建筑幕墻抗震防災技術之探討

麥飛龍 郭 偉

圖1 全球地震發(fā)生分布帶

圖2 中國地震發(fā)生分布帶

一、概述

建筑幕墻作為建筑的外圍護結構，具有美觀、輕質 （相對于主體結構）、表達形式多異等特點，深受建筑師的喜愛，最近十年新建的商業(yè)建筑，基本上都離不開建筑幕墻。而最近幾年世界各地頻繁的地震作用，各類觸目驚心的災難場景，讓我們對進一步提高建筑幕墻的抗震能力有了更高的要求。特別是處于地震發(fā)生分布帶的地區(qū)，抗震防災責任更加重大。詳見圖1全球地震發(fā)生分布帶、圖2中國地震發(fā)生分布帶。

本文采用世界上目前抗震中成熟的反應譜理論，結合最近幾年內建筑幕墻節(jié)點的抗震構造，建筑幕墻防震抗震技術做了一個探討。

二、震害及其分析

受地震作用影響，幕墻被破壞主要有幾種形式：

1、伴隨主體結構一起被破壞，建筑幕墻作為圍護構件和主體結構應有所區(qū)別，幕墻懸掛于建筑主框架上，幕墻框架與建筑主框架牢固地連接在一起，它們同步運動，因而建筑主框架的破壞和變形必然使幕墻框架隨之變形和破壞。詳見圖3。

圖3 建筑物整體倒塌

圖4 建筑物整體倒塌

2、主體結構未破壞時，在地震作用下，幕墻框架、玻璃被破壞。

3、伸縮縫部位預留位置不夠，幕墻不能伴隨主體結構變更，橫梁和外表面玻璃被擠壓破壞。詳見圖5

三、建筑幕墻結構水平地震作用的計算

幕墻通常以鉸接的方式固定在主體結構上，地震作用對幕墻結構影響最大的就是水平地震作用。 《建筑抗震設計規(guī)范》GB50011-2010及建筑抗震設計 （第三版）重點講解利用反應譜法計算水平地震作用力，而 《玻璃幕墻工程技術規(guī)程》JGJ102-2003針對標準幕墻板塊做了簡化計算。

反應譜法適用于所有建筑結構和幕墻類型，但是計算過程相對煩瑣，而102規(guī)范所列簡化計算法，則針對大部份標準幕墻板塊，可以大大提高計算效率，但是不能解決異形幕墻在設計過程中的計算問題，因此這兩種方法在幕墻結構設計都是必須掌握的。

圖5 伸縮縫部位玻璃幕墻破壞

所謂反應譜就是指單質點體系在一定地面運動作用下，最大反應 （加速度、速度和位移）與體系自振周期的變化曲線。一般采用加速度反應譜。當?shù)玫郊铀俣确磻V后，計算結構體系自振周期，然后根據(jù)反應譜得到體系反應的最大加速度，然后乘以結構質量，得到地震作用法。

反應譜不僅可以得到單自由度結構的地震反應，還可以通過振型分解法得到多自由結構的地震反應。

反應譜法計算地震作用力公式

FEK=aG

式中G為計算質點自重，α為水平地震影響系數(shù)。

圖6 地震影響系數(shù)曲線

上圖公式中：

Tg——特征周期 （s），周期大于6s的建筑結構所采用的地震影響系數(shù)應專門研究，Tg可由表1查得。

表1

T——單質點體系自振周期 （s），按下式計算：T=2π （Gδ/g）0.5

αmax——水平地震影響系數(shù)最大值，為地震系數(shù)k和動力系數(shù)β以乘積，αmax=k×β，αmax可按表2查得。

表2

r——曲線下降段的衰減指數(shù)r=0.9+(0.05-ζ)/(0.5+6ζ)

