建筑設(shè)計中 幕墻系統(tǒng)的估算 及構(gòu)造分析

　　根據(jù)規(guī)定，考慮幕墻為重要的持久性非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，因此幕墻的設(shè)計使用年限應(yīng)為25a，同時考慮幕墻是輕質(zhì)､薄壁的建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)與構(gòu)件，易受瞬間風(fēng)的破壞，為確保其安全使用，均應(yīng)按設(shè)計基準(zhǔn)期為50a確定，即能承受50a重現(xiàn)期可變荷載及作用的最大值，亦即能承受50年一遇的最大風(fēng)荷載作用｡

　　幕墻傳遞自重及外部荷載作用的路徑基本是：面板-連接系統(tǒng)（橫梁､結(jié)構(gòu)膠､連接件等）-支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)（立柱､拉索､構(gòu)架等）-主體結(jié)構(gòu)（梁､樓板等）｡因此，構(gòu)件的抗力或承載力由低到高的順序應(yīng)是：面材（尤其是玻璃等脆性材料）-面材與支撐系統(tǒng)的連接-支撐系統(tǒng)-支撐系統(tǒng)連接件-支撐系統(tǒng)與主體結(jié)構(gòu)的錨固連接-支承幕墻的結(jié)構(gòu)構(gòu)件｡

　　作為工程師和建筑師必須注意的是支承幕墻的結(jié)構(gòu)構(gòu)件是整個系統(tǒng)中可靠度最高的部件，所以必須在方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計中充分考慮｡結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)當(dāng)根據(jù)幕墻承包商的計算書及節(jié)點反力復(fù)核相關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強度并考慮到幕墻結(jié)構(gòu)易受瞬間荷載的特點，對于大型幕墻的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剩余強度需進(jìn)行估算或復(fù)核｡而建筑師在方案設(shè)計則應(yīng)同工程師進(jìn)行協(xié)調(diào)，合理的安放布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件的位置與尺寸｡

　　1.3 幕墻荷載與作用效應(yīng)的組合

　　在設(shè)計中起控制作用的荷載組合為：

        

　　需要注意的是在計算地震標(biāo)準(zhǔn)值時，對不同幕墻形式所取的動力放大系數(shù)βE應(yīng)當(dāng)有所不同，玻璃幕墻為3.0，石材幕墻為5.0，而其余幕墻形式則應(yīng)根據(jù)其具體裝飾主材及結(jié)構(gòu)形式選取｡

　　2. 幕墻系統(tǒng)各構(gòu)件力學(xué)分析

　　2.1 面板

　　面板為幕墻系統(tǒng)中自重及風(fēng)荷載第一傳遞部位，通常面板為矩形，對于異形及空間彎曲板材建議進(jìn)行有限元分析以確定最大主應(yīng)力，本文主要討論對于可進(jìn)行平面簡化的幕墻板材的力學(xué)分析，其基本計算條件如下：支撐條件：四邊簡支或?qū)�邊簡支；荷載效應(yīng)：水平荷載（風(fēng)荷載､地震荷載）｡

　　對于面板具體分析時采用何種計算模型，對于大多數(shù)面板基本模型為兩種簡支梁模型（單向板）和雙向板｡根據(jù)不同板材常用尺寸､受力及構(gòu)造特點，對于玻璃等脆性材料使用雙向板模型較為合適；而對于石材及金屬等材料在尺寸符合單向板假定的情況下，尤其在方案或擴(kuò)初階段進(jìn)行估算時可使用簡支梁簡化模型分析較為簡便｡

　　2.1.1 強度分析

　　單向板和雙向板，分別按（2）､（3）式計算：

　　2.1.2 剛度分析

　　對于幕墻系統(tǒng)其剛度也是必須考慮的一大重要因素，因為系統(tǒng)的剛度直接影響了幕墻系統(tǒng)平整性及氣密性，對于玻璃等脆性材料更是直接影響其強度的發(fā)揮｡對于面材來說，其剛度在一定程度上決定了其表面的平整性的保持，故必須對其進(jìn)行驗算，控制其相對變形及絕對變形｡對于普通單向幕墻面材，可按小撓度薄板變形分析，即：

　　使用單位板換算可得：

　　值得注意的是一般當(dāng)幕墻板B/L≥2時為條形板，此時由于一般幕墻板材，尤其是金屬類板材的厚度t較小，出現(xiàn)超限可能性很大，此時已經(jīng)不滿足小撓度薄板的要求，需重新按照迭代法求解｡

