浅谈某工程地段立面改造幕墙结构设计摘 要:根据玻璃幕墙工程技术规范(JGJ102-2003), 重点探讨玻璃幕墙结构设计，并结合工程实践加予应用，以 供同行在玻璃幕墙工程设计时参考。关键词：幕墙工程;幕墙支架结构;结构设计1国内幕墙结构设计的现状与存在的问题幕墙是一种悬挂在建筑物主体结构上的外墙围护构件。 目前国内的现状主要存在以下的问题：主体工程的设计单位 对幕墙结构设计没能深入和细化，而常由幕墙施工单位完成, 缺少对主体设计的理解与贯彻；由于幕墙设计工作开展得比 较晚，一般在主体工程设计完成甚至施工开始以后，大部分 幕墙工程的设计与施工同时招标，这就是目前出现的幕墙设 计与施工一体化机制，它不利于幕墙工程建设和技术的进 步。2幕墙结构设计应充分实现建筑设计意图作为幕墙结构设计，须充分掌握建筑设计意图，在原设 计构思的基础上再创作，进一步完善建筑设计，从而达到更 高层次的建筑美学要求,并保证幕墙的安全、可靠。幕墙支 架结构是用以支承建筑幕墙的骨架，需要配合并适应建筑立 面设计的要求，结构设计过程中应多和建筑设计人员沟通。3结构体系的确定幕墙的结构体系应受力明确，传力简捷。该幕墙工程支 承结构采用了空间刚架体系。体系是由若干杆件其端部互相 刚接形成，它比桁架结构体系有更大的空间灵活性，各杆件 轴心线不完全在同一平面内，结构本身就能承受作用于其平 面内、外的荷载，不需要设置其它结构承受和保证其稳定性。 在荷载作用下杆件受弯矩（包括扭矩）、剪力和轴向力。该工 程典型的支架结构布置见图1。刚架体系的横向布置有支撑 ZC1、ZC2、ZC3,竖向也于KJ1中设有支撑，间隔地分布。KJ 于顶层处的梁，穿过女儿墙1. 8m左右,通过埋件固定于主体 结构混凝土屋面梁上，避免了幕墙整体完全由建筑主体外墙 的短悬臂钢梁支承，极大增强了幕墙结构的可靠性。4荷载与作用作用在幕墙结构上的荷载主要有：幕墙自重、风荷载、 地震作用、温度作用、主体结构位移影响等。4. 1风荷栽风荷载是一种垂直作用于幕墙表面上的直接荷载。幕墙 是一种薄壁外围护构件，一块面板，一根杆就是一个受力单 元，而且质量较轻，在设计时，既需考虑长期使用过程中，在 一定时距平均最大风荷载作用下保证其正常功能不受影响， 又必须注意到在阵风袭击下不受损坏，避免事故的发生。计算幕墙结构的风荷载时，阵风系数由公式（1）确定：B gz = k (1+2 u，f) (1)式中：K-地区粗糙度调整系数。对A、B、C、D四种类 型分别取 0.92、0.89、0.85、0.80； uf-脉动系数,gf =0. 5X35 1.8(-0. 16) (Z/10) a； a一地面粗糙度指数。对 应于A、B、C、D四类地貌，分别取0. 12、0. 16、0. 22和0. 30。将后k、a系数代入式(1)后，本工程的阵风系数为B gz=0. 89X ：l+(Z/10)-0. 16 =0. 89X 1+(17. 5/10)- 0. 16=1. 70,风荷载标准值70X2. 0X1. 25X0.6=2. 55kN/m2o考虑到该工程风荷载是主导荷载而幕墙自重 标准值仅qg Gk。=0. 5kN/mO2,幕墙支架结构中的联系 梁LL1的设计，在风荷载平面内的开间正中增设一个与主体 结构的支撑，使构件的主要受力(风荷载)平面内计算长度为 自重作用平面内计算长度的一半。这样的布置使构件LL1的 x轴和Y轴的抗弯强度更趋于接近，不但结构受力更合理， 而且充分利用了材料。4. 2地震作用幕墙及其与主体结构的连接应进行抗震设计。