淺析幕墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì) 及玻璃撓度計(jì)算 的重要意義

    隨著大跨度空間建筑幕墻迅猛發(fā)展， 現(xiàn)代建筑的奇異造型使得幕墻結(jié)構(gòu)變得越來(lái)越復(fù)雜。 因此， 以大跨度鋼結(jié)構(gòu)、 索結(jié)構(gòu)、 玻璃結(jié)構(gòu)及其組合結(jié)構(gòu)等高難度的幕墻結(jié)構(gòu)型式在幕墻設(shè)計(jì)中得到全方位應(yīng)用。 無(wú)論是傳統(tǒng)的框架式玻璃幕墻，還是大跨度的點(diǎn)支式玻璃幕墻以及單元式玻璃幕墻， 結(jié)構(gòu)在幕墻設(shè)計(jì)中的地位日顯突出， 尤其是幕墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)已成為設(shè)計(jì)中關(guān)鍵環(huán)節(jié)， 同時(shí)玻璃幕墻撓度計(jì)算也顯得更加的重要。 筆者根據(jù)十幾年來(lái)主持和參與的多項(xiàng)會(huì)展中心、 商務(wù)樓幕墻工程實(shí)踐， 就幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和玻璃撓度計(jì)算方面談一些認(rèn)識(shí)。

    一、 幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性

    首先由于幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全可靠性直接關(guān)系到建筑外立面美觀和人民生命財(cái)產(chǎn)安全， 歷來(lái)是審慎解決的重大問(wèn)題； 其次幕墻結(jié)構(gòu)的安全可靠設(shè)計(jì)也是一個(gè)國(guó)家綜合性經(jīng)濟(jì)政策問(wèn)題； 第三實(shí)際上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是選擇一種安全與經(jīng)濟(jì)相對(duì)的最佳平衡。 因此政府、 社會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)極為重視，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)責(zé)任重大； 第四作為一個(gè)從事建筑幕墻設(shè)計(jì)的技術(shù)人員， 應(yīng)對(duì)幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)承擔(dān)義不容辭的責(zé)任。

    二、 幕墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的涵義

    人們往往片面地理解幕墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)， 認(rèn)為其主要是用于一些大的原則， 如確定結(jié)構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)布置等。 其實(shí)， 在設(shè)計(jì)中任何地方都離不開(kāi)科學(xué)的概念做指導(dǎo)。

    1、意義

    概念設(shè)計(jì)一般指不經(jīng)精密計(jì)算， 尤其在一些難以做出精確理性分析或在規(guī)范中難以規(guī)定的問(wèn)題中， 依據(jù)幕墻整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、 結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理和工程經(jīng)驗(yàn)所獲得的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思路， 從整體的角度來(lái)確定幕墻結(jié)構(gòu)的總體布置和細(xì)部構(gòu)造措施的宏觀控制。 運(yùn)用概念性近似估算方法， 可以在幕墻設(shè)計(jì)的方案階段迅速、 有效地對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行構(gòu)思、 比較與選擇， 易于快捷計(jì)算。 所得結(jié)構(gòu)方案往往概念清晰、 定性正確， 避免后期設(shè)計(jì)階段一些不必要的繁瑣運(yùn)算， 具有較好的安全可靠和經(jīng)濟(jì)合理性。同時(shí)， 也是判斷計(jì)算機(jī)內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)正確與否的主要依據(jù)。

    2、幕墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的主要內(nèi)容

    （1） 合理選擇結(jié)構(gòu)方案

    一個(gè)成功的設(shè)計(jì)必須選擇一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)方案， 即要選擇一個(gè)切實(shí)可行的結(jié)構(gòu)型式和結(jié)構(gòu)體系。 結(jié)構(gòu)體系應(yīng)受力明確， 傳力簡(jiǎn)捷， 同一結(jié)構(gòu)單元不宜混用不同結(jié)構(gòu)體系， 力求平面和豎向規(guī)則。 必須對(duì)建筑師設(shè)計(jì)要求、 幕墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料供應(yīng)、 施工條件等情況進(jìn)行綜合分析， 并與設(shè)計(jì)院建筑、 結(jié)構(gòu)等專(zhuān)業(yè)充分協(xié)商， 在此基礎(chǔ)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)選型， 確定結(jié)構(gòu)方案， 必要時(shí)還應(yīng)進(jìn)行多方案比較， 擇優(yōu)選用。

