幕墙结构计算及构造要点分析

幕墙结构计算及构造要点分析

杨欢军

浙江亚厦幕墙有限公司

摘要：随着我国经济的发展越来越好，幕墙在建筑围护中的使用越来越多，在满足建筑功能需要的同时，也呈现出了更美观的建筑效果；但由于设计人员能力的参差不齐，在设计过程中也引发不少问题，如开口薄壁转接件在偏心使用时，抗扭承载力不能满足要求，荷载取值时取值不当，玻璃及结构胶计算时所取参数不能满足规范要求等设计问题，而结构设计是整个工程的一个重点，它直接影响人民财产和生命的安全，因此本文对建筑幕墙结构计算的一些要点进行探讨分析，本文将结合所做过的工程实例及审图中发现的问题进行分析，以使建筑幕墙结构设计更好的满足受力和规范要求，从而保证结构的安全。

关键词：幕墙设计；结构抗扭；荷载取值；

Abstract：WithmoreandbetterdevelopmentofChina'seconomy，moreandmoreusedincurtainwallinbuildingstructures，tomeetthebuildingfunctionneedandalsoshowingamorebeautifularchitecturaleffect；butduetounevendesignability，inthedesignprocessalsocausedalotofproblems，suchasthin-walledeccentricconnectorinuse，torsioncannotmeettherequirementsofbearingcapacity，loadvalueisnotproper，thedesignproblemofglassandstructuralgluewhencalculatingtheparameterscannotmeetthespecificationrequirements，andstructuredesignisakeytothewholeproject，itdirectlyaffectspeople'slifeandpropertysafety，sosomepointsarecalculatedinthispaperforconstructioncurtainwallstructurethediscussionandanalysisfoundthatthispaperwillcombinetheworksdonebydrawingexamplesandproblemsintheanalysis，inordertobettermeetthedesignofcurtainwallstructureStressandstandardrequirementstoensurethesafetyofthestructure

Keywords：Curtainwalldesign；Structuraltorsion；loadassumption

1引言

结构设计是幕墙设计的根本，它关系到幕墙能不能采用的问题，幕墙在建筑中的应用越来越广泛，社会上出现了大量的设计机构和设计人员，但由于幕墙设计门框较低，造成现在很多幕墙从业人员专业不对口，力学知识欠缺，安全意识不强，且由于力学知识不扎实和对规范不熟悉，造成力学简化模型与实际不符，计算参数取值不对，有时设计师对一些安全问题没有重视，对一些需要计算的地方，存在漏算，从而使设计出来的图纸存在一定的安全隐患，在以后的使用过程中可能会对人民生命和财产造成严重的威胁，因此以下将重点就幕墙设计安全需要把控的部分要点进行探讨。

2幕墙设计的抗扭安全问题

在幕墙结构体系中，由于功能及建筑效果的需要，面板相对横梁一般都存在一定偏心，这样就造成横梁承担一定的附加抗扭，对于没有截面削弱的截面，一般承载力没有问题，但对部分封闭杆件，为了安装会在截面端头开设安装孔，从而使封闭截面变为开口截面，但封闭截面与开口截面的抗扭承载力差别很大，很多时候会不能满足受力要求，但由于规范中没有给出明确的计算公式，且计算比较复杂，被很多设计师忽略不算，这就给以后的使用带来了很大的安全隐患，现对这一问题进行进一步分析；

由张少实主编《新编材料力学》第2版，关于截面抗扭计算可知，闭口薄壁截面横截面上最大切应力在壁厚δ最小处，即τmax=T/（2ωδ），T：杆件承受扭矩，ω：为横截面中心线所围区域的面积；而开口薄壁杆横截面最大切应力在最厚部分狭长矩形长边的中点处，其值τmax=Tδmax/It，It=Σhiδi3/3。

2.1主结构钢梁抗扭

在建筑幕墙设计过程中，常常出现H型钢梁单边外挑雨棚的情况，该结构受力很不合理，假定普通H型钢梁截面H500X200X10X16，材质Q235B，由上述公式可知，在纯扭作用下，其抗扭承载力为Tmax=τmaxIt/δmax=5.5Kn.m，如果该截面改为闭口箱型截面口500X200X8X8，该钢梁在纯扭作用下，其抗扭承载力为Tmax=τmax2ωδ=178.11Kn.m，上述计算可知，在用钢量基本相同的情况下，箱型梁口500X200X8X8抗扭承载力是H型梁H500X200X10X16抗扭承载力的32倍，因此当结构布置出现钢梁单边外挑构件时，应采用闭口截面钢梁。

2.2立柱与主体连接转接件抗扭

在石材幕墙设计中，转接件一般为双角钢或双槽钢，由于空间限制，但在个别转角位置改为了单角钢或单槽钢，如下图1所示；

转接件为单个10#槽钢，在纯扭作用下，其抗扭承载力为Tmax=τmaxIt/δmax=0.35Kn·m，该工程石材厚度30mm，层高3.6m，根据计算，上端转接件承受扭矩为0.53Kn·m，超出转接件的抗扭承载力，不能满足要求，现改为相似用钢量的闭口截面矩形管80X50X5，在纯扭作用下，其抗扭承载力为Tmax=τmax2ωδ=5.2Kn·m，大于杆件所受扭矩，能够满足承载力要求，通过计算可知，相似用钢量，闭口截面矩形管80X50X5抗扭承载力为开口截面10#槽钢的14.8倍；由此可见，转接件采用单个开口截面是存在很在安全隐患的，在设计中应该避免，尽量采用双转接件，空间位置无法满足时，应采用单个闭口截面；

