單元式幕墻橫向插接縫間隙和搭接量分析

白啟安

（浙江大學建筑設計研究院有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

圖1 單元式幕墻橫向插接縫示意

單元式幕墻樓層位置的橫向插接縫的搭接量（見圖1）在GB/T 21086—2007《建筑幕墻》和 JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》中都沒有規(guī)定明確的計算規(guī)則，在上海市的地方標準DGJ 08-56—2012《建筑幕墻工程技術規(guī)范》中有所規(guī)定，該規(guī)定中的計算要素如何取值和是否增加計算要素值得分析。

1 上海市地方標準中的計算方法

DGJ 08-56—2012規(guī)定，單元式幕墻樓層處橫向插接縫的間隙和搭接量按式（1）計算：

式中：L′b——有效間隙，mm；

Lb——搭接長度，mm；

α——立柱的線膨脹系數(shù)，1/K；

b——立柱長度，mm；

△t——幕墻的年溫度變化，K；

dc——施工偏差，可取2 mm；

dE——考慮地震等其它因素影響的預留量，可取2 mm。

從式（1）可以看出，間隙和搭接量算法相同，方向相反，近似對稱。

2 制作偏差和施工偏差

提到施工偏差就容易想到制作偏差，并且制作偏差會在施工中有所體現(xiàn)。在GB/T 21086—2007和JGJ 102—2003中均對單元式幕墻單元組件框和單元組件組裝偏差進行了規(guī)定，2個標準中2種偏差一致，大于2000 mm的單元組件長度偏差均為±2 mm。由此可見，以理論安裝定位點為基點，長度偏差影響單元式幕墻樓層處橫向插接縫的間隙和搭接量，并且兩者對稱、方向相反，即式（1）中應該增加制作偏差項dM，單向計算時取2 mm。若將施工偏差dc理解為單元安裝時的高低偏差，以樓面安裝標高為參照，相鄰的A、B樓層為例：

（1）A樓層1號單元制作組裝偏差為-2 mm（短了為負），安裝時高了2 mm，B樓層1號單元安裝時處于理論安裝位置，A、B樓層單元的橫向插接縫在A樓層樓面處變寬了4mm。

（2）A樓層2號單元制作組裝偏差為2 mm（長了為正），安裝時低了2 mm，B樓層2號單元安裝時處于理論安裝位置，A、B樓層單元的橫向插接縫在A樓層樓面處變窄了4 mm。

顯然上述2種情況是不可接受的。GB/T 21086—2007和JGJ 102—2003對單元式幕墻的插接縫間隙和搭接量偏差分別作了規(guī)定，即±1 mm。

結論：（1）單元式幕墻的插接縫的有效間隙和搭接量不需將制作偏差和施工偏差疊加考慮，施工偏差施工時整體控制，制作偏差根據(jù)通用性互換匹配。（2）式（1）中的施工偏差dc應理解為施工時插接縫間隙和搭接量偏差，且其值單向取1 mm。

3 溫度變化

溫度變化的計算方法在GB/T 21086—2007、JGJ 102—2003及DGJ 08-56—2012中均未給出明確的計算方法，在GB 5009—2012《建筑結構荷載規(guī)范》中的可查數(shù)據(jù)是50年重現(xiàn)期的月平均最高氣溫和月平均最低氣溫，但該規(guī)范同時明確了對金屬結構等對氣溫變化敏感的結構，宜考慮極端氣溫的影響，幕墻面材的脆性需要考慮極端氣溫的影響。為了方便計算，行業(yè)內(nèi)專業(yè)軟件或設計文件中△t常常采用80℃。這里存在3個問題：（1）溫度升高間隙L′b減小、搭接長度Lb增大；溫度降低間隙 L′b增大、搭接長度 Lb減小，L′b和 Lb不可能同時承受幕墻的年溫度變化。（2）△t采用80℃這一數(shù)值接近全國極端年溫差，以 b=4200 mm 為例，αb△t＝8.46 mm，這數(shù)值在式（1）中占比較大，影響設計效果。（3）沒有考慮溫度變化對幕墻載體（主體結構）的影響。