ζ——阻尼比

η1——直線下降段的下降斜率調整系數(shù)，小于0時取0：

η1=0.02+(0.05-ζ)/（4+32ζ）

η2——阻尼調整系數(shù)，當小于0.55時，取0.55：

η2=1+(0.05-ζ)/（0.08+1.6ζ）

實際工程中，異形幕墻往往造形復雜，如果手工計算，費時費力，還容易出錯。我們往往使用計算機有限元計算，下面以同濟大學3D3S軟件為例：

第一步，先建好需要計算的模型，定義好構件屬性，詳見圖7計算模型。

圖7 計算模型

圖8 地震參數(shù)輸入

第二步，先定義好模型的恒載、活荷載、風荷載，根據(jù)工程實際情況，輸入地震作用參數(shù)，首先選擇使用規(guī)范、地震列度及設計基本地震加速度、場地類別、設計地震分組、計算振型數(shù)、阻尼比、選擇是否耦連、是否考慮豎向地震作用 （在幕墻結構里大多數(shù)情況不考慮），其他一些值軟件會自動給出，詳見圖8地震參數(shù)輸入。

第三步，點擊分項組合菜單，輸入結構重要系數(shù)，幕墻結構重要性系數(shù)一般為2級，輸入1；選中增加默認組合，系統(tǒng)會自動給出幾種常見的荷載組合方式，如果需要變更可以手動添加組合，詳見圖9組合系數(shù)輸入。

第四步，選菜單：內力分析—計算內容選擇及執(zhí)行，按工程實際情況，選擇參數(shù)，點擊計算，詳見圖10計算內容選擇。

圖9 組合系數(shù)輸入

圖10 計算內容選擇

第五步，選菜單：內力分析—地震周期查詢與振型顯示—周期查詢、周期顯示。

第六步，選擇規(guī)范、驗算、查看、出計算書。

《玻璃幕墻工程技術規(guī)程》JGJ102-2003另給出一種簡化計算法，對標準的玻璃幕墻地震水平作用力計算公式做了規(guī)定:qEAk=βE×αmax×GAK

其中:qEAk——水平地震作用標準值 （kN/m2）

βE——動力放大系數(shù),按5.0取定

αmax——（表5.3.4）水平地震影響系數(shù)最大值

其中需要注意的是需按規(guī)范取分重點設防類和特殊設防類，幕墻抗震計算時，需參考結構施工圖總說明對本建筑抗震設防分類，對應地震設防烈度和加速度。αmax值不同，得到的地震荷載qEAk就完全不一樣。

GAK——幕墻構件的自重(N/m)，普通的玻璃幕墻可按規(guī)范取0.5KN/m2取值，最近幾年對幕墻節(jié)能、隔音的要求越來越高，很多工程運用了較厚的中空玻璃、雙中空玻璃、中空夾膠玻璃，遇到這些特殊情況時，需先計算出幕墻的自重，和規(guī)范取值相比較，取大優(yōu)先。

建筑結構設計應根據(jù)使用過程中在結構上可能同時出現(xiàn)的荷載，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進行荷載 (效應)組合，并應取各自的最不利的效應組合進行設計。

幕墻構件承載力極限狀態(tài)設計時，其作用效應的組合應按下式進行：

S=γGSGK+γwψwSWK+γEψESEK

SGK——永久荷載效應標準值；

SWK——風荷載效應標準值；

SEk——地震作用效應標準值；

γG——永久荷載分項系數(shù)；

γW——風荷載分項系數(shù)；

γE——地震作用分項系數(shù)；

ψW——風荷載的組合值系數(shù)；

ψE——地震作用的組合值系數(shù)；

1、進行幕墻構件的承載力設計時，作用分項系數(shù)，按下列規(guī)定取值：

（1）一般情況下，永久荷載、風荷載和地震作用的分項系數(shù)γG、 γW、 γE應分別取1.2、 1.4和1.3；

（2）當永久荷載的效應起控制作用時，其分項系數(shù)γG應取1.35；此時，參與組合的可變荷載效應僅限于豎向荷載效應；幕墻工程多用建筑外圍護結構，按規(guī)范要求，如果風荷載計算出來小于1.0kN/m2時按1.0取值，而自重往往小于0.5kN/m2，所以幕墻結構計算時， γG很少取1.35。

