雙層玻璃幕墻荷載效應(yīng)分析

管 繼 綱

(中車置業(yè)(太原)有限公司，山西 太原　030002)

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雙層玻璃幕墻荷載效應(yīng)分析

管 繼 綱

(中車置業(yè)(太原)有限公司，山西 太原030002)

介紹了雙層玻璃幕墻的類型，分析了雙層玻璃幕墻內(nèi)、外層玻璃所受風(fēng)荷載的效應(yīng)，闡述了雙層玻璃幕墻的荷載計算方法，指出雙層玻璃幕墻具有良好的隔熱、隔聲、通風(fēng)性能。

雙層玻璃幕墻，風(fēng)荷載，風(fēng)壓，抗震計算

0　引言

隨著科技的發(fā)展，玻璃幕墻在建筑中的應(yīng)用也逐漸增多，尤其是既有建筑進(jìn)行玻璃幕墻改造的工程案例越來越多。新建建筑在進(jìn)行安裝玻璃幕墻前均進(jìn)行了相應(yīng)荷載效應(yīng)計算，而既有建筑在進(jìn)行玻璃幕墻改造時較少對玻璃幕墻的荷載效應(yīng)進(jìn)行分析。由于受篇幅限制，本文僅對雙層玻璃幕墻的荷載效應(yīng)進(jìn)行分析。

1　雙層玻璃幕墻概況

雙層玻璃幕墻由于具有較好的通風(fēng)性能、節(jié)能效果、熱通道效果，因此在玻璃幕墻實際應(yīng)用中雙層玻璃幕墻使用量最廣。雙層玻璃幕墻是由內(nèi)外兩層立面玻璃構(gòu)造而成，內(nèi)外玻璃構(gòu)造間存在一定距離的間隙，形成一個室內(nèi)外空氣緩沖層，從而使得雙層玻璃幕墻具有良好的隔熱、隔聲效果。雙層玻璃幕墻的外層玻璃構(gòu)造層由明框、隱框、點支式或可開啟式扇窗連接而成；內(nèi)層玻璃構(gòu)造層由明框、隱框、可開啟式扇窗或檢修通道的門窗連接而成。

2　雙層玻璃幕墻的分類

2.1外循環(huán)玻璃幕墻

外循環(huán)玻璃幕墻是玻璃幕墻外部玻璃上下部設(shè)置進(jìn)風(fēng)口，在其上部設(shè)置排風(fēng)口，而內(nèi)層玻璃采用中空型玻璃，并且內(nèi)層玻璃可設(shè)置成開啟的門或窗。外循環(huán)玻璃幕墻完全不需要機(jī)械設(shè)備進(jìn)行操控，采用自然通風(fēng)和太陽輻射原理將下部風(fēng)通過上排風(fēng)口排到幕墻外，采用自然通風(fēng)和太陽能輻射可降低能源消耗和機(jī)械維修費用。采用這種外循環(huán)玻璃幕墻可起到冬暖夏涼的作用，具體構(gòu)造見圖1。

2.2內(nèi)循環(huán)玻璃幕墻

1)內(nèi)循環(huán)玻璃幕墻的最外層玻璃采用中空玻璃，并且中空玻璃采用絕熱材料，內(nèi)部形成封閉空間。而內(nèi)循環(huán)玻璃幕墻內(nèi)層玻璃制作成可開啟式門窗。整個玻璃幕墻采用機(jī)械式通風(fēng)，空氣從下部進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入幕墻夾層中，從上部排風(fēng)口排出，從而保證幕墻內(nèi)空氣流動。

圖1　外循環(huán)玻璃幕墻構(gòu)造圖

2)采用內(nèi)循環(huán)式玻璃幕墻時進(jìn)入室內(nèi)的空氣為進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入室內(nèi)，因此進(jìn)入的空氣溫度應(yīng)和室內(nèi)溫度一致，可在進(jìn)風(fēng)口處安裝加熱或制冷設(shè)備對進(jìn)風(fēng)口空氣進(jìn)行調(diào)溫。由于內(nèi)循環(huán)玻璃幕墻需要采用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行調(diào)溫、遮陽、機(jī)械百葉窗等機(jī)械設(shè)施，因此建造成本和使用成本都將增加，并且需要較高的技術(shù)要求。

2.3綜合式內(nèi)外循環(huán)玻璃幕墻

綜合式內(nèi)外循環(huán)玻璃幕墻具有內(nèi)循環(huán)和外循環(huán)兩種玻璃幕墻的特點，可以適應(yīng)外部天氣變化和溫度調(diào)整，具有較高的適用性。采用綜合式內(nèi)外循環(huán)玻璃幕墻可兼顧冬夏季節(jié)的交替，減少對能源和機(jī)械設(shè)施的依賴性，具有明顯的節(jié)能效果。

