探析石材幕墻的設(shè)計(jì)

摘要：隨著我國(guó)建筑幕墻行業(yè)的發(fā)展，玻璃及石材幕墻在我國(guó)各大城市之中得到廣泛的應(yīng)用，取得良好的效果，石材幕墻的設(shè)計(jì)關(guān)系到幕墻的使用安全。本文主要根據(jù)工程實(shí)際，對(duì)石材幕墻設(shè)計(jì)的探析。

關(guān)鍵詞：石材幕墻 設(shè)計(jì)

1 工程概況

該工程?hào)|西長(zhǎng)90.0m，南北寬93.5m地上23層，地下2層，總建筑面積73669m2，建筑總高度97.80m。主體采用框架一剪力墻結(jié)構(gòu)。外墻大部分為封邊式干掛石材幕墻約19932m2。外墻做法200mm厚輕集料混凝土小型空心砌塊+60mm厚擠塑板保溫層+28mm厚品白玉火燒面石材板。建筑防火設(shè)計(jì)分類為一類，建筑耐火等級(jí)為I級(jí)。防雷設(shè)計(jì)為二類。建筑抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度8度。設(shè)計(jì)基本地震加速度0.20g，設(shè)計(jì)地震分組為第一組?？癸L(fēng)設(shè)計(jì)地面粗糙度為C類，基本風(fēng)壓0.45kN/m2。

2 深化設(shè)計(jì)分析

石材幕墻工程的實(shí)施，涉及到原設(shè)計(jì)、深化細(xì)部設(shè)計(jì)、材料供應(yīng)、構(gòu)配件制作以及施工安裝等多家單位。但要保證工程的順利實(shí)施，必須做到各參建單位的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。因?yàn)槟粔こ虒I(yè)性比較強(qiáng)，因而必須由專業(yè)化的設(shè)計(jì)和施工單位來(lái)完成具體工作。

1）石材幕墻的深化設(shè)計(jì)，通常是根據(jù)原設(shè)計(jì)方提供的圖紙確定石材的精確分格尺寸、顏色、材質(zhì)、嵌縫材料等，并繪制出尺寸詳盡的石材圖紙及各復(fù)雜部位的節(jié)點(diǎn)詳圖。然后依據(jù)各單塊石材的重量、

尺寸及抗震、抗風(fēng)壓等各項(xiàng)要求，進(jìn)行相關(guān)力學(xué)計(jì)算，確定石材干掛方式及龍骨體系、埋件、連接件等尺寸規(guī)格。并在可能的條件下，對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)力學(xué)性能試驗(yàn)，以確保石材幕墻的安全穩(wěn)定性。

2）在石材及干掛體系的力學(xué)計(jì)算方面，首先要確定幕墻所受荷載及作用形式，然后確定石材的干掛方式，進(jìn)而確定石材板塊的計(jì)算模型。同時(shí)進(jìn)行受力安全性計(jì)算。最后根據(jù)干掛體系所受荷載值確定干掛體系的構(gòu)造形式和所用掛件、連接件、埋件及橫豎龍骨的規(guī)格尺寸。因干掛體系的設(shè)計(jì)決定著幕墻的結(jié)構(gòu)安全，所以石材幕墻及其干掛體系的設(shè)計(jì)應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行國(guó)家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的要求。

3）在荷載確定方面，石材幕墻計(jì)算時(shí)通常要考慮材料的自重、所受風(fēng)荷載及地震荷載，并根據(jù)荷載作用方式對(duì)其進(jìn)行組合。其相應(yīng)分項(xiàng)及組合系數(shù)都應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求取用。如有特殊要求，在設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)應(yīng)和規(guī)范相對(duì)照，取其不利最大值；對(duì)于干掛體系計(jì)算中，應(yīng)根據(jù)剛體力的傳遞特性，確定其所受荷載并進(jìn)行力學(xué)計(jì)算。有時(shí)，當(dāng)一些荷載不宜確定時(shí)，可通過(guò)模擬試驗(yàn)方法來(lái)確定其大小。

3 設(shè)計(jì)校核計(jì)算

3.1 風(fēng)荷載計(jì)算

依據(jù)JGJ133-2001《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》第5.2.3條和GB50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（2006年版），計(jì)算作用于幕墻上的風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值。可按下式計(jì)算：

本工程石材幕墻設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，僅考慮墻面風(fēng)荷載，而沒有考慮墻角風(fēng)荷載是不全面的。即便在墻面與墻角設(shè)計(jì)方案一致的情況下，由于該建筑物外形凹凸不規(guī)則，風(fēng)荷載較大，墻角部位也較多，故也應(yīng)取不利的墻角風(fēng)荷載進(jìn)行驗(yàn)算。即

體形系數(shù)：（墻面），（墻角）

對(duì)建筑標(biāo)高（25m以下段幕墻）：本工程地面粗糙度按c類25m高計(jì)算：

=0.45kN/m2，=1.88；=-1.0（墻面），=-1.8（墻角）；=0.92

墻面：=1.88×1.0×0.92×0.45=0.78kN/m2，取1.00kN/m2；

墻角：=1.88×1.8×0.92×0.45=1.40kN/m2

在幕墻墻面與墻角采用統(tǒng)一的龍骨設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)采用較為不利的墻角風(fēng)荷載進(jìn)行計(jì)算

