建筑幕墻構(gòu)件的力學(xué)性能分析

趙敬義，盧啟財，向 宇

(1.濟南歷下控股集團有限公司，山東濟南 250000；2.中國建筑西南設(shè)計研究院有限公司，四川成都 610042)

建筑幕墻作為建筑外圍護結(jié)構(gòu)和裝飾結(jié)構(gòu)，將抗風、防水、保溫、隔熱等使用功能與建筑裝飾功能融合為一體，深受業(yè)主、建筑師的青睞[1]。隨著國民經(jīng)濟的持續(xù)快速發(fā)展和城市化進程的加快，建筑技術(shù)飛速進步。各種先進的生產(chǎn)工藝、加工工藝不斷迭代，各種新型材料不停涌現(xiàn)，使得建筑幕墻的應(yīng)用更加廣泛。

長期以來，幕墻工程常與一般建筑裝飾工程一概而論，在設(shè)計、施工和驗收過程中對幕墻的構(gòu)造和力學(xué)性能不夠重視。幕墻在實際使用過程中，承受著自身結(jié)構(gòu)自重、風荷載、地震作用、溫度變化等，正確評估和計算幕墻承受的作用和作用組合、準確分析各種作用和作用組合下的幕墻結(jié)構(gòu)效應(yīng)非常重要。隨著建筑幕墻應(yīng)用范圍的不斷擴大，幕墻構(gòu)造向著大空間、大跨度方向發(fā)展，幕墻力學(xué)計算模型越來越復(fù)雜，忽視幕墻構(gòu)造和力學(xué)性能會導(dǎo)致嚴重的問題。這些問題有的影響建筑效果、使用功能，例如玻璃平整度不夠、幕墻局部滲漏[2]；有的還可能造成安全事故，例如玻璃破碎、窗扇脫落。

本文通過對建筑幕墻面板、支承結(jié)構(gòu)體系及連接構(gòu)件力學(xué)計算模型的分析，為正確進行幕墻的設(shè)計、施工提供參考。

1 面板

幕墻的面板直接承受重力荷載、風荷載和地震作用，在垂直于玻璃平面的風荷載和地震作用下，面板截面最大應(yīng)力可按照考慮幾何非線性的有限元方法計算，也可通過規(guī)范所列公式進行計算。矩形板常采用四邊支承、對邊支承或多點支承的連接形式[3]。設(shè)置合理的支承形式，可以提高面板的承載力和變形能力，減小設(shè)計厚度，降低幕墻自重。例如一塊寬1.5 m，高5.0 m的點支承式玻璃，采用八點支承連接形式，不僅保證了通透簡潔的建筑效果，同時也將玻璃的厚度和自重控制在了可實施的范圍內(nèi)(圖1)。

圖1 八點支承玻璃計算簡圖

相反，過大的幕墻分格尺寸則會增大幕墻面板厚度、增加面板連接的復(fù)雜程度。從而影響面板的加工、運輸和安裝。因此，在確定幕墻分格大小時，需要綜合考慮建筑效果和面板受力的合理性，采用經(jīng)濟合理、安全可行的分格尺寸，降低成本、提升幕墻連接的可靠性。

2 立柱

由于幕墻體系可相對主體結(jié)構(gòu)有一定位移能力且不分擔主體結(jié)構(gòu)所受作用，因此作為幕墻主要受力構(gòu)件的立柱，不僅需要保證在荷載、地震和溫度作用下有足夠的承載力，同時要求其支承條件有一定的變形能力以適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)的位移。

立柱通過螺栓與轉(zhuǎn)接件和主體結(jié)構(gòu)連接，可以簡化為一端為固定鉸支座、另一端為滑動鉸支座的簡支梁力學(xué)模型(圖2)。幕墻立柱一般采用截面較小的鋁合金型材和鋼型材，在偏心受壓時容易失穩(wěn)，設(shè)計中宜將立柱上端設(shè)置為固定支座，下端通過長條孔或芯筒設(shè)置為滑動支座，以保證立柱在自重作用下為受拉構(gòu)件[4]。根據(jù)簡支梁在均布荷載下的撓度計算公式，簡支梁的最大撓度與梁跨度的四次方成正比。