綜合式內(nèi)外循環(huán)玻璃幕墻的通道一般只作為風(fēng)道進(jìn)行使用，通道寬度一般為100 mm～300 mm，如幕墻有清洗和維修要求時通道寬度一般為500 mm～900 mm。

3　雙層玻璃幕墻的特點

雙層玻璃幕墻的主要特點是具有較好的保溫隔熱效果，并且具有合理的采光設(shè)施，可根據(jù)用戶的需求對光線進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時具有優(yōu)越的降噪效果，為使用者提供舒適的工作和生活環(huán)境，但是采用雙層玻璃幕墻也具有一些缺點，如：1)采用雙層玻璃幕墻的工程造價是單層玻璃幕墻的2倍；2)夏季陽光強(qiáng)烈時玻璃幕墻夾層內(nèi)溫度過高，并且當(dāng)夾層內(nèi)空間較小、外層玻璃遮陽效果較差時夾層內(nèi)溫度往往高于室外溫度，并且由于雙層玻璃幕墻的外層玻璃無法打開，不能實現(xiàn)自然通風(fēng)，最終導(dǎo)致室內(nèi)溫度過高；3)采用雙層玻璃幕墻時清掃難度和費用也高于單層玻璃幕墻。

4　雙層玻璃幕墻的風(fēng)荷載特征

相關(guān)研究表明，玻璃幕墻的設(shè)計風(fēng)荷載對3 s風(fēng)速進(jìn)行設(shè)計。風(fēng)在進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入玻璃幕墻夾層，由于進(jìn)風(fēng)口的阻力作用和進(jìn)風(fēng)口與排風(fēng)口的距離差距使得出風(fēng)口的風(fēng)壓也有較大差別，因此通常情況下3 s內(nèi)風(fēng)從進(jìn)風(fēng)口進(jìn)入并不能從排風(fēng)口排出，導(dǎo)致內(nèi)層玻璃幕墻受到風(fēng)壓作用而受力，但是內(nèi)層玻璃幕墻的風(fēng)壓是外層玻璃幕墻的70%～80%，背風(fēng)時內(nèi)層玻璃幕墻的吸力壓力是外層玻璃的60%～70%。大量試驗表明，通過對玻璃幕墻內(nèi)風(fēng)洞進(jìn)行采樣分析得到，當(dāng)試驗時間為15 s時外層玻璃幕墻的內(nèi)側(cè)玻璃所受風(fēng)壓和內(nèi)層玻璃幕墻的外側(cè)玻璃一致。若將雙層玻璃幕墻外部的通風(fēng)口都開啟時，內(nèi)層玻璃所受風(fēng)壓和通風(fēng)口關(guān)閉情況下外層玻璃的風(fēng)壓荷載基本一致，因此若對內(nèi)層玻璃幕墻的外側(cè)玻璃進(jìn)行風(fēng)荷載設(shè)計時還應(yīng)進(jìn)行吸力作用下的風(fēng)荷載試驗，最后通過分析處理進(jìn)行設(shè)計。

4.1風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值

對玻璃幕墻進(jìn)行風(fēng)荷載設(shè)計時根據(jù)下式進(jìn)行計算：

Wk=βgzμsμzWo。

其中，Wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，N/m2；βgz為標(biāo)高z處的陣風(fēng)系數(shù)；μs為體型系數(shù)；μz為風(fēng)荷載沿建筑高度變化系數(shù)；Wo為基本風(fēng)壓，N/m2。

1)風(fēng)荷載的基本風(fēng)壓應(yīng)以空曠地面10 m以上位置統(tǒng)計近50年平均最大風(fēng)速為風(fēng)壓值。2)風(fēng)荷載沿建筑高度變化系數(shù)是指風(fēng)速隨著高度的增加而增加，當(dāng)氣壓場不變時風(fēng)速隨著高度的不同而變化主要取決于地面的粗糙度和溫度影響。通常300 m～500 m高空的風(fēng)速不隨地面的粗糙度而發(fā)生變化，此高度為梯度風(fēng)高度。3)體型系數(shù)是建筑物表面風(fēng)作用下的實際壓力與來流風(fēng)壓力比值，表明建筑物表面的分壓力分布規(guī)律，體型系數(shù)主要和建筑物的高度、寬度和周圍地面粗糙度有關(guān)。