取=1.40kN/m2。

對(duì)建筑標(biāo)高（25～100m段幕墻）：本工程地面粗糙度按c類100m高計(jì)算：

=0.45kN/m2，=1.60；=-1.0（墻面），=-1.8（墻角）；=1.70

墻面：=1.60×1.0×1.70×0.45=1.22kN/m2；

墻角：=1.60×1.8×1.70×0.45=2.20kN/m2

在幕墻墻面與墻角采用統(tǒng)一的龍骨設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)采用較為不利的墻角風(fēng)荷載進(jìn)行計(jì)算，

取=2.20kN/m2。

3.2石材面板荷載組合

1）正常使用極限狀態(tài)：正常使用極限狀態(tài)下，一般不考慮不同的效應(yīng)組合。僅考慮風(fēng)荷載或永久荷載單獨(dú)作用時(shí)的變形或撓度情況。故S=

（考慮重力荷載的作用）；

S==K（考慮風(fēng)荷載的作用）。

2）承載能力極限狀態(tài)：由于幕墻暴露在室外，受風(fēng)載影響較為顯著，風(fēng)荷載作用效應(yīng)比地震作用效應(yīng)大，應(yīng)作為第一可變作用，其組合值系數(shù)取1.0；地震作用作為第二可變荷載時(shí)，組合系數(shù)按幕墻規(guī)范規(guī)定取0.5。故

（重力作用不利）；

S=1.0G+1.0×1.4W+0.5×1.3E（重力作用有利）

3.3材料性質(zhì)

3.4對(duì)建筑標(biāo)高25～100m段幕墻主要受力件典型單元校核計(jì)算

1）本工程立柱采用熱鍍鋅80x42x5x8mm厚槽鋼背對(duì)背搭接，承載寬度1200mm。當(dāng)荷載近似按均布計(jì)算時(shí)（計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1）

a.荷載組合撓度計(jì)算：

石材傳遞重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值（豎直方向）：=2800×99.8×0.028×1.2=923N/m：

石材傳遞水平風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（水平方向）：-=2200×91.2=2640N/m。

b.通過(guò)建立有限（ANSYS）模型，其計(jì)算結(jié)果：水平方向最大位移為16.28mm。

c.依據(jù)允許撓度（JGJ133-2001：5.6.5）鋼型材：=L/300mm，橫梁（跨度1200mm）；=4000/300=13.4mm

=16.28mm>=13.4mm

此式表明：立柱的撓度驗(yàn)算不能滿足GB50009-2001，GB50017-2003規(guī)范要求。需對(duì)原設(shè)計(jì)立桿講行調(diào)整。

d.荷載組合強(qiáng)度計(jì)算：

石材傳遞重力荷載設(shè)計(jì)值（豎直方向）：=923×1.2=1107.6N/m

石材傳遞水平方向荷載設(shè)計(jì)值（風(fēng)和地震組合）：=2200x1.2=4140N/m

e.建立有限（ANSYS）模型，其計(jì)算結(jié)果：最大彎曲應(yīng)力：-204.05N/mm2

最大彎曲拉應(yīng)力：208.205N/m2

最大剪切應(yīng)力：122.768N/mm2

相當(dāng)應(yīng)力（第四強(qiáng)度理論）：

=296.411N/mm2

依據(jù)材料特性指標(biāo)，允許抗彎應(yīng)力的限值：=215N/mm2

允許抗剪應(yīng)力的限值拭=125N/m2

單軸拉伸時(shí)的許用拉應(yīng)力：f=215N/mm2

結(jié)果表明：在有限計(jì)算中，相當(dāng)應(yīng)力（第四強(qiáng)度理）=296.411N/mm2≥f=215N/mm2

立柱強(qiáng)度不能滿足GB50009-2001，GB50017-2003規(guī)范要求。所以需對(duì)原設(shè)計(jì)立柱槽鋼進(jìn)行調(diào)整。

2）本工程橫梁采用50mm×4mm厚等邊角鋼，承載面板計(jì)算高度660mm，計(jì)算算跨度1200mm。計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖2。

a.荷載組合撓度計(jì)算：

石材傳遞重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值（豎直方向）：=2800×9.8×0.028×0.66×1.06/2=269N

石材傳遞水平風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（水平方向）：=2.2×0.6×1.06/2=700N

b.通過(guò)建立有限（ANSYS）模型，其計(jì)算結(jié)果：水平方向最大位移：3.962mm；豎直方向最大位移：0.81mm；總體最大位移：4.045mm。

c.依據(jù)允許撓度（JGJ133-2001：5.6.5）；

鋼型材，=L/300mm，橫梁（跨度1200mm）；=1200/300=4.0mm。

≈

d.荷載組合強(qiáng)度計(jì)算：石材傳遞重力荷載設(shè)計(jì)值：P=1.2×269=323N

石材傳遞水平荷載設(shè)計(jì)值：P-=3.45×0.66×1.06/2=1.207KN/m2=1207N

e.通過(guò)有限（ANSYS）模型，其計(jì)算結(jié)果：最大彎曲壓應(yīng)力：-176.16N/mm2；最大彎曲拉應(yīng)力：100.12N/mm2；最大剪切應(yīng)力：34.023N/mm2。依據(jù)材料特性指標(biāo)，允許抗彎應(yīng)力限值：=215N/mm2。允許抗剪應(yīng)力限值=125N/mm2.