為了精準計算可參考荷載，規(guī)范GB 5009—2012引入施工溫度t0并考慮幕墻載體的溫度變化，則計算L′b時：

計算Lb時：

式中：b——幕墻單元高度，mm；

△b——幕墻立柱的相對溫度變化，mm；

△tc——幕墻框架溫度變化，℃；

△ts——主體結構溫度變化，℃；

tc，max——幕墻立柱最高溫度，℃；

t0，min——幕墻施工時最低氣溫，℃；

——幕墻施工時月平均氣溫，℃；

t0，max——幕墻施工時最高氣溫，℃；

te，max——幕墻工程所在地極端最高氣溫，℃；

te，min——幕墻工程所在地極端最低氣溫，℃；

ti——建筑物夏季室內(nèi)溫度，按GB 50176—2016《民用建筑熱工設計規(guī)范》，取26℃；

ρs——幕墻立柱外表面太陽輻射吸收系數(shù)；

Is，max——投射到幕墻外表面的最強太陽輻射照度，W/m2；

αe——夏季幕墻外表面換熱系數(shù)，按GB 50176—2016選取，W/（m2·K）；

αc——幕墻立柱線膨脹系數(shù)，1/℃；

αs——主體結構線膨脹系數(shù)，1/℃。

以杭州某工程為例，b=4200 mm，αc=2.35×10-5℃-1，αs=1.2×10-5℃-1，ρs=0.9，Is，max=669 W/m2，αe=19 W/（m2·K），te，max=39.9℃，te，min=-8.6 ℃；7 月份施工時，t0，min=26.2 ℃，t0，max=34.8 ℃；10 月份施工時，t0，min=16.2 ℃，t0，max=23.8 ℃，則計算 7 月份 L′b中的△b：

計算7月份Lb中的△b：

同樣計算可得10月份L′b中的△b=5.2 mm，Lb中的△b=1.8 mm。

結論：（1）引入施工溫度和幕墻載體的溫度變化，可有效降低溫度變化在單元式幕墻橫向插接縫計算中的比例，升溫和降溫并非雙向完全對稱。（2）施工周期可能跨越季節(jié)，材料的堆放位置等因素都會影響幕墻單元框架安裝時的表面溫度，但無論如何不會低于環(huán)境氣溫，將單元框架安裝時的表面溫度降至環(huán)境溫度是式（6）的前提條件，同時也便于保證安裝精度。

4 結構變形

主體結構變形對單元式幕墻橫向插接口的影響不但在式（1）中沒有體現(xiàn)，也不被設計師重視，但其影響往往超出現(xiàn)有因素。以某項目為例，柱子相對結構外輪廓內(nèi)退3.875 m，懸索幕墻為7字形，大跨度處高68.2 m，短跨處8.4 m，相對結構外輪廓內(nèi)退2.45 m（見圖2）。

出挑結構在各種荷載作用下產(chǎn)生了明顯的上揚或者下垂，以17層到頂層為例，經(jīng)計算2～15號節(jié)點的變形如表1所示。

圖2 工程示意圖

表1 主體結構變形數(shù)據(jù)mm

4.1 總體變形和相對變形分析

從表1可以看出：

（1）樓層17層對7種工況都敏感，并且隨著懸索幕墻的升溫和降溫產(chǎn)生波動（見圖3）；18～20層對主體結構恒荷載、單元式幕墻恒荷載和活荷載敏感；屋面層對主體結構的恒荷載和活荷載敏感，變形的總體趨勢隨著荷載增加而增加，方向向下。

圖3 17層各工況曲線

（2）主體結構變形向下的最大值在17層的8號節(jié)點的工況7，為49.17 mm，向上的最大值在20層的4號節(jié)點的工況4，為-4.09 mm，如此多的工況和如此大的變形在設計單元式幕墻橫向插接縫時一定要考慮。受構造尺寸和承載能力限制，單元式幕墻的橫向插接縫無法吸收表1中的變形量。

（3）單元式幕墻橫向插接縫是吸收和適應相鄰樓層的相對變形的，不可以直接采用表1數(shù)據(jù)直接設計插接縫。

按照各工況對相鄰樓層的相對變形（上一樓層的變形減下一樓層的變形，正值向下，表征有效間隙L′b；負值向上，表征搭接長度Lb）進行分析可以得出：

（1）相對變形向下的最大值在工況7的18層減17層的2號節(jié)點，為24.58 mm；向上的最大值在工況7的18層減17層的4號節(jié)點，為-21 mm（見圖4）。相對變形有所減少并且趨于對稱。

圖4 工況7的相對變形曲線

（2）考慮7種工況的產(chǎn)生順序，即：工況1至工況3在單元式幕墻施工前已經(jīng)產(chǎn)生并穩(wěn)定，工況4是在單元式幕墻施工過程中由工況3至工況4動態(tài)產(chǎn)生，工況5至工況7的溫度作用和活荷載是幕墻施工完成產(chǎn)生，因此，應按工況結合相對變形進行分析。