幕墙的抗 震设防目标原则上要与主体结构三水准的设防目标相协调， 但也具有与主体结构不同的性能要求。幕墙构件在抗震设计 时达到下述要求:在多遇烈度地震作用下，幕墙不能破坏应 保持完好;在基本烈度地震作用下，幕墙不应有严重破损，一 般只允许部份面板破碎，经修理后，仍可以使用；在罕遇烈度 地震作用下，幕墙虽严重破坏，但幕墙骨架不得脱落。水平地震作用标准值的计算如下：(1)建筑抗震设计规范(GB50011)规定，当采用等效 侧力法时，非结构构件的水平地震作用标准值按式(2)计算：F= V nQ gmax。Ggk。式中：F-沿最不利方向施加于非结构构件重心处的水平 地震作用标准值；v-非结构构件功能系数，取决于建筑设防 类别和使用要求，分为三档1.4、1.0、0.6,幕墙取1.4； n- 非结构构件类别系数，取决于构件材料性能等因素，在0. 6 1.2的范围内取值，幕墙取0.9； &。1一连接状态系数，又称 动力放大系数，幕墙可取2.0； 。2一位置系数，一般情况建 筑物的顶点为2. 0,底部为1. 0,沿高度线性分 布；Q一地震影响系数最大值;GK 一非结构构件的重力。当采用楼面反应谱法时，非结构构件通常采用质点模型, 其水平地震作用标准值按公式(3)计算：F二 v n B sG (3)式中：Bs一非结构构件楼面反应谱值。非结构构件的地震作用，除自身质量产生的惯性力外， 还有地震时支座间相对移位产生的附加作用，两者需同时组 合计算。(2)玻璃幕墙工程技术规范(JGJ102 2003)规定，垂直于幕墙平面的分布水平地震作用标准值按公式(4)计算：= B E a maxGk/A (4)平行于幕墙平面的集中水平地震作用标准值按式(5)计 算：POzk=。B E QmaxOGOOk。(5)(4)、(5)两式中取 BE0. 5。(2)与(4)、(5)两式是一致的，只是建筑抗震设计规范 用四个系数连乘表示，玻璃幕墙工程技术规范用一个系 数8表示( 取为1.4； n取为0. 9；1取为2. 0；取为2. 0时：BE=v n & 1 2=1. 4X0. 9X2. 0X2. 0=5. 045. 0(JGJl 02. 2003 条文说明 5. 3. 45. 3. 5)。该地区的抗震设防烈度为6度，水平地震影响系数最大 值Qgnax=O0.04,所以本地段立面改造工程垂直于幕墙 平面的分布水平地震作用标准值qEK=B E a OOmaxO qOgkO=0. lkN/m2o 平行于 幕墙平面的集中水平地震作用标准值POOEk。二 B E Q OOmaxOGOk =0. 2Gk。幕墙不承受主体结构的荷载和地震作用，而主体结构应 考虑承受幕墙的重力荷载、风荷载、地震作用、温度作用效 应，避免不合理设置而导致主体破坏5支承结构构件设计和验算结构体系确定后，进行其荷载组合与受力分析。根据结 构体系所受作用的状况和工作性能确定结构计算简图，对支 承结构构件进行设计和验算。由于结构设计的标准是在正常 荷载作用下不产生损害，在这种情况下，幕墙结构构件亦处 于弹性状态，因此其内力计算采取弹性计算方法。5. 1立柱幕墙立柱每层用短悬臂钢梁与主体结构连接，计算时假 定立柱是以连接件为支座的单跨梁（也可以认为是以楼层高 度为跨度的简支梁）。简支梁跨中弯矩最大，剪力为零，而支 座剪力最大，弯矩为零，弯矩控制截面无剪力，剪力控制截面 无弯矩，分别只按弯矩效应和剪力效应进行验算。风荷载标准值:Wk=2. 55kN/m2；风荷载线荷载标准 值:qOwkO=BXWk=3. 5X2. 55=8. 