單軸拉伸時(shí)的許用拉應(yīng)力：f=215N/mm2。相當(dāng)應(yīng)力（第四強(qiáng)度理論）=176.161N/mm2≤f=215N/mm2。

上式結(jié)果表明：在有限計(jì)算中，當(dāng)橫梁的相當(dāng)應(yīng)力（第四強(qiáng)度理論）強(qiáng)度基本滿足規(guī)范要求的前提下，而橫梁的撓度驗(yàn)算與GB50017-2003規(guī)范要求有偏差時(shí)，為安全起見，有必要對(duì)原模梁設(shè)計(jì)方案進(jìn)行調(diào)整。

4結(jié)語(yǔ)

1）通過(guò)對(duì)該項(xiàng)目石材幕墻深化設(shè)計(jì)分析及設(shè)計(jì)過(guò)程中的思考與探索，設(shè)計(jì)人員雖對(duì)上述方案進(jìn)行了整改，但此事表明作為項(xiàng)目的有關(guān)各方，加強(qiáng)對(duì)幕墻設(shè)計(jì)圖紙、計(jì)算書等的認(rèn)真審核，既是對(duì)幕墻設(shè)計(jì)施工公司保證按規(guī)范設(shè)計(jì)，又是保證主體工程安全的重要措施和必要手段。

2）由干石材幕墻在高層建筑中的防火性能較差，因而在幕墻設(shè)計(jì)中必須加強(qiáng)防火、防雷設(shè)計(jì)意識(shí)，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)令業(yè)設(shè)計(jì)“規(guī)范”中的有關(guān)條款。

其設(shè)計(jì)方案必須經(jīng)過(guò)原設(shè)計(jì)單位及相關(guān)人員的審查，必要時(shí)組織令家論證。要嚴(yán)格執(zhí)行“規(guī)范”中有關(guān)撓度取值的標(biāo)準(zhǔn)和適用范圍，不能混淆。當(dāng)石材幕墻構(gòu)架的立柱與橫梁在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，對(duì)鋼型材的相對(duì)撓度取值不應(yīng)大于L/300，絕對(duì)撓度不應(yīng)大于15mm。而不能采用玻璃幕墻對(duì)鋼龍骨撓度要求的L/250。

3）當(dāng)按風(fēng)荷載或錨固力計(jì)算石板厚度和框架主次龍骨時(shí)，我們必須用安全系數(shù)來(lái)補(bǔ)償強(qiáng)度的不均勻。要依據(jù)GB50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》參照J(rèn)GJ133-2001《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》，在幕墻設(shè)計(jì)風(fēng)荷載和荷載組合時(shí)，應(yīng)全面考慮風(fēng)力在建筑物表面分布的不均衡性。既要考慮墻面風(fēng)荷載，又要考慮墻角風(fēng)荷載；既要考慮建筑物的高度，更要考慮建筑物外形凹凸的不規(guī)則性；既要考慮正常使用極限狀態(tài)，還要考慮承載能力極限狀態(tài)。在龍骨設(shè)計(jì)方案的選取上，應(yīng)采用較為不利的荷載極限狀態(tài)進(jìn)行計(jì)算和審核。

4）由干石材幕墻的干掛方式不同，通常在選擇時(shí)必須全面考慮，既要牢固穩(wěn)定、安全性高，又要降低成本。當(dāng)石材的干掛方式確定后，除要對(duì)石材進(jìn)行計(jì)算，包括掛板板塊自身的抗彎計(jì)算和掛板與掛件銷釘連接處的抗剪計(jì)算外，有時(shí)還應(yīng)計(jì)算石材的熱裂應(yīng)力。對(duì)有些特殊的石材，由于其獨(dú)特的紋理特性而使其在沿板長(zhǎng)及板高方向的應(yīng)力強(qiáng)度，具有非常明顯的差異。在此，通過(guò)簡(jiǎn)化計(jì)算方法或有限程序計(jì)算法分別對(duì)兩個(gè)不同的強(qiáng)度方向進(jìn)行計(jì)算。

5）石材幕墻深化設(shè)計(jì)中，既要滿足建筑美學(xué)的要求，又要與現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況相吻合。設(shè)計(jì)出的成果必須要具體、全面、真實(shí)反映該工程總體情況并滿足石材幕墻的安裝、加工等施工應(yīng)用技術(shù)規(guī)程和條件?？傊?，只要全面加深對(duì)相關(guān)規(guī)程規(guī)范的理解并認(rèn)真執(zhí)行，才能使設(shè)計(jì)出的產(chǎn)品更加完美、安全。