關(guān)于某地建筑幕墻地標(biāo)的幾點(diǎn)探討

朱平

0 引言

某地建筑幕墻地標(biāo)正式發(fā)布實(shí)施以來，在國內(nèi)幕墻工程界獲得了廣泛關(guān)注，甚至被直接借鑒和引用，為規(guī)范和發(fā)展幕墻工程技術(shù)做出了一定貢獻(xiàn)。但以下條文或許值得深入探討或商榷。

1 關(guān)于“消防救援窗的應(yīng)急擊碎玻璃應(yīng)采用厚度不大于8mm 的單片鋼化玻璃或中空鋼化玻璃”相關(guān)條文的探討

應(yīng)急擊碎玻璃應(yīng)采用厚度不大于8mm 的單片鋼化玻璃或中空鋼化玻璃，此條過于嚴(yán)苛。理由如下：消防救援時幾乎都是專業(yè)的消防人員執(zhí)行任務(wù)，考慮消防作業(yè)時的內(nèi)外客觀干擾因素，訓(xùn)練有素的專業(yè)消防隊(duì)員在全力一擊時，揮消防斧敲擊玻璃的速度應(yīng)該在10m/s 左右。消防救援作業(yè)時，消防斧一般為標(biāo)準(zhǔn)配置，查詢國家標(biāo)準(zhǔn)GA 138-2010《消防斧》可知，最輕的消防尖斧715 型質(zhì)量約2kg 左右，斧頭尖接觸面直徑φ約1mm，敲擊接觸面積A 約0.785mm左右。消防斧敲擊玻璃時，從斧尖接觸玻璃到玻璃破碎前瞬間的變形時間不超過0.1s。依據(jù)沖擊力計算公式（1）：

：沖擊力，單位N；

：沖擊物質(zhì)量，單位kg；

：速度，單位m/s；

：沖擊接觸時間，單位s。

經(jīng)過計算可得出F=200N，則敲擊玻璃造成的瞬間應(yīng)力為：

A：斧頭尖接觸面積，單位mm

經(jīng)計算σ ≈255N/mm，依據(jù)JGJ 113-2015《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》可知，12mm 鋼化玻璃中部強(qiáng)度為84 N/mm，即使考慮實(shí)際偏差范圍，極限強(qiáng)度≤110 N/mm，通過上述模擬推導(dǎo)可知，消防救援時消防員用消防斧足以輕松擊碎12mm的鋼化玻璃。當(dāng)然，上述推導(dǎo)僅為理論研究，還應(yīng)輔以大量的試驗(yàn)驗(yàn)證，通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)佐證上述推導(dǎo)的正確性。

2 關(guān)于“四邊支承的隱框、半隱框玻璃幕墻中，玻璃和鋁框之間硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的粘接寬度Cs，應(yīng)根據(jù)受力情況分別按公式10.6.3-1、10.6.3-2 計算，取計算結(jié)果的較大值” 相關(guān)條文的探討研究

該條文公式僅適用于四邊支撐的情況，其它邊支撐情況沒有給出表達(dá)式，建議采用通用表達(dá)式（3），以滿足所有邊支撐形式：

公式（3）中設(shè)置荷載類型調(diào)整系數(shù)，理由是一般可變荷載持續(xù)作用時間不長，同時支撐黏膠邊為三角形線荷載，取峰值計算結(jié)果過于保守。當(dāng)然是否設(shè)置荷載類型調(diào)整系數(shù)，調(diào)整系數(shù)取值多少，可以通過試驗(yàn)驗(yàn)證，以試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)。

