于施工阶段在线监测条件不具备，且不可预计因素较多，在施工阶段需加密现场监测频次。

（6）对于双吊杆组成体系，选择先进入屈服状态的杆件作为监测对象。由于双吊杆有倾斜角，基于试验发现，在压缩载荷作用下左侧吊杆首先进入屈服状态。

（7）监测仪器设定在左侧吊杆上并采用双应变计对称布置，以保证数据的可靠性。

（8）根据试验所获得位移和吊杆状态数据，设置如下报警阀值，超过阀值进行分级报警：

①吊杆应变达到：（A*με）二级报警（严重报警）；

②吊杆应变达到：（B*με）一级报警（一般预警）；

③吊杆受拉且在设计容许值C*MP 之内：安全；

其中，G为仪器标准系数，单位：με/Digit，或微应变/字；f1为当前频率读数；f0为初始频率读数。

*注：具体量值受知识产权保护。

（9）考虑到视觉效果，数据线沿幕墙支撑环梁铺设，幕墙V口处设置集线箱并连接至子站，子站数据通过弱电综合布线管路传至总控中心的监测平台（图6（b）、图6（c））。

（10）健康监测纳入大厦总控中心监测系统，在运维阶段实现实时状态监控和预警功能，并通过其他如大楼加速度、位移指标的实时比对，进行数据分析与评估。

图6 二区监测对象选择、监测应变计安装实景和健康监测平台系统Fig.6 Diagram of monitoring bearing selection in zone 2，installation of monitoring strain gauge and health monitoring system

4 监测评估与结论

由于二区幕墙最先安装，因而成为相应的监测重点。钢吊杆中的应变状态（图7）［13］。监测数据显示：二区幕墙中三根吊杆，两根受拉，一根受压，受压应变量级较小。无论拉压，应力水平均处在极低水平，结构处在安全状态，支座工作正常。

5 结 论

（1）现代大空间幕墙支撑体系会借助一些特型可动装置来适应各种复杂变形，幕墙及其整体的健康状态往往与这些装置的工作状态密切相关。鉴于幕墙施工和运维阶段的整体安全，对关键性的特型装置进行健康监测是必要的。

（2）对于具有大数量监测对象的重点选择可以基于结构分析和重要性进行判别，如对推阻比最小和先行进入失稳屈服状态的构件组群进行监控，以形成最优监测方案。

（3）对于基于多专业合成并执行重要功能且具有隐蔽性的可动装置因难以直观监测，可以采用间接的测量方法。监测过程应覆盖幕墙安装和使用阶段全寿命周期。

（4）监测预警阀值若没有判别依据可以通过实验来获取相应数据，设定报警标准。

（5）当监测数据积累到一定的样本数量，可在此基础上进行大数据的分析与评估。

图7 应变监测数据Fig.7 Strain monitoring data