（3）當永久荷載的效應對構件利時，其分項系數(shù)γG的取值不應大于1.0。

2、可變作用的組合系數(shù)應按下列規(guī)定采用：

（1）一般情況下，風荷載的組合系數(shù)ψW應取1.0，地震作用于的組合系數(shù)ψE應取0.5。

（2）對水平倒掛玻璃及框架，可不考慮地震作用效應的組合，風荷載的組合系數(shù)ψW應取1.0（永久荷載的效應不起控制作用時）或0.6(永久荷載的效應起控制作用時)。 幕墻構件的撓度驗算時，風荷載分項系數(shù)γW和永久荷載分項系數(shù)均應取1.0，且可不考慮作用效應的組合。

以某工程A為例，計算大樣詳圖11。

查建筑抗震設計規(guī)范及結構施工圖總說明得知：地震設防列度為7度，重力加速度為0.1，標準設防類，經(jīng)查表得αmax=0.08。

圖11 計算大樣

此工程分格尺寸為1.5(B)×5.0(H)，用到了10+12A+10中空玻璃，經(jīng)計算確定玻璃、鋁型材、背板等自重GAK=0.512kN/m2，大于規(guī)范取值，按計算取值。

qEAk：垂直于幕墻平面的均布水平地震作用標準值(kN/m2)

qEAk=βE×αmax×GAK=5×0.08×0.512=0.2048kN/m2

γE：幕墻地震作用分項系數(shù)：1.3

qEA=1.3×qEAk=0.2662kN/m2

qE：水平地震作用于立柱均布線作用設計值 (梯形分布)

qE=qEA×B=0.2662×1.5=0.3994kN/m

q：水平均布線荷載設計值:采用SW+0.5SE組合

qw：風荷載作用于立柱均布線作用設計值 (梯形分布)=8.799kN/m(不詳細介紹)

q=qw+0.5×qE=8.799+0.5×0.3994=8.9987kN/m

四、建筑幕墻節(jié)點的抗震構造

1、構件式幕墻節(jié)點抗震構造

立柱與立柱連接節(jié)點按JGJ102-20036.3.3規(guī)定，上下立柱之間隙≥15mm，此變形縫在平時可以滿足溫度變形，在地震作用時，可消除因地震重力加速度產(chǎn)生的反力，上下層幕墻之間在地震作用力下不互相碰撞，詳見圖12明框幕墻固定節(jié)點。

橫梁與立柱連接節(jié)點的抗震設計角碼通過螺栓固定在立柱上橫梁通過角碼固定在立柱上，并且角碼可以在橫梁卡槽內自由伸縮，橫梁結構力學模型可簡化為兩端簡支梁，結點部位彎矩為零，能有效消除風荷載、自重、地震作用對連接點的影響。

明框玻璃與立柱橫梁之間的間隙a、b、c值需同時滿足JGJ102-20039.5.2、9.5.3節(jié)要求，平時能滿足溫度變化所引起的伸縮變形，在地震作用時，能避免玻璃與鋁型材之間膠條、密封膠變形不夠，產(chǎn)生硬碰硬碰撞，使玻璃破損。

圖12 明框幕墻固定節(jié)點

2、結構膠抗震構造

隱框幕墻的支承結構和幕墻面板板塊之間，采用硅酮結構膠等柔性連接，這些硅酮結構膠不但能將幕墻玻璃牢固持久地粘結在鋁框料上，而且在地震等偶發(fā)因素引起建筑物嚴重震動變形時，能夠被拉伸或壓縮20%以上不被損壞；硅酮結構膠是彈性體，還能有效的減小幕墻震動的強度和頻率，這是隱框玻璃幕墻抗震能力高的重要原因，同時玻璃副框與立柱、橫梁之間需墊橡膠墊片，緩沖地震作用力，詳見圖13結構膠固定玻璃節(jié)點。