3 關(guān)于“明框幕墻中空玻璃面板、中空夾層玻璃面板與型材槽口的配合尺寸應(yīng)符合表11.2.17 的規(guī)定”相關(guān)條文的探討

表11.2.17 中空玻璃、中空夾層玻璃與槽口的配合尺寸（mm）

玻璃在荷載作用下從型材槽口脫槽，主要有以下三點(diǎn)：玻璃平面外變形過大、玻璃入槽深度b 嚴(yán)重不足、型材槽口支撐邊（圖1 綠色線框標(biāo)識處）剛度或強(qiáng)度過低而發(fā)生過大變形。即使以目前的工程制造技術(shù)水平，玻璃短邊最大做到3 000mm，撓度變形按1/60 控制，玻璃平面外變形值僅50mm。依據(jù)幾何推導(dǎo)可知，當(dāng)50mm 平面外變形時，玻璃面板支撐邊平面內(nèi)移動不超過2.3mm。顯然，“玻璃平面外變形過大、玻璃入槽深度b 嚴(yán)重不足”僅為玻璃脫槽的次要因素，主要因素應(yīng)為型材槽口支撐邊（圖1 綠色線框標(biāo)識處）剛度或強(qiáng)度過低而發(fā)生過大變形。36mm（圖1 紅色線框標(biāo)識處）及以上厚度的玻璃入槽深度要求25mm（圖1 紅色線框標(biāo)識處）及以上深度，反而會加大槽口支撐邊懸臂長度（c+b 尺寸變大，圖1 藍(lán)色圓圈至黑色圓圈距離），結(jié)構(gòu)承載更危險。因此，不同厚度玻璃要求入槽深度20mm，已可確保工程安全可靠，一味加大入槽深度沒有必要且不合理。

圖1 玻璃入槽示意圖

4 關(guān)于“鎖點(diǎn)應(yīng)根據(jù)計算確定，且鎖點(diǎn)間距不宜大于600mm，邊距不應(yīng)大于300mm”相關(guān)條文的探討

通過計算分析來優(yōu)化確定鎖點(diǎn)最合理布點(diǎn)位置及數(shù)量，多鎖點(diǎn)相互之間承受的剪力分布相對均衡，鎖點(diǎn)之間窗扇與窗框型材的相對變形基本一致。每個鎖點(diǎn)承受的剪力值可以精確地計算分析鎖點(diǎn)強(qiáng)度承載能力，確保各種工況荷載作用下鎖點(diǎn)不至于剪切破壞以及便于鎖點(diǎn)的選型。鎖點(diǎn)之間窗扇與窗框型材的相對變形值可以定量分析窗扇與窗框之間防水密封性能，密封膠條在荷載作用下還能維持多大壓縮量。

鎖點(diǎn)分布及受力計算分析相對來說實(shí)現(xiàn)比較容易，這里不再贅述。下面通過SAP2000 來簡單示例分析，如何計算鎖點(diǎn)間窗扇與窗框的相對變形值。假定計算條件如下：立柱間距1 500mm、立柱跨度4 200mm（簡支梁力學(xué)模型）、窗間墻高度1 200mm、窗下框高度900mm、窗高1 000mm；風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)值為2.5kN/m、地震荷載標(biāo)準(zhǔn)值0.2 kN/m；立柱型材規(guī)格185mm×80mm×3mm（自重程序自動加載）、橫梁型材規(guī)格140mm×80mm×3mm（自重程序自動加載）、窗扇型材規(guī)格70mm×45mm×3mm（自重程序自動加載，窗框省略，利用橫梁代替）、玻璃面板規(guī)格12mm（實(shí)際用無平面外剛度的虛擬面板代替?zhèn)髁?，面板自重手動點(diǎn)荷載加載）；組合標(biāo)準(zhǔn)1.0 風(fēng)載+1.0 自重荷載，用于計算鎖點(diǎn)間相對變形值。窗扇與窗框相對變形通過鎖點(diǎn)處偶合協(xié)同變形來實(shí)現(xiàn)，側(cè)及下窗扇與窗框間鎖點(diǎn)處偶合全局坐標(biāo)系Y方向的變形（圖2中紅色線框標(biāo)識處），頂部窗扇與窗框間鎖點(diǎn)處偶合全局坐標(biāo)系Y、Z 方向的變形（圖2 中綠色線框標(biāo)識處）。分析結(jié)果如下（分析過程略）：窗扇與窗框側(cè)邊框最大相對變形D=0.893mm、窗扇與窗框下邊框最大相對變形D=0.349mm。窗扇與窗框之間密封膠條設(shè)計時應(yīng)考慮在荷載作用下的窗與框相對變形余量Max（D、D）+防水密封需求壓縮量+窗扇與窗框膠條位置間隙。

圖2 模型約束示意圖

5 關(guān)于“鋼鋁共同工作的組合截面按剛度分配時，鋁材部分荷載分配時增加調(diào)整系數(shù)”相關(guān)條文的探討

如果鋁材部分荷載分配時增加調(diào)整系數(shù)，則可以推導(dǎo)出鋁材部分撓度變形值必然大于鋼材部分撓度變形值，這顯然與鋼鋁共同工作的組合截面按剛度分配原理不一致。另外，即使鋼鋁共同工作時橫截面兩個方向約束，垂直于橫截面的軸向不約束，而導(dǎo)致鋁材和鋼材軸向變形不同步。鋁材與鋼材垂直于軸向方向的相對變形仍然會一致，也僅會出現(xiàn)鋁材變形值和應(yīng)力值比軸向約束時偏大而鋼材應(yīng)力值偏小的問題。因此，不存在鋼鋁相對變形不一致的情況。即使是鋼鋁共同工作時，施加的各向約束沒有計算模型那么理想，從而導(dǎo)致實(shí)際承載的鋁材應(yīng)力值和變形值大于理論計算值而需設(shè)置調(diào)整系數(shù)，則鋼鋁桿件也應(yīng)共同設(shè)置調(diào)整系統(tǒng)，同比例放大，以確保鋼鋁桿件相對變形一致。