　　雙向板的撓度計算比較復(fù)雜，應(yīng)當(dāng)根據(jù)邊界條件進(jìn)行迭代法求解或查玻璃變形系數(shù)求得最大變形｡

　　2.1.3 需要注意的問題

　�。�1）板材使用加強筋后基本可按單向板分析，進(jìn)行強度計算時需按照剛度進(jìn)行分配彎矩，即：

　　進(jìn)行剛度計算時，應(yīng)對加強筋和板材分別使用（4）､（5）式進(jìn)行撓度計算，對結(jié)果按照串聯(lián)剛體進(jìn)行疊加，即：

　�。�2）夾芯板材截面特性的計算｡對于如鋁塑板､夾芯板此類板材進(jìn)行強度計算時，需要計算其截面特性參數(shù)，即：

　　（3）玻璃溫度應(yīng)力的計算｡由于玻璃的邊緣強度比其大面強度要低且室內(nèi)外溫差較大，應(yīng)當(dāng)驗算其溫度應(yīng)力作用下的內(nèi)力｡而其溫度應(yīng)力主要由全年溫差引起的內(nèi)部擠壓應(yīng)力和室內(nèi)外平均溫差引起的主要分布于其邊緣的應(yīng)力｡

　　2.2 橫梁

　　橫梁的受力根據(jù)不同的幕墻形式及構(gòu)件布置可能會出現(xiàn)多種受力情況，且其所受荷載的分布也會有所不同，綜合來說橫梁強度控制表達(dá)式為：

　　當(dāng)有垂直方向集中力作用時，分析中應(yīng)當(dāng)考慮橫梁的抗扭強度驗算｡同理，橫梁的剛度計算也需分兩個方向進(jìn)行，最終根據(jù)其兩個方向中最大的變形值復(fù)核其變形是否為相應(yīng)規(guī)范允許范圍｡

　　需要注意的幾個問題：①為防止受豎向荷載的橫梁出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象，最好在橫梁受集中力部位上方設(shè)置墊塊｡這樣不僅能解決應(yīng)力集中問題，也可使實際受力更加符合集中力的計算模型｡②在估算或前期設(shè)計中在對幕墻與建筑剖面估計時，由于普遍來說橫梁的尺寸小于立柱尺寸，可使用估算的立柱尺寸作為剖面設(shè)計依據(jù)｡③橫梁的受均布荷載狀況依據(jù)所處位置及構(gòu)造不同會有所變化，其荷載形式可能為三角荷載或梯形荷載，需按雙向荷載仔細(xì)劃分，確保不遺漏和重復(fù)計算荷載[10]｡④進(jìn)行抗扭剪應(yīng)力強度驗算時，應(yīng)當(dāng)注意所驗算的橫梁的截面是否為開口截面從而依據(jù)不同情況計算｡

　　2.3 立柱

　　立柱是整個幕墻系統(tǒng)最主要的豎向傳力構(gòu)件也是控制幕墻系統(tǒng)剖面的最關(guān)鍵的構(gòu)件，其力學(xué)計算模型也最為復(fù)雜｡

　　首先來看立柱的荷載工況，其主要受風(fēng)荷載（水平線荷載）､地震荷載（水平線荷載）及結(jié)構(gòu)自重荷載（垂直線荷載）作用｡

　　其次看立柱的力學(xué)計算模型，而確定計算模型的第一步就是確定立柱節(jié)點的連接方式｡一般情況立柱是通過錨固件固定于主體結(jié)構(gòu)，另一端套則接在固定于柱的芯柱上（兩立柱一般之間留有15mm伸縮縫），這樣對于立柱便產(chǎn)生了上､下兩端固定的兩種情況，在垂直及水平荷載作用下分別對應(yīng)了拉彎及壓彎兩種基本受力狀況，強度控制表達(dá)式[11]分別為拉彎（上端固定連接，下端活動連接）：