其中：l為建筑層高。

隨著層高l增加，需要采用大截面尺寸的型材或桁架作為幕墻龍骨來保證計算撓度滿足設(shè)計要求，但這種大型材或大桁架會影響建筑立面效果和建筑的使用空間。

為減小幕墻立柱的撓度，可采用雙跨連續(xù)梁計算模型(圖3)。對比跨度相同的簡支梁和雙跨梁模型，立柱計算撓度顯著減小。但雙跨梁中第三支點的加入，使立柱最大剪力和最大彎矩增大，支點反力也會增大，在設(shè)計中應(yīng)引起重視。此外，采用雙跨梁模型，短跨的長度不應(yīng)小于總跨度的1/10，因此當主體結(jié)構(gòu)梁高較小時應(yīng)謹慎采用雙跨梁模型。

圖2 簡支梁計算模型

圖3 雙跨梁計算模型

當建筑上下層有進出關(guān)系時，幕墻布置在上下兩層的樓板之間，幕墻立柱為上頂下座構(gòu)造(圖4)，結(jié)構(gòu)樓板將承受一層幕墻的自重和水平荷載，如果樓板的受力不能滿足要求，可增加結(jié)構(gòu)次梁或鋼梁為幕墻提供連接。建筑出屋面的部分設(shè)置幕墻遮擋屋面設(shè)備時，超出屋面部分的幕墻立柱為懸臂梁計算模型，其強度和剛度都不易控制。若幕墻懸挑尺寸較大，還需復(fù)核女兒墻或屋面樓板承載力能否滿足要求。一般來說，女兒墻壓頂很難承受懸挑幕墻的反力，建議將磚砌的女兒墻改為結(jié)構(gòu)反梁。為避免出現(xiàn)大懸挑立柱，可增加主體結(jié)構(gòu)花架梁或為幕墻設(shè)置斜撐或鋼桁架(圖5)。

圖4 上頂下坐構(gòu)造

圖5 出屋面斜撐構(gòu)造

3 連接構(gòu)件

幕墻的面板與立柱橫梁之間、立柱與主體結(jié)構(gòu)之間通過連接構(gòu)件連接并傳遞荷載。

3.1 隱框玻璃幕墻硅酮結(jié)構(gòu)膠

隱框玻璃幕墻的玻璃通過結(jié)構(gòu)膠與副框連接，確定硅酮結(jié)構(gòu)膠的寬度和厚度在隱框玻璃幕墻設(shè)計中尤為關(guān)鍵。硅酮結(jié)構(gòu)膠膠體的寬度和長度主要用作抵抗玻璃面板傳遞來的平面外風荷載、地震作用和重力荷載；膠體的厚度主要用來消化主體結(jié)構(gòu)層間變形對隱框玻璃幕墻的不利影響。

中國建筑工程行業(yè)標準JGJ 102-2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》中規(guī)定，硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的粘接厚度ts(圖6)應(yīng)符合下式的要求。

1.玻璃；2.墊條；3.硅酮結(jié)構(gòu)密封膠；4.鋁合金框圖6 硅酮結(jié)構(gòu)密封膠粘接厚度示意

其中：ts為硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的粘接厚度(mm)；us為玻璃幕墻的相對于鋁合金框的位移(mm)，由主體結(jié)構(gòu)側(cè)移產(chǎn)生的相對位移可按us=θhg計算，必要時還應(yīng)考慮溫度變化產(chǎn)生的相對位移；θ為風荷載標準值作用下主體結(jié)構(gòu)的樓層彈性層間位移角限值(rad)；hg為玻璃面板高度(mm)，取其邊長a或b；δ為硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的變位承受能力，取對應(yīng)于其受拉應(yīng)力為0.14N/mm2時的伸長率。

根據(jù)以上公式可以看出，在選擇相同硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的情況下，膠體厚度主要受玻璃面板高度hg和主體結(jié)構(gòu)形式的影響。劉軍進等人[5]對硅酮結(jié)構(gòu)密封膠粘接厚度的設(shè)計方法進行了系統(tǒng)研究。

3.2 幕墻與主體結(jié)構(gòu)的連接

立柱通過轉(zhuǎn)接件與主體結(jié)構(gòu)連接，轉(zhuǎn)接件懸臂端承受幕墻的自重荷載和水平荷載(圖7)。轉(zhuǎn)接件的長度越短，其根部承受的彎矩就越小，對于轉(zhuǎn)接件和埋件就越安全。設(shè)計中應(yīng)在保證幕墻構(gòu)造厚度要求的情況下，盡量減小幕墻與主體結(jié)構(gòu)之間的間距。懸挑較長的轉(zhuǎn)接件應(yīng)增加斜撐(圖8)。