    （2） 選用恰當(dāng)?shù)挠?jì)算簡(jiǎn)圖

    結(jié)構(gòu)計(jì)算是在計(jì)算簡(jiǎn)圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行的， 計(jì)算簡(jiǎn)圖選用不當(dāng)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全的事故屢有發(fā)生，因此選擇恰當(dāng)?shù)挠?jì)算簡(jiǎn)圖是保證結(jié)構(gòu)安全的重要條件。 計(jì)算簡(jiǎn)圖還應(yīng)有相應(yīng)的構(gòu)造措施來(lái)保證。實(shí)際結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)不可能是純粹的剛結(jié)或鉸結(jié)點(diǎn)，但與計(jì)算簡(jiǎn)圖的誤差應(yīng)在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)。

    （3） 審慎分析計(jì)算結(jié)果

    在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中普遍采用計(jì)算機(jī)技術(shù)， 但由于目前軟件種類(lèi)繁多， 不同軟件往往會(huì)導(dǎo)致不同的計(jì)算結(jié)果。 因此設(shè)計(jì)師應(yīng)對(duì)程序的適用范圍、 技術(shù)條件等全面了解。 軟件本身有缺陷均會(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果， 此外要正確輸入合理的計(jì)算參數(shù)，因而要求結(jié)構(gòu)工程師在拿到電算結(jié)果時(shí)應(yīng)認(rèn)真分析， 慎重校核， 做出合理判斷。 設(shè)計(jì)師的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)還是不可缺少的。

    （4） 采取相應(yīng)的構(gòu)造措施

    加強(qiáng)薄弱部位設(shè)計(jì)， 特別注意結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)是否設(shè)計(jì)可靠， 尤其是不要遺漏鋼結(jié)構(gòu)焊縫、 耳板、 銷(xiāo)軸、 連接板的設(shè)計(jì)計(jì)算。 必要時(shí)需考慮溫度應(yīng)力的影響。 除此之外， 還應(yīng)注意綜合考慮多道防線設(shè)計(jì)， 盡量避免薄弱點(diǎn)的出現(xiàn)， 以及正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算等等。

    3、幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮因素及一般步驟

    （1） 首先對(duì)幕墻面板布置及其分格 （一般由建筑師提出并全面熟悉設(shè)計(jì)院圖紙）。 了解并熟悉幕墻后面主體結(jié)構(gòu)支承情況 （樓層及梁柱、 屋面結(jié)構(gòu)等）； 了解主體結(jié)構(gòu)對(duì)幕墻的邊界條件 （特別對(duì)索結(jié)構(gòu)）， 以及建筑師及業(yè)主對(duì)幕墻結(jié)構(gòu)型式的要求。

    （2） 根據(jù)各種結(jié)構(gòu)型式受力特點(diǎn)、 適用條件、經(jīng)濟(jì)合理性、 與幕墻的匹配性等因素來(lái)確定是采用鋼結(jié)構(gòu)、 索結(jié)構(gòu)、 玻璃結(jié)構(gòu)、 單桿結(jié)構(gòu)、 桁架結(jié)構(gòu)還是組合結(jié)構(gòu)。

    4、幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中值得重視的問(wèn)題

    （1） 根據(jù)規(guī)范規(guī)定及各種結(jié)構(gòu)型式特點(diǎn)合理確定結(jié)構(gòu)型式， 切忌為滿(mǎn)足業(yè)主及建筑師的要求，而無(wú)原則的一味遷就。

    （2） 幕墻是懸掛在主體建筑上的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，幕墻結(jié)構(gòu)僅承受幕墻本身受到的荷載， 不能承受主體建筑傳來(lái)的荷載。 而幕墻結(jié)構(gòu)所承受的荷載必須通過(guò)連接傳給主體建筑， 并且應(yīng)該適應(yīng)主體建筑的變形。

    （3） 不能盲目追求使用索結(jié)構(gòu)， 特別是單索，使用索結(jié)構(gòu)對(duì)邊界條件要求高， 設(shè)計(jì)院往往未考慮予拉力荷載。

    （4） 應(yīng)重視鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn) （ 耳板 、 銷(xiāo)軸 、焊縫的計(jì)算等） 的可靠性， 及有框幕墻及石材在主體結(jié)構(gòu)的連接件 （如預(yù)埋件、 螺栓、 角碼） 的連接牢固。

    （5） 隱框幕墻設(shè)計(jì)要謹(jǐn)慎 ， 玻璃下設(shè)托條 ，結(jié)構(gòu)膠設(shè)計(jì)計(jì)算及質(zhì)量要有可靠保證。

    （6） 鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計(jì)算時(shí)要考慮撓度 、 長(zhǎng)細(xì)比及平面外穩(wěn)定， 截面穩(wěn)定性計(jì)算需進(jìn)行人工校核。