壓彎（上端活動連接，下端固定連接）：

　　同時，因垂直于幕墻平面的風(fēng)荷載及平面外地震作用在立柱內(nèi)產(chǎn)生彎矩和剪力，所以要進(jìn)行剪切強度校核，即

　　而立柱的力學(xué)計算模型也有兩大基本類型：簡支梁（圖1a）和連續(xù)梁（圖1b）｡

　　簡支梁模型是將立柱簡化為支撐在樓層構(gòu)件上的簡支梁，因其便于手算也是被廣大中小幕墻承包商及在進(jìn)行設(shè)計估算時廣泛采用的一個計算模型｡它以層高作為計算跨度也基本符合立柱的實際受力狀況，其對立柱構(gòu)造要求不高，一般的連接件及施工裝配工藝均能滿足｡從目前一些大型現(xiàn)場試驗的結(jié)果來看其偏于保守；從理論分析，以層高為跨度計算也過于保守，尤其在跨度較大時的計算結(jié)果較為不經(jīng)濟(jì)｡但簡支梁作為在方案及擴(kuò)初設(shè)計階段輔助建筑師及工程師分析建筑物剖面構(gòu)造及幕墻的附加荷載狀況時還是較為簡便且值得信賴｡而作為對幕墻系統(tǒng)進(jìn)行精確的受力狀況分析其還略顯不足及保守｡

　　連續(xù)梁模型則是根據(jù)立柱實際連接的狀況，將其簡化為多點多跨的連續(xù)梁進(jìn)行計算（一般為四點三跨及以下），此模型的計算結(jié)果較為接近工程實際狀況｡但連續(xù)梁模型對構(gòu)件及施工的要求較為嚴(yán)格，如芯柱的截面參數(shù)需大于立柱對應(yīng)值，芯柱總長度不得小于400mm且芯柱應(yīng)當(dāng)與立柱緊密接觸，此外芯柱在設(shè)計及施工時均能保證順利傳遞彎矩｡這些條件很難在幕墻設(shè)計施工中全部滿足，而任何一條的缺失都會導(dǎo)致模型的誤差從而影響計算結(jié)果｡而在連續(xù)梁基礎(chǔ)上根據(jù)幕墻立柱實際連接狀況發(fā)展的多跨鉸接連續(xù)梁模型（圖1c）時較能反映立柱實際受力狀況｡此模型將立柱的連接處及其與不同構(gòu)件的連接處理為鉸連接，從而形成多跨鉸鏈梁｡

    此模型能較好的模擬立柱的實際工作狀況且一般的施工及構(gòu)件也均能滿足｡但其計算較為復(fù)雜，一般要驗算三個控制截面，若不等跨還須逐跨分析｡所以大部分幕墻公司均采用有限元計算軟件處理如Robot97等進(jìn)行處理｡

　　在進(jìn)行建筑設(shè)計估算分析時，結(jié)構(gòu)工程師也可根據(jù)實際節(jié)點狀況進(jìn)行簡化后使用PKPM軟件部分功能如PK或TAT進(jìn)行初步分析，但是需注意在PK和TAT計算時需手動輸入截面參數(shù)且必須對壓彎構(gòu)件復(fù)核穩(wěn)定條件｡

綜上所述在建筑方案設(shè)計階段可以按照簡支梁模型進(jìn)行初步分析，在條件需要時，可以用PKPM軟件進(jìn)行簡單的有限元分析以確定幕墻系統(tǒng)在剖面中的控制尺寸和估計支座反力的大小及方向｡

　　2.4 連接件

　　連接件所受荷載主要根據(jù)各計算中支座反力決定，一般來說螺栓為連接件的主要受力構(gòu)件｡計算時需根據(jù)支座反力按照水平及垂直方向?qū)⒎戳�集中至平面�?nèi)受力點，并將其按照力平移法則移至螺栓群的中心點｡再根據(jù)平后產(chǎn)生的彎矩及其水平､垂直方向分力，分析最不利受力狀況的螺栓并校核其抗剪強度[9]｡對與主結(jié)構(gòu)連接的構(gòu)件，需確定最危險截面進(jìn)行驗算；對埋入構(gòu)件驗算時，需采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行｡

　　其他形式的各類連接受力構(gòu)件應(yīng)當(dāng)根據(jù)布置狀況選定相應(yīng)的計算方式并進(jìn)行校核｡上述分析主要針對框架類（含單元式）的幕墻系統(tǒng)，對于點支､拉索式及大變形等幕墻系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)使用專業(yè)有限元軟件進(jìn)行分析｡

　　在建筑設(shè)計尤其是方案及擴(kuò)初階段對幕墻系統(tǒng)進(jìn)行力學(xué)分析，其主要目的：①確定面材的分格能否滿足建筑師的要求｡②確定大致的剖面，以便建筑師及各工種工程師進(jìn)行布置｡