圖7 連接件受力示意

4 埋件

幕墻埋件按形式時序可分為預(yù)埋件和后補埋件，無論預(yù)埋件還是后補埋件，應(yīng)能夠承受幕墻傳遞來的剪力、壓力、彎矩的共同作用。連接件與主題結(jié)構(gòu)的錨固承載力設(shè)計值應(yīng)大于連接件本身的承載力設(shè)計值。埋件與建筑主體結(jié)構(gòu)連接的可靠性和耐久性將直接影響幕墻結(jié)構(gòu)的安全與使用壽命。

4.1 平板預(yù)埋件

平板預(yù)埋件的構(gòu)造要求：受力直錨筋不小于4根且不宜多于4層；錨筋直徑不小于8 mm且不宜大于25 mm。為了保證焊接轉(zhuǎn)接件方便，錨板的尺寸不宜太小，通常采用200X250X8錨板(圖9)，錨筋采用4根φ12HRB400鋼筋。由于錨筋距離構(gòu)件邊緣的距離不應(yīng)小于6倍錨筋直徑(6×12=72 mm)，因此需要埋置預(yù)埋件的梁寬不應(yīng)小于250 mm，壓頂過梁也應(yīng)該滿足這個尺寸要求。

圖9 平板預(yù)埋件

4.2 槽式預(yù)埋件

槽式預(yù)埋件由特殊形狀槽鋼和錨筋組成[6](圖10)。金屬槽可由鋼板折彎、鑄件、鍛件制成。錨筋通過焊接或鉚接形式同槽鋼連接。相比于平板預(yù)埋件，槽式預(yù)埋件加工工藝簡單，質(zhì)量檢驗方便，體積小施工方便。但承載力略遜與平板埋件，不適用與大跨度和大懸挑的幕墻。

圖10 槽式預(yù)埋件

4.3 后補埋件

當沒有條件采用預(yù)埋件連接時，可采用后補埋件。后補埋件采用擴底型機械錨栓或化學(xué)錨栓與主體結(jié)構(gòu)連接。但由于后補埋件的安裝質(zhì)量受現(xiàn)場施工條件和人員水平的影響非常大，后補埋件承載力和構(gòu)造尺寸經(jīng)常達不到設(shè)計要求，所以在設(shè)計階段和施工配合階段，應(yīng)該盡量保證幕墻對主體結(jié)構(gòu)反力較大的部位采用預(yù)埋件。

5 雨篷

根據(jù)受力形式的不同，雨篷常分為懸挑雨篷(圖11)、拉桿雨篷(圖12)。

圖11 懸挑雨蓬

圖12 拉桿雨蓬

5.1 懸挑雨篷

懸挑雨篷的主受力桿件為懸臂梁，桿件根部有較大的豎向剪力和彎矩，雨蓬桿件應(yīng)與主體結(jié)構(gòu)可靠連接。為了滿足根部的剛接條件，懸挑雨篷的根部焊縫是需要重點計算復(fù)核的地方，當根部彎矩較大時，也可以通過增加加勁肋保證雨篷桿件根部的強度，并應(yīng)盡量避免使用后補埋件。但在工程實踐中，常會遇到雨篷不在結(jié)構(gòu)梁標高的位置的情況，如此雨蓬桿件只能連接在幕墻立柱上，由于立柱變形和雨篷龍骨變形的疊加，會使得雨篷的撓度很大，在設(shè)計中應(yīng)盡量減小雨篷懸挑尺寸并加大幕墻立柱和雨篷龍骨來保證雨篷的變形滿足要求。

5.2 拉桿雨蓬

當雨篷尺寸過大，主體結(jié)構(gòu)可能無法承受其產(chǎn)生的根端彎矩?？梢圆捎美瓧U雨篷。通過拉桿，雨蓬主龍骨由懸挑構(gòu)件變?yōu)楹喼?gòu)件，雨蓬根端彎矩被轉(zhuǎn)化成桿件的軸力，對埋件和主體結(jié)構(gòu)的受力都更加有利。根據(jù)GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》8.3.3第2條，雨篷等突出構(gòu)件，局部體形系數(shù)取-2.0。因此，雨蓬的負風壓一般較大，當雨篷自重不足以平衡負風作用時，雨篷將會受到豎直向上的合力作用，在設(shè)計拉桿雨篷時應(yīng)注意拉桿的受壓穩(wěn)定。

6 結(jié)束語

本文分析了建筑幕墻主要構(gòu)件的受力性能和計算模型，給出了幕墻主要構(gòu)件計算的適用公式和設(shè)計步驟，列出了在幕墻設(shè)計和施工中經(jīng)常被忽視的力學(xué)和構(gòu)造問題并提出了解決思路，適用于工程中各種幕墻的結(jié)構(gòu)分析和計算。