925kN/m；水平地震作 用标准值:qOekO=0. lkN/mO2；水平地震作用线荷载标准 值:qOEk。线=BXqOEKO=3. 5X0. 1=0. 35kN/m；自重标 准值 Nk=qGk2. OkN/m 。2,属IV级。注:表中分级值表示在此风荷载标准值作用下，幕墙主 要受力杆件的相对挠度值不应大于L/180（L 一杆件长度）,其 绝对挠度值在20mm以内，如绝对挠度值超过20mm时，以20mm 所对应的压力值作为分级值。HT。幕墙的平面内变形性能系指幕墙在楼层反复变作用下 保持其墙体及连接部位不发生危害人身安全的破损的平面 内能力，用平面内层间位移角进行度量。幕墙的平面内变形 性能以建筑物层间相对位移值表示。要求幕墙在该相对位移 范围内不受损坏，其分级指标应符合表2规定。注:表中为多遇地震作用标准值产生的楼层内最大弹性层间位移,h为计算楼层层高。表中取值于文献2,适用 高度不大于150m的高层建筑，高度等于或大于250m的高层 建筑其u/h不宜大于1/500,高度在150 250m之间用线性 插入取用。取值于文献7,以钢筋混凝土结构为主要抗侧力 构件的高层钢结构的位移，按钢筋混凝士结构的规定。HTHT6H JZ表2平面内变形性能级HT6SS指标等级 I II III IVVY Y 01/1001/100。Y 01/1501/150。Y 。1/2001/200。Y。日。1/3001/300。Y。日 。1/400注:表中二人/11即层间位移角，式中：为层问位移量,h为 层高。HT。JGJ102规范规定，平面内变形性能抗震设计时应按各种 不同结构类型的弹性层间位移限值3倍进行设计，非抗震设 计时应按各种不同结构类型的弹性层间位移限值进行设计。 各种结构类型弹性层间位移角限值列于表3。本工程的幕墙 平面内变形性能设计值Y=3X 1/550=1/183,1/1501/1831/200,属III级。由于幕墙的构造特点，从面板一直到主体结构，中间有 许多构造环节都可以对变形和位移能力作出贡献。例如面板 之间存在板缝;面板与框架之间有弹性的胶缝;面板与挂件 之间可以相对移动；横梁与立柱连接采用螺栓;支承横梁与主体结构之间采用螺栓连接等等。7连接与后置埋件的设计幕墙的自重和所承受的风荷载、地震作用、温度作用等, 通过锚接点以点传递方式传至建筑物主体结构。该工程杆件 的连接节点采用螺栓连接，有防松防滑措施。在高强度螺栓 连接范围内，构件接触面采用喷砂处理，抗滑移系数NO. 4, 不得刷油漆或有污损。采用挂接、插接有防脱、防滑措施。考虑到被改造的建筑多为联建房，混凝土梁高、柱宽一 般均为250mm。幕墙支架与主体的连接,采用在梁或柱外表面 上设240X240的锚板，锚栓为2个M20高强度化学螺栓（见 图2）o JGJ102规范规定当采用后加锚栓连接时，每个连接节 点不应少于2个锚栓。本工程每个锚板上仅设2个锚栓，是 考虑为了缓解后置埋件现场施工时因预钻孔和埋件锚栓位 置有误差带来的不便。由于是后置埋件，工作可靠性较差，必 须确保安全，留有余地。埋件各受力状态下承载能力利用率 的验算结果见表4据有关试验表明，即使立柱和横梁之间、型材和预埋件 之间采用焊接，幕墙也可以达到1/100以上的大位移而不破 损，完全满足抗风和抗震的要求。因此,本工程的上述连接在 采用螺栓的同时，部分环节也采用了焊接，这并不妨碍幕墙 耐受大变形的能力。8密封胶的设计对幕墙构件的面板、玻璃与金属框之间的部位采用结构 硅酮密封胶粘结。结构硅酮密封胶中的应力可由所承受的短 期或长期荷载和作用计算，并应分别符