    （7） 應(yīng)明確各種荷載傳遞路徑與結(jié)構(gòu)體系中各桿件所擔(dān)負(fù)功能。 盡量使荷載傳遞路徑簡(jiǎn)捷。

    三、 玻璃撓度的計(jì)算是幕墻結(jié)構(gòu)計(jì)算的重要內(nèi)容

    在幕墻設(shè)計(jì)時(shí)， 常涉及到撓度變形問(wèn)題。 在某一工程項(xiàng)目中，標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓達(dá)到4.7kPa，幕墻分格尺寸為 1500×2500mm，如按剛性板的公式計(jì)算，不僅材料大大增多， 而且不能做到設(shè)計(jì)可靠、 經(jīng)濟(jì)合理。 很顯然此時(shí)玻璃在風(fēng)壓作用下的彎曲變形應(yīng)為大撓度變形問(wèn)題。 為使設(shè)計(jì)符合實(shí)際情況，在該工程的玻璃撓度計(jì)算中采用了大撓度計(jì)算公式。 考慮到大撓度計(jì)算公式是經(jīng)驗(yàn)公式， 為驗(yàn)證計(jì)算的可靠性、 確保工程的安全， 按實(shí)樣進(jìn)行了玻璃撓度的測(cè)試。 同時(shí)， 工程使用了不等厚度玻璃組成的中空玻璃單元， 其外片玻璃皆采用 6mm厚玻璃， 這樣既使建筑的外觀基本無(wú)色差， 而內(nèi)片根據(jù)風(fēng)壓的不同分別采用 6mm 和 8mm 厚玻璃片， 又滿(mǎn)足了結(jié)構(gòu)要求。 對(duì)不同厚度玻璃組成的中空玻璃單元也做了玻璃撓度的測(cè)試。

    1、玻璃撓度的計(jì)算

    采用加拿大玻璃應(yīng)用規(guī)程中提供的大撓度計(jì)算公式， 與使用剛性板撓度計(jì)算公式及有關(guān)撓度折減系數(shù)方法進(jìn)行比較， 并通過(guò)玻璃撓度的實(shí)際測(cè)試來(lái)驗(yàn)證計(jì)算結(jié)果， 最終確定玻璃的選用。

（1） 四邊自由支撐矩形剛性板的撓度 u1計(jì)算:

                   u1=Φ2×q×a4／ D                                    ①

式中： u1———矩形剛性板的撓度

Φ2———矩形剛性板的最大撓度系數(shù)

q———垂直于玻璃面均布荷載

a———玻璃短邊長(zhǎng)度

D———矩形剛性板彎曲剛度

（2） 玻璃大撓度計(jì)算公式

          u2=t×E×q （ro+r1×x+r2×x2）                         ②

式中， u2———玻璃大撓度

t———玻璃厚度

x———構(gòu)件抗力計(jì)算值

E———玻璃彈性模量

ro———永久荷載分項(xiàng)系數(shù)

r1———風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)

r2———地震作用分項(xiàng)系數(shù)

    2、計(jì)算和測(cè)試結(jié)果的分析

    上述公式和有關(guān)修正系數(shù)， 對(duì)玻璃的撓度進(jìn)行了計(jì)算。 為了保證工程的安全并驗(yàn)證上述大撓度計(jì)算的可靠性， 按實(shí)際尺寸進(jìn)行了玻璃撓度的測(cè)試， 測(cè)試委托上海建筑幕墻檢測(cè)中心進(jìn)行， 試樣采用工程中實(shí)際使用的玻璃單元，分別取 6mm+13mm（空氣 ）+ 6mm、 6mm（外）+ 11mm （空氣）+ 8mm（內(nèi)）和 8mm + （外） + 11mm （空氣 ）+ 6mm（內(nèi)）各兩件進(jìn)行撓度測(cè)試。為提高測(cè)試時(shí)，玻璃短邊計(jì)算長(zhǎng)度 a =1418mm，長(zhǎng)邊計(jì)算長(zhǎng)度 b =2395mm，最大風(fēng)壓取 q =-5.0kPa，計(jì)算中q從0.0kPa按每次以-0.5kpa遞減計(jì)算，直到 -5.0kPa，玻璃單元分別為 6mm+13mm （ 空氣 ） + 6mm 和 6mm+11mm（ 空氣 ）+ 8mm 中空全鋼化玻璃單元 。對(duì)于 6mm 等厚中空玻璃單元 ， 計(jì)算厚度取為6mm×1.2=7.2mm。對(duì)于不等厚度玻璃片組成的中空玻璃單元，計(jì)算厚度取為（8mm+6mm）× 0.5×1.2 = 8.4mm。