圖13 結構膠固定玻璃節(jié)點

硅酮結構密封膠的寬度和厚度還需滿足計算要求，根據(jù)JGJ102-20035.6.3節(jié)要求，按風荷載、水平地震作用計算硅酮結構密封膠的寬度，玻璃自重由橫梁上的托條支承，不考慮結構膠承重。

Cs1=(W+0.5×qE) ×a/(2000×f1)

Cs1：風載荷作用下結構膠粘結寬度mm

W：風荷載設計值kN/m

a：矩形玻璃板的短邊長度mm

f1：硅酮結構密封膠在風荷載或地震作用下的強度設計值N/mm

qE：作用在計算單元上的地震作用設計值，kN/m

硅酮結構密封膠粘接厚度按公式ts=θ×hg×ψ/(δ2× (2+δ2))0.5計算， 厚度與地震作用無關。

ts：風荷載作用下結構膠的粘結厚度mm

hg：玻璃面板高度mm

θ：風荷載標準值作用下主體結構的樓層彈性層間位移角限值 （rad）

ψ：膠縫變位折減系數(shù)1.000

δ：硅酮結構密封膠的變位承受能力

3、單元式幕墻節(jié)點抗震構造

單元式幕墻按單元組件接縫處的處理方式分為橫滑式和橫鎖式。

所謂橫滑式是指單元組件左右相鄰兩單元組件的上框滑槽連接處用封口板將左右兩組件交接處的開口封閉。橫滑式因為頂橫梁形成一道完整的封閉圈，每一層的水都在本層排水，不累積到下一層，低層區(qū)腔內水壓小，因而在工程中廣泛運用 （圖14）。

而橫鎖式是在上下 （左右）四個單元連續(xù)處，在左右豎框的開口中插入內套管，使上下鎖定。橫鎖式因排水構造缺陷，在實際工程中運用較少。在主體結構層間位移時，橫鎖式單元幕墻平面內變形和元件式基本一樣，參考本章第1節(jié)框架式幕墻節(jié)點抗震設計，在本節(jié)就不再重復。

圖14 橫滑式單元式幕墻

在地震初始階段橫滑式單元幕墻的單元組件呈規(guī)律性同向滑移，接著單元組件運動呈隨機運動有的相向滑動有的背向滑動。當相向滑移量超過接縫間隙時發(fā)生碰撞破壞；當背向滑移超過搭接量時兩單元組件被拉開，拉開的兩組件不能復槽，就又互相碰撞，導致破壞，如圖15所示。

圖15 單元板塊變形示意圖

因此在設計單元組件接縫時，要根據(jù)不同建筑類型，采用不同的接縫間隙和搭接量。務必達到接縫間隙比最大變位大1mm （ΔL=Δ+1）；搭接量比最大變位大1mm （ΔL=Δ+1）,這樣可避免碰撞又不致于拉開，保證接縫處有序活動，如圖16所示：立柱料a≥b>c≥ΔL立柱、 頂?shù)讬M梁d≥e≥f≥ΔL橫梁。

圖16 單元式幕墻位置控制尺寸

單元幕墻位移量計算：

為適應幕墻地震作用、溫度變形以及施工調整的需要，單元式幕墻單元板塊之間留有一段空隙—伸縮縫ΔL，ΔL按下式計算：

ΔL≥α×ΔT×L×λ+d1+d2

α：立柱、橫梁材料的線膨脹系數(shù)，鋁合金型材取2.35×10-5

ΔT：計算因熱膨脹而引致的位移的金屬溫度幅度

L：單元板塊尺寸

λ：實際伸縮調整系數(shù)，取1

d1：加工施工誤差，取3mm

d2：主體結構位移變形

工程A單元式幕墻橫梁上下位移量計算：

L:取單元板塊豎向尺寸4.275m （標準層高）

梁實際由于樓層活荷載差值引起的撓度比例40%。梁跨中饒度限值為：L0=有效跨度/350梁的有效跨度查看結構圖紙取9m。d2=9000/350×40%=10.286mm