下面通過公式計算和SAP2000 模擬分析兩種情況：第一種為鋼鋁共同工作時，嚴(yán)格按剛度分配完全協(xié)同變形（公式計算）；第二種為鋼鋁共同工作時，除了軸向變形不協(xié)同外，耦合點(diǎn)間距為250mm，其它方向協(xié)同變形（SAP2000 分析）。計算假定條件：立柱分格間距為1 500mm，立柱跨度5 500mm，立柱為簡支梁力學(xué)模型；鋁立柱截面規(guī)格為180mm×100mm×3mm、鋼立柱截面規(guī)格為160mm×80mm×6mm；風(fēng)載標(biāo)準(zhǔn)值為2.5kN/m、地震荷載標(biāo)準(zhǔn)值0.2 kN/m、自重程序自動加載；組合設(shè)計值1.5 風(fēng)載+1.3自重荷+0.65 地震荷載、組合標(biāo)準(zhǔn)值1.0 風(fēng)載+1.0 自重荷載。分析結(jié)果如下：第一種情況（僅提供結(jié)果，計算過程略），鋁材應(yīng)力為59.442772N/mm、鋼材應(yīng)力為155.676152N/mm、撓度變形值為18.978473mm;第二種情況（僅提供結(jié)果截圖，計算過程略），鋁材應(yīng)力為60.828N/mm（詳見圖3）、鋼材應(yīng)力為154.571N/mm（詳見圖4）、撓度變形值為19.057262mm（詳見圖5）。兩種情況下：鋁材強(qiáng)度比值約為1.023、鋼材強(qiáng)度比值約為0.993，撓度變形比值約為1.004151。如果強(qiáng)度利用率按≤85%、撓度利用率按≤90%來控制，則完全不用考慮調(diào)整系數(shù)，但如果鋼鋁橫截面非軸向相對位移不加約束，則結(jié)構(gòu)承載安全風(fēng)險較高，增加調(diào)整系統(tǒng)也解決不了問題。

圖3 鋁立柱應(yīng)力示意圖

圖4 鋼立柱應(yīng)力示意圖

圖5 鋼、鋁立柱撓度示意圖

6 關(guān)于幕墻室內(nèi)側(cè)相關(guān)條文的探討

幕墻室內(nèi)側(cè)的相關(guān)條文“具備以下條件之一可不設(shè)護(hù)欄：在應(yīng)設(shè)置護(hù)欄高度位置設(shè)有幕墻橫梁，且橫梁與立柱經(jīng)抗沖擊專項(xiàng)驗(yàn)算，滿足可能發(fā)生的沖擊力。沖擊力標(biāo)準(zhǔn)值取1.2kN，應(yīng)計入沖擊系數(shù)1.50、荷載分項(xiàng)系數(shù)1.40。玻璃厚度、面積及防護(hù)措施符合《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ 113-2015 規(guī)定；中空玻璃的內(nèi)片選用鋼化玻璃，單塊玻璃面積不大于3.0m，厚度不小于8mm；中空玻璃的內(nèi)片選用夾層玻璃，單塊玻璃面積不大于4.5m，厚度不小于12.76mm；單塊玻璃面積大于4.5m，中空玻璃的內(nèi)片采用夾層玻璃，厚度經(jīng)專項(xiàng)計算確定，計算時荷載作用于玻璃板塊中央，沖擊力標(biāo)準(zhǔn)值1.5kN，沖擊系數(shù)1.50，荷載分項(xiàng)系數(shù)1.40，且厚度不小于12.76mm?！?/p>

