建筑設計中 幕墻系統(tǒng)的估算 及構造分析

　　根據(jù)規(guī)定，考慮幕墻為重要的持久性非結構構件，因此幕墻的設計使用年限應為25a，同時考慮幕墻是輕質､薄壁的建筑外圍護結構與構件，易受瞬間風的破壞，為確保其安全使用，均應按設計基準期為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､結構膠､連接件等）-支撐結構系統(tǒng)（立柱､拉索､構架等）-主體結構（梁､樓板等）｡因此，構件的抗力或承載力由低到高的順序應是：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)與主體結構的錨固連接-支承幕墻的結構構件｡

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

　　1.3 幕墻荷載與作用效應的組合

　　在設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準值時，對不同幕墻形式所取的動力放大系數(shù)βE應當有所不同，玻璃幕墻為3.0，石材幕墻為5.0，而其余幕墻形式則應根據(jù)其具體裝飾主材及結構形式選取｡

　　2. 幕墻系統(tǒng)各構件力學分析

　　2.1 面板

　　面板為幕墻系統(tǒng)中自重及風荷載第一傳遞部位，通常面板為矩形，對于異形及空間彎曲板材建議進行有限元分析以確定最大主應力，本文主要討論對于可進行平面簡化的幕墻板材的力學分析，其基本計算條件如下：支撐條件：四邊簡支或對邊簡支；荷載效應：水平荷載（風荷載､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，尤其在方案或擴初階段進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雜，應當根據(jù)邊界條件進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，進行強度計算時需按照剛度進行分配彎矩，即：

　　進行剛度計算時，應對加強筋和板材分別使用（4）､（5）式進行撓度計算，對結果按照串聯(lián)剛體進行疊加，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）玻璃溫度應力的計算｡由于玻璃的邊緣強度比其大面強度要低且室內外溫差較大，應當驗算其溫度應力作用下的內力｡而其溫度應力主要由全年溫差引起的內部擠壓應力和室內外平均溫差引起的主要分布于其邊緣的應力｡

　　2.2 橫梁

　　橫梁的受力根據(jù)不同的幕墻形式及構件布置可能會出現(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式為：

　　當有垂直方向集中力作用時，分析中應當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行，最終根據(jù)其兩個方向中最大的變形值復核其變形是否為相應規(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)局部應力集中現(xiàn)象，最好在橫梁受集中力部位上方設置墊塊｡這樣不僅能解決應力集中問題，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計依據(jù)｡③橫梁的受均布荷載狀況依據(jù)所處位置及構造不同會有所變化，其荷載形式可能為三角荷載或梯形荷載，需按雙向荷載仔細劃分，確保不遺漏和重復計算荷載[10]｡④進行抗扭剪應力強度驗算時，應當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件也是控制幕墻系統(tǒng)剖面的最關鍵的構件，其力學計算模型也最為復雜｡

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

　　其次看立柱的力學計算模型，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構，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了拉彎及壓彎兩種基本受力狀況，強度控制表達式[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荷載及平面外地震作用在立柱內產(chǎn)生彎矩和剪力，所以要進行剪切強度校核，即

　　而立柱的力學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行設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果較為不經(jīng)濟｡但簡支梁作為在方案及擴初設計階段輔助建筑師及工程師分析建筑物剖面構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)梁進行計算（一般為四點三跨及以下），此模型的計算結果較為接近工程實際狀況｡但連續(xù)梁模型對構件及施工的要求較為嚴格，如芯柱的截面參數(shù)需大于立柱對應值，芯柱總長度不得小于400mm且芯柱應當與立柱緊密接觸，此外芯柱在設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計施工中全部滿足，而任何一條的缺失都會導致模型的誤差從而影響計算結果｡而在連續(xù)梁基礎上根據(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件也均能滿足｡但其計算較為復雜，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等進行處理｡

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

綜上所述在建筑方案設計階段可以按照簡支梁模型進行初步分析，在條件需要時，可以用PKPM軟件進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件｡計算時需根據(jù)支座反力按照水平及垂直方向將反力集中至平面內受力點，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]｡對與主結構連接的構件，需確定最危險截面進行驗算；對埋入構件驗算時，需采用荷載標準值進行｡

　　其他形式的各類連接受力構件應當根據(jù)布置狀況選定相應的計算方式并進行校核｡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)應當使用專業(yè)有限元軟件進行分析｡

　　在建筑設計尤其是方案及擴初階段對幕墻系統(tǒng)進行力學分析，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行布置｡

　　主要計算集中在面材及立柱上，面材因為主要由風荷載控制，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整｡只有在方案階段需要詳細設計剖面時，可以采用軟件分析｡

　　在施工圖階段，主要是詳細了解幕墻系統(tǒng)對主結構的反力的大小及方向，此時應當與專業(yè)幕墻公司進行配合或采用專業(yè)軟件進行分析｡

　�。�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構上，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)，不同材質板材的交接主要通過橫梁或橫向連接構件轉換完成，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件連接｡由于此類幕墻自重較大且石材和金屬構件通過粘結膠連接，所以對于構件質量有著嚴格要求｡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鋁合金構件｡

　　由于幕墻系統(tǒng)目前的主要設計和施工均由專業(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量關鍵控制點注意｡

　　建筑師需仔細研究幕墻承包商的板材劃分，做到既經(jīng)濟合理又能充分體現(xiàn)原來的設計意圖｡當然建筑師在設計時最好也能依據(jù)模數(shù)進行分割｡同時建筑師還需仔細研究其各類節(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)｡

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

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