3幕墙结构设计中需要把控的要点

由于幕墙结构设计是一个系统性的工作，在设计的过程中，需要从计算模型的简化，荷载的取值及施加，设计参数的取值，计算结果的判断的一系列的流程，对专业性要求较高，所以在结构设计过程，对部分控制点要进行认真判断和分析。现将结合实际工作经验将幕墙设计中比较常见的问题及完善办法汇总如下。

3.1幕墙结构设计时风荷载取值需要注意的设计要点

幕墙在实际的使用过程中受到的水平荷载主要有风荷载和地震作用，但由于幕墙本身自重较轻，地震产生的荷载较小，根据规范说明，一般为风荷载的10%左右，远小于风荷载，因此抗风设计对幕墙构件本身而言是主要考虑因素：

幕墙风荷载体型系数应根据《建筑结构荷载规范》规定取值，需要区分大面和角部，如果大面和角部结构布置一致，应按照最不利的角部取值，当为檐口等突出构件时应按照《玻璃幕墙工程技术规程》条纹说明取体型系数-2.0；

（2）幕墙中雨棚风荷载体型系数，根据《建筑结构荷载规范》规定，向上的负风压取-2.0，向下的正风压荷载规范没有明确规定，根据《采光顶与金属屋面技术规程》条纹说明，雨棚可参考本规范的相关规定执行，因此根据《采光顶与金属屋面技术规程》规定正压不应小于0.5KN/m2，但出于安全考虑，普遍的做法向下的风荷载取1.0；

（3）采光顶风荷载根据《采光顶与金属屋面技术规程》取值，风荷载负压标准值不应小于1.0KN/m2，正压不应小于0.5KN/m2，很多时候，正压值容易被设计师忽略；

（4）雨棚活荷载，根据《建筑结构荷载规范》规定，活荷载与雪荷载比较取大值；雪荷载应根据《建筑结构荷载规范》考虑高低屋面的积雪分布系数2.0；注意一般情况下，此时的雪荷载在考虑积雪分布系数后，会大于不上人屋面的活荷载0.5KN/m2，应按照雪荷载取值；

（5）超高层建筑根据规范要求，风荷载取值部分需要风洞试验，当有风洞实验报告时，风荷载应取风洞实验与荷载规范计算的包络值，因此此时不能忽略按照荷载规范计算风荷载值；

3.2幕墙玻璃受力计算时要注意的把控要点

（1）根据《玻璃幕墙工程技术规范》及《采光顶与金属屋面技术规程》规定，当玻璃与水平面的夹角小于75度时，玻璃的强度设计值应取在长期荷载作用下玻璃的强度设计值，即按照《采光顶与金属屋面技术规程》取值，此时的设计值会减小一半；

（2）玻璃面积大小应满足《建筑玻璃应用技术规程》玻璃最大需用面积要求，中空玻璃按照单片玻璃核算，夹胶玻璃按照总公称厚度核算；

（3）根据《建筑玻璃应用技术规程》规定，“隐框或横向半隐框玻璃幕墙，每块玻璃下端宜设置两个托条，且其长度不应小于100mm，厚度不应小于2mm”，托条长度应能托住最外片的玻璃，并应计算托条的承载力，注意计算书中托条的数量和宽度应与图纸上相对应；

（4）根据《玻璃幕墙工程技术规程》规定，一定厚度的玻璃当高度超出表中限值时，全玻璃幕墙应悬挂在主体结构上，很多时候设计不能满足；

3.3幕墙结构胶计算要注意的把控要点

（1）节点图中应注明结构胶的宽度及厚度，并与计算书相对应；

（2）结构胶粘结厚度计算时，相对位移取值不能仅取温度变形，应同时考虑主体结构在风或地震作用下产生的侧移，因为该部分位移对粘结厚度计算的影响更大；

（3）在竖向隐框幕墙结构胶宽计算中，由于玻璃下端设置托条，玻璃自重由托条承担，计算胶缝在永久荷载作用下的强度时，可以不考虑玻璃自重产生的影响；

（4）在胶缝及伸缩缝计算中温差应根据《金属与石材幕墙工程技术规程》和《建筑玻璃应用技术规程》条纹说明的要求，取80度；

（5）结构硅酮密封胶的变位承受能力，为结构胶的自身特性，在温度、地震作用下取值应形同，根据百度搜索结果（应有依据），最大值不超0.2，一般可取0.125或0.15，个别计算书取0.4以上，取值偏大；

（6）根据《建筑玻璃应用技术规程》“除全玻璃幕墙外，不应在现场打注硅酮结构密封胶”，隐框玻璃不能直接粘接在龙骨上，应采用添加副框的安装方法；

（7）根据《玻璃幕墙工程技术规程》规定，夹胶玻璃和中空玻璃中单片玻璃厚度相差不宜大于3mm；特别注意当为三层玻璃时（夹胶+中空），夹胶玻璃的公称厚度与单片玻璃的厚度差也不宜大于3mm；

4结语

综上所述，幕墙工程结构设计应选用具有较高资质及业务水平的设计院和设计团队，设计师在平时应加强自己专业知识的学习和积累，图纸在完成的工程中要严格按照施工图的流程进行，要安排专人校对，专人审核，排除安全隐患；对大部分设计师常犯的错误要进行技术培训，杜绝犯过的错误再次发生，只有通过不断的学习和积累，才能使设计出的图纸，即能满足受力、规范要求，又能做到经济合理，这样才能更有利于幕墙的发展，创造出更多的价值。

参考文献

[1]赵西安.建筑幕墙工程手册[M].

[2]张芹.新编建筑幕墙技术手册[M].

[3]张少实《新编材料力学》第2版

[4]《建筑结构荷载规范》

[5]《玻璃幕墙工程技术规范》

[6]《采光顶与金属屋面技术规程》

[7]《建筑玻璃应用技术规程》