　　主要計算集中在面材及立柱上，面材因為主要由風(fēng)荷載控制，采用本文的分析思路基本可以確定其尺寸｡立柱分析時建議使用簡支梁模型，因為雖然其計算誤差較大（一般約大20%）但其偏保守，有一定余量便于施工圖及施工過程中調(diào)整｡只有在方案階段需要詳細(xì)設(shè)計剖面時，可以采用軟件分析｡

　　在施工圖階段，主要是詳細(xì)了解幕墻系統(tǒng)對主結(jié)構(gòu)的反力的大小及方向，此時應(yīng)當(dāng)與專業(yè)幕墻公司進(jìn)行配合或采用專業(yè)軟件進(jìn)行分析｡

　　（1）框架式幕墻：為一般高層中常用的幕墻系統(tǒng)，由豎框或橫梁安裝在主體結(jié)構(gòu)上，再安裝橫梁或豎框，最后固定板材或玻璃｡此種幕墻可有全框､隱框､半隱框等多種形式｡其節(jié)點構(gòu)造一般較為簡單，主要的密封形式一般采用泡沫填縫條加密封膠實現(xiàn)，不同材質(zhì)板材的交接主要通過橫梁或橫向連接構(gòu)件轉(zhuǎn)換完成，收邊一般采用單方向延長板材解決｡

　�。�2）單元式幕墻：為獨立單元組合而成，板材､玻璃､立柱及橫梁間安裝在工廠內(nèi)完成，總體組裝在現(xiàn)場完成｡單元式幕墻是在國外廣泛采用的一種幕墻體系，其質(zhì)量控制及檢驗較容易控制，密封性能也較好｡單元式幕墻的連接及節(jié)點均由專用構(gòu)件完成，但需注意安裝時對平整度的控制｡

　�。�3）點支式幕墻：主要為玻璃幕墻，其主要通過駁接件連接玻璃，并通過拉桿或拉索等豎向傳力｡其節(jié)點構(gòu)造主要使用密封膠及專用駁接件｡

　�。�4）石材干掛類幕墻系統(tǒng)：石材干掛是通過背栓等連接件將石材與立柱龍骨等主受力構(gòu)件連接｡由于此類幕墻自重較大且石材和金屬構(gòu)件通過粘結(jié)膠連接，所以對于構(gòu)件質(zhì)量有著嚴(yán)格要求｡粘膠劑必須使用專用石材干掛膠，而所有連接件必須使用304不銹鋼或7075鋁合金構(gòu)件｡

　　由于幕墻系統(tǒng)目前的主要設(shè)計和施工均由專業(yè)的幕墻承包商完成，而幕墻系統(tǒng)的質(zhì)量直接影響了建筑物本身的外立面表現(xiàn)效果和使用功能｡所以建筑師和工程師必須對其質(zhì)量關(guān)鍵控制點注意｡

　　建筑師需仔細(xì)研究幕墻承包商的板材劃分，做到既經(jīng)濟(jì)合理又能充分體現(xiàn)原來的設(shè)計意圖｡當(dāng)然建筑師在設(shè)計時最好也能依據(jù)模數(shù)進(jìn)行分割｡同時建筑師還需仔細(xì)研究其各類節(jié)點，確保各交界處及收邊處的效果不破壞整體裝飾效果以及防水､節(jié)能等的功能實現(xiàn)｡

　　結(jié)構(gòu)工程師需要對幕墻承包商提供的計算書進(jìn)行檢查，主要對其計算模型進(jìn)行校核，同時檢查其是否對剛度進(jìn)行了校核以及對壓彎構(gòu)件穩(wěn)定性的驗算｡在幕墻設(shè)計中應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)剛度優(yōu)于強度的原則，因為剛度不足會導(dǎo)致其節(jié)點變形過大從而影響其防水等功能的實現(xiàn)｡結(jié)構(gòu)工程師還應(yīng)當(dāng)仔細(xì)閱讀承包商提供的反力圖和預(yù)埋件圖，確保在結(jié)構(gòu)設(shè)計時不遺漏荷載，同時做好相應(yīng)主結(jié)構(gòu)構(gòu)造處理｡

　　暖通工程師應(yīng)當(dāng)注意不同幕墻系統(tǒng)對中央空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷的影響｡給排水和電氣工程師應(yīng)當(dāng)注意幕墻系統(tǒng)對立面排水和防雷接地的實現(xiàn)｡