幕墻室內(nèi)側(cè)設(shè)置護(hù)欄最主要一點(diǎn)就是防止人員的臨空墜落，既需有一定的防護(hù)高度，又需有一定抗沖擊能力。因此，幕墻室內(nèi)側(cè)如不設(shè)置護(hù)欄，要從以下兩個方面加以考慮：一是要有一定防護(hù)高度，二是各構(gòu)件要有一定抗沖擊能力。對于幕墻來說，具備一定的防護(hù)高度比較容易實(shí)現(xiàn)，抗沖擊能力的驗(yàn)證則分為兩種情況。一種情況：在1.1（1.2）m 防護(hù)高度設(shè)置幕墻橫梁充當(dāng)護(hù)欄的扶手，可假定該橫梁、幕墻立柱、幕墻面板均直接承受沖擊荷載作用，其它構(gòu)件間接承受沖擊荷載作用，具體如下：沖擊荷載作用該橫梁跨中及端部連接位置，沖擊荷載作用立柱距可踏面0.8m、1.2m 兩個高度的位置，沖擊荷載作用幕墻面板左右跨中且高度0.8m 位置，其它間接承受沖擊荷載構(gòu)件依據(jù)力傳導(dǎo)復(fù)核；另一種情況：防護(hù)高度不設(shè)置幕墻橫梁，可假定幕墻立柱、幕墻面板均直接承受沖擊荷載作用，其它構(gòu)件間接承受沖擊荷載作用，具體如下：沖擊荷載作用立柱距可踏面0.8m、1.2m 兩個高度的位置，沖擊荷載作用幕墻面板左右跨中且高度0.8m、1.2m 的兩個位置，其它間接承受沖擊荷載構(gòu)件依據(jù)力傳導(dǎo)復(fù)核。上述兩種情況，作用幕墻面板上的沖擊荷載，受荷面積可按直徑150mm 范圍考慮。并應(yīng)依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）、《建筑用玻璃與金屬護(hù)欄》（JG/T 342-2012）、《建筑防護(hù)欄桿技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（JGJ/T 470-2019）、《建筑幕墻耐撞擊性能分級及檢測方法》（GB/T 38264-2019）中關(guān)于護(hù)欄承受的荷載、沖擊能量值和試驗(yàn)方法，在直接承受荷載構(gòu)件上施加靜荷載和沖擊荷載，來從理論上分析驗(yàn)證幕墻各構(gòu)件是否滿足規(guī)范要求。理論分析計算的同時，還應(yīng)進(jìn)行耐撞擊試驗(yàn)驗(yàn)證，兩種方式都驗(yàn)證通過后方能認(rèn)定安全可靠。

沖擊力模擬分析過程如下：依據(jù)文獻(xiàn)[6]，室內(nèi)2 級軟重物體沖擊能量為980J、室內(nèi)1 級硬重物體沖擊能量為10.2J。依據(jù)文獻(xiàn)[4]附錄D、附錄E，軟重物質(zhì)量45kg,硬重物質(zhì)量1.04kg。假定，軟體沖擊時的接觸時間t 為0.5s，硬體沖擊時的接觸時間t 為0.05s。假定，按可變動荷載考慮，動載系數(shù)為2，分項(xiàng)系數(shù)為1.5。依據(jù)力學(xué)知識可知，沖擊力公式詳見前文公式（1）及公式（4）（5）：

：沖擊力標(biāo)準(zhǔn)值，單位N；

F：沖擊力設(shè)計值，單位N；

：沖擊能量，單位N.m；

：沖擊物質(zhì)量，單位kg；

：自由落體時速度，單位m/s；

g：加速度，9.8N/kg；

：自由落地高度，單位m；

：沖擊接觸時間，單位s。

將已知條件代入上述公式可得：M=45kg、M=1.04kg、E=980J、E=10.2J、t=0.5s、t=0.05s、H=2.2m、H=1m、V=6.6m/s、V=4.43m/s、F=594N、F=1782N、F=92N、F=276N。通過模擬分析可知，上述分析得出的沖擊力標(biāo)準(zhǔn)值僅為該地標(biāo)沖擊力標(biāo)準(zhǔn)值1.5kN 的40%左右，該地標(biāo)沖擊力標(biāo)準(zhǔn)值過于保守，經(jīng)濟(jì)安全性比值偏低，不合理。因此，建議該地標(biāo)后續(xù)修訂時明確直接或間接承受沖擊荷載的構(gòu)件，明確面板承受沖擊荷載時的受荷面積，確保實(shí)施時的可操作性。

7 結(jié)論

在標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范修編時能夠持更加嚴(yán)謹(jǐn)、科學(xué)及實(shí)事求是的態(tài)度，盡可能地給出翔實(shí)的理論原理或合理注釋、推導(dǎo)公式、參考解決方案，甚至手工難以求解之處給出計算機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)代碼，從而使標(biāo)準(zhǔn)或規(guī)范在工程應(yīng)用中有規(guī)可循、有據(jù)可查，真正地起到指導(dǎo)和約束作用。