ΔL橫梁=α×ΔT×L×λ+d1+d2

= （2.35×10-5） ×80×4275×1+3+10.286

=8.037+3+10.286

=21.323mm

實際工程取ΔL=22

單元式幕墻立柱位移量計算 單元式幕墻系統(tǒng)中使用的立柱型材截面，如圖17所示：

ΔL立柱≥α×ΔT×L×λ+d1+d2

L:取單元板塊橫向尺寸 1.5m

地震荷載所引致的層間側移限值為：d2=層跨度/500=4200/500=8.4mm

實際層間位移取 5.15mm<8.4mm，d2取5.12mm

ΔL=α×ΔT×L×λ+d1+d2

= （2.35e-005） ×80×1500×1+3+5.15

=10.97mm

實際工程取ΔL=13

單元式幕墻的面板材料等抗震構造與構件式幕墻節(jié)點抗震設計相同，在本節(jié)就略過。

圖17 某工程單元式型材位移量控制圖

4、點支承幕墻節(jié)點抗震構造

點式玻璃幕墻一般都支承在抗震性能好的鋼結構上，點式接駁爪都開有長條孔和大圓孔，即能滿足安裝誤差調節(jié)，也能滿足溫度變形伸縮，在發(fā)生地震作用時，玻璃面板還能在大孔里面做適量的變形運動，有效的保護玻璃面板。而現(xiàn)在駁接頭大多都有球鉸，變形適應力強，一般正規(guī)五金廠家的相關產(chǎn)品均能做±5度的調整，在地震作用時，固定在駁接頭上的玻璃能隨著球形爪做一定的擺動，避免玻璃與五金件之間發(fā)生硬性碰撞，有效地消除地震作用力。

圖18

圖19 幕墻變形縫破壞圖

5、變形縫抗震構造

變形縫包括沉降縫、伸縮縫、地震作用變形縫，前兩種變形縫變形較小，而地震作用變形縫較大和地區(qū)特征及建筑高度有很大關系，其大小需經(jīng)計算確定。汶川地震一些案例表明，變形縫抗震作用大，幕墻應重視變形縫節(jié)點設計。

按照建筑抗震設計規(guī)范要求：設計變形縫時起碼龍骨間的距離要和土建變形縫大小一致，滿足第三水準要求；易擠壓破碎掉落的面板間距離可以根據(jù)第二水準計算確定；中間過渡材料可采用彈性材料，比如橡膠 （但外觀效果不好），建議采用較薄的金屬板材，最好有一個水平滑動的構造。

六、結束語

抗震減災在未來仍是一項艱巨的任務，只要我們嚴格按規(guī)范和行業(yè)經(jīng)驗設計、施工，地震中只要主體結構尚未倒塌，建筑幕墻要能達到 “小震不壞，中震可修，大震不倒”的抗震要求。本文對建筑幕墻抗震防災技術做了初步探討，不足之處，敬請指正。

[1]《建筑抗震設計規(guī)范》GB50011-2010

[2]馬宏旺.《建筑抗震設計講義》.上海交通大學

[3]郭繼武.《建筑抗震設計 （第三版）》中國建筑工業(yè)出版社

[4]《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》JGJ102-2003

[5]龍文志.《反思汶川地震對門窗幕墻的影響》

[6]趙西安.《青海玉樹地震中的玻璃窗和玻璃幕墻》

[7]張芹.《單元式、半單元式幕墻技術》、中國建筑金屬結構協(xié)會 鋁門窗幕墻委員會