4.2 工況1至工況3的變形分析

工況1至工況3中以恒荷載起控制作用的最大變形在屋面的13號節(jié)點，為35.15 mm，以恒荷載加溫度作用組合控制的最大變形在17層的8號節(jié)點，為30.86 mm。工況1至工況3的變形在單元式幕墻施工前產(chǎn)生，并在設定的施工溫度（工況3中的常溫）下穩(wěn)定，可通過放線測量確定單元幕墻立柱支座孔位吸收適應，但需注意放線測量、生產(chǎn)制作和單元式幕墻的施工溫度的一致性。

4.3 工況3至工況4的變形分析

除了屋面層外，17～20層工況4主體結構均有變形，這一變形由單元式幕墻自重產(chǎn)生。這一過程是個動態(tài)的過程，即當單一樓層關聯(lián)面或整個樓層一圈單元式幕墻掛裝完成，工況4的變形才穩(wěn)定，因此工況3向工況4轉(zhuǎn)換時，單元式幕墻的橫向插接縫的有效間隙和搭接量應該大于工況4與工況3的變形差，才能保證單元式幕墻的橫向插接縫順利入槽。若施工時除主體結構變形以外的其它預留間隙或搭接量可以吸收這部分變形差，可以不考慮，否則，應該與工況5至工況7的相對變形比較，并取大值。經(jīng)分析，工況3減工況4的向上的最大正值在20層的4號節(jié)點，為4.09 mm，表征有效間隙L′b，即有效間隙被壓縮再滑出；向下的最大負值在20層的2號節(jié)點，為-25.6 mm，表征搭接長度Lb，即預搭接再滑入（見圖 5）。

圖5 工況3至工況4的相對變形曲線

4.4 工況5至工況7的變形分析

工況5至工況7的變形是溫度作用和活荷載下在單元式幕墻施工部分完成或完全完成產(chǎn)生的，因此要減去工況4的變形，減去后的主體結構向下的最大變形在17層的工況7減工況4的7號節(jié)點，為13.44 mm，向上的最大變形在17層的工況6減工況4的4號節(jié)點，為-2.87 mm（見圖6）。

圖6 減去工況4的變形曲線

4.4.1 工況5至工況7各樓層同時出現(xiàn)的相對變形分析

減去工況4后工況5至工況7中溫度作用和活荷載同時出現(xiàn)時，相鄰樓層的相對變形向下最大在工況6減工況4的18層減17層的5號節(jié)點，為7.46 mm，表征有效間隙L′b；相對變形向上最大在工況7減工況4的18層減17層的4號節(jié)點，為-4.94 mm，表征搭接長度Lb（見圖7）。

圖7 減去工況4后相對變形極值曲線

4.4.2 工況5至工況7各樓層隨機出現(xiàn)的相對變形分析

減去工況4后工況5至工況7中溫度作用和活荷載隨機出現(xiàn)時，相鄰樓層的相對變形向下最大在屋面層與20層交界處（20層樓面插接縫處，20層無活荷載）的8號節(jié)點，為11.33 mm，表征有效間隙L′b；向上最大在18層與17層交界處（17層樓面插接縫處，18層無活荷載，17層有活荷載，懸索處于低溫）的8號節(jié)點，為-12.2 mm，表征搭接長度Lb（見圖 8）。

圖8 隨機可變荷載的相對變形曲線

4.5 變形分析小結

（1）根據(jù)案例分析，表征有效間隙 L′b>max（4.09，7.46，11.33）=11.33 mm，表征有搭接長度 Lb>max（|-25.6|，|-4.94|，|-12.2|）=25.6 mm。

（2）式（1）應該添加主體結構梁的彎曲變形項df，必要時還應考慮主體結構柱的壓縮變形dp，則式（1）修改為：

（3）結構變形計算出的有效間隙和搭接量并非雙向完全對稱。

5 結語

（1）設計時要了解工程所在地的氣候條件和施工時的氣溫情況，對溫度敏感結構或構件要適時調(diào)整設計尺寸，如本文中溫度變化分析和結構變化分析中的懸索結構的溫度變化的影響。

（2）從結構變形的影響因素可以看出，幕墻附著的載體并非無窮剛的，主體結構變形對幕墻的影響不可忽視。

（3）對結構變形的吸收和適應不能直接采用結構變形的絕對值，也不是單純的采用相對變形，要分清工況的產(chǎn)生順序，哪些變形是幕墻施工前產(chǎn)生的，哪些是施工過程中產(chǎn)生的，哪些是施工完成產(chǎn)生的，哪些是恒定的，哪些是可變的，針對不同工況采取不同的應對措施。

（4）設計階段采取與施工相關的技術措施要落實到施工方案中，如本文溫度變化中的施工溫度，結構變形中的工況1至工況3的解決方法，工況4中的預留間隙或搭接量的復位時機及點位，工況4中所提到的常溫作用的溫度等。