    根據(jù)相關(guān)檢測(cè)數(shù)據(jù)， 進(jìn)行如下分析比較認(rèn)為：

    （1）厚度不同 （6mm 和 8mm） 的玻璃組成中空玻璃單元，其受載過(guò)程中，6mm 厚玻璃無(wú)論置于內(nèi)側(cè)還是外側(cè)，其撓度與8mm 厚玻璃十分接近，相差在 1％以下，測(cè)試儀表幾乎不能測(cè)定其間差別。 但實(shí)測(cè)中， 6mm 厚玻璃置于外側(cè)時(shí)， 中空玻璃單元的撓度則較小。 據(jù)此，在該工程的玻璃選用中， 中空玻璃單元室外一側(cè)玻璃片全部采用6mm 厚度， 而室內(nèi)一側(cè)則根據(jù)風(fēng)壓的不同分別選用 6mm 和 8mm 厚度的玻璃。 這樣， 既消除了建筑外立面采用不同厚度玻璃而帶來(lái)的色差問(wèn)題， 同時(shí)又滿(mǎn)足了結(jié)構(gòu)要求。

    （2） 隨著荷載的加大 ， 剛性板撓度計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生越來(lái)越大的差異， 當(dāng)風(fēng)壓達(dá)到5Kpa 時(shí)， 兩者差異達(dá) 2～3 倍。 很顯然， 隨著荷載的增加， 支座對(duì)玻璃板產(chǎn)生了中面壓力，玻璃板進(jìn)入了大撓度變形狀； 此時(shí)，剛性板的撓度計(jì)算公式不再適用。根據(jù) JGJ102-2003 玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范的規(guī)定， 作用在玻璃幕墻上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值最小應(yīng)取 1kPa，據(jù)此，不難驗(yàn)證在很多情況下，幕墻玻璃的撓度計(jì)算不能按照剛性板公式進(jìn)行。

    （3） 玻璃大撓度彎曲時(shí)，其撓度曲線隨著荷載的加大顯示一定程度收斂的趨勢(shì)，而不是無(wú)窮發(fā)散。玻璃板的支座可以視為膠塊，膠塊的應(yīng)變產(chǎn)生中面拉力。因此，要能給出玻璃大撓度變形的精確解，對(duì)支座 （膠塊） 力學(xué)特性的深入研究是十分必要的。

    （4） 不等厚度玻璃片組成的中空玻璃單元 ，在計(jì)算中厚度取為內(nèi)、外片的平均值，再乘以規(guī)范中的系數(shù) 1.2，結(jié)果表明這樣的取值有一定的合理性。 同時(shí)在實(shí)測(cè)中發(fā)現(xiàn)， 玻璃片撓度和其放置位置關(guān)系不大， 內(nèi)、 外片玻璃的撓度基本保持一致， 由此可見(jiàn)作為一個(gè)整體受力單元， 中空玻璃的力學(xué)特性還需進(jìn)一步研究， 以更好地服務(wù)于幕墻實(shí)踐。

    （5） 在設(shè)計(jì)中玻璃的選用還考慮了一定的安全余量。 由于玻璃的力學(xué)特性存在較大的離散性，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)不能代表玻璃的一般性，顯然， 更多的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是亟需的也是十分寶貴的。工程實(shí)踐證明幕墻的玻璃設(shè)計(jì)中， 當(dāng)風(fēng)壓和分格尺寸較大時(shí)采用大撓度計(jì)算公式較為合理。由于玻璃特性的離散性， 為保證安全在具體的工程中如采用上述公式還需通過(guò)實(shí)測(cè)加以驗(yàn)證。

    四、 結(jié)束語(yǔ)

    我國(guó)工程設(shè)計(jì)人員在長(zhǎng)期的幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐中， 積累了大量有益的經(jīng)驗(yàn)， 并主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)規(guī)范、 設(shè)計(jì)手冊(cè)、 標(biāo)準(zhǔn)圖集等等。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算方法的發(fā)展， 計(jì)算機(jī)及其結(jié)構(gòu)計(jì)算程序在幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到大量地應(yīng)用。 為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了快速、 準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)計(jì)算工具。 人的設(shè)計(jì)，就是概念設(shè)計(jì)。 當(dāng)然有很多幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在諸多的缺陷， 主要原因就是在總體方案和構(gòu)造措施上未采用正確的構(gòu)思， 即未進(jìn)行概念設(shè)計(jì)所致。人們?cè)诰唧w的空間結(jié)構(gòu)體系整體研究上還有一定的局限性， 在設(shè)計(jì)過(guò)程中采用了許多假定與簡(jiǎn)化�？傊�， 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)必然會(huì)成為今后建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主流趨勢(shì)， 幕墻撓度計(jì)算也將在設(shè)計(jì)中愈加顯現(xiàn)它的魅力， 這就要求我們來(lái)共同學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)， 為建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展作出新的更大的貢獻(xiàn)。