4.2雙層玻璃幕墻風(fēng)壓取值

由于風(fēng)速的時間變化，并且風(fēng)速隨著空間的不同也產(chǎn)生變化，同時根據(jù)相關(guān)研究表明風(fēng)壓由動態(tài)風(fēng)壓和靜態(tài)風(fēng)壓組成。其中動態(tài)風(fēng)壓是由陣風(fēng)產(chǎn)生，靜態(tài)風(fēng)壓是由大規(guī)模的空氣流動產(chǎn)生。雙層玻璃幕墻的外層玻璃幕墻由于風(fēng)脈沖而產(chǎn)生“防浪效應(yīng)”，減小越過防波堤的脈沖。

其中防波堤可劃分為兩個子區(qū)域：Ω1和Ω2。兩個子區(qū)域通過重疊帶銜接。子區(qū)域中Ω1是由幕墻和墻體的近場組合而成，運動時由Reynolds方程控制，在近壁區(qū)的運動以壁面函數(shù)理論控制。并且由于防波堤產(chǎn)生的“防浪效應(yīng)”使得外層風(fēng)速減小，導(dǎo)致內(nèi)外風(fēng)壓差別較大。

外層玻璃幕墻所承受的風(fēng)荷載也是由動態(tài)和靜態(tài)風(fēng)壓形成，而內(nèi)層玻璃幕墻承受的風(fēng)荷載是由靜態(tài)風(fēng)壓形成，并且內(nèi)層玻璃幕墻的靜態(tài)風(fēng)壓和外層玻璃幕墻的靜態(tài)風(fēng)壓相同，由于外層玻璃幕墻的“防浪效應(yīng)”使得內(nèi)層玻璃幕墻所受動荷載壓力降低。

雙層玻璃幕墻中的內(nèi)側(cè)玻璃幕墻與單層玻璃幕墻類似，都只有一個受風(fēng)面，因此雙層玻璃幕墻內(nèi)側(cè)玻璃幕墻的風(fēng)壓取值可參照單層玻璃幕墻。但是在實際使用中由于雙層玻璃幕墻具有外側(cè)玻璃幕墻因此內(nèi)墻風(fēng)壓取值時又有別于單層玻璃幕墻，因此又不能完全采用單層玻璃幕墻的風(fēng)壓值應(yīng)用到內(nèi)側(cè)玻璃幕墻。因為單層玻璃幕墻進(jìn)行風(fēng)壓計算時通常需要考慮到結(jié)構(gòu)體型系數(shù)、陣風(fēng)荷載因子和陣風(fēng)系數(shù)等，而內(nèi)側(cè)玻璃幕墻則不需考慮結(jié)構(gòu)體型系數(shù)等因素。

我國現(xiàn)行規(guī)范對于陣風(fēng)系數(shù)的判斷有兩種方式，一種為經(jīng)驗判斷，采用平均時距為1 s～2 s的放大系數(shù)，另一種根據(jù)風(fēng)壓脈動系數(shù)進(jìn)行計算。

雙層玻璃幕墻和單層玻璃幕墻的區(qū)別在于雙層玻璃幕墻的內(nèi)外玻璃均受到風(fēng)荷載效應(yīng)，因此雙層玻璃幕墻的風(fēng)荷載情況較單層玻璃幕墻復(fù)雜的多，但是我國目前還沒有相關(guān)規(guī)范對雙層玻璃幕墻的風(fēng)壓取值進(jìn)行規(guī)定，因此對雙層玻璃幕墻的風(fēng)荷載分布等進(jìn)行研究具有重大意義。

5　雙層玻璃幕墻荷載和作用要求

1)對玻璃幕墻進(jìn)行設(shè)計時，可按照《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》進(jìn)行風(fēng)荷載和其他荷載效應(yīng)組合進(jìn)行計算。

2)玻璃幕墻中使用的原材料可按《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行確定。

3)雙層玻璃幕墻的抗震計算應(yīng)采用底部剪力法，垂直和平行于玻璃幕墻的地震力不用考慮。

6　結(jié)語

在對雙層玻璃幕墻進(jìn)行抗震計算和驗算時，為保證玻璃幕墻的安全可靠性，進(jìn)行設(shè)計時應(yīng)考慮幕墻所受的各種荷載效應(yīng)組合，提高玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和安全可靠性。

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The load effect analysis of double deck glass curtain wall

Guan Jigang

(ChinaChariotRealEstate(Taiyuan)LimitedCompany,Taiyuan030002,China)

This paper introduced the types of double glass curtain wall, analyzed the wind load effect of inner and outer glass double glass curtain wall, elaborated the load calculation method of double glass curtain wall, pointed out that the double glass curtain wall had good heat insulation, sound insulation, ventilation performance.

double layer glass curtain wall, wind load, wind pressure, seismic calculation

1009-6825(2016)21-0048-02

2016-05-17

管繼綱(1978- )，男，工程師，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師

TU312.1

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