麥飛龍 郭 偉

圖1 全球地震發(fā)生分布帶

圖2 中國(guó)地震發(fā)生分布帶
建筑幕墻作為建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu),具有美觀、輕質(zhì) (相對(duì)于主體結(jié)構(gòu))、表達(dá)形式多異等特點(diǎn),深受建筑師的喜愛(ài),最近十年新建的商業(yè)建筑,基本上都離不開建筑幕墻。而最近幾年世界各地頻繁的地震作用,各類觸目驚心的災(zāi)難場(chǎng)景,讓我們對(duì)進(jìn)一步提高建筑幕墻的抗震能力有了更高的要求。特別是處于地震發(fā)生分布帶的地區(qū),抗震防災(zāi)責(zé)任更加重大。詳見(jiàn)圖1全球地震發(fā)生分布帶、圖2中國(guó)地震發(fā)生分布帶。
本文采用世界上目前抗震中成熟的反應(yīng)譜理論,結(jié)合最近幾年內(nèi)建筑幕墻節(jié)點(diǎn)的抗震構(gòu)造,建筑幕墻防震抗震技術(shù)做了一個(gè)探討。
受地震作用影響,幕墻被破壞主要有幾種形式:
1、伴隨主體結(jié)構(gòu)一起被破壞,建筑幕墻作為圍護(hù)構(gòu)件和主體結(jié)構(gòu)應(yīng)有所區(qū)別,幕墻懸掛于建筑主框架上,幕墻框架與建筑主框架牢固地連接在一起,它們同步運(yùn)動(dòng),因而建筑主框架的破壞和變形必然使幕墻框架隨之變形和破壞。詳見(jiàn)圖3。

圖3 建筑物整體倒塌

圖4 建筑物整體倒塌
2、主體結(jié)構(gòu)未破壞時(shí),在地震作用下,幕墻框架、玻璃被破壞。
3、伸縮縫部位預(yù)留位置不夠,幕墻不能伴隨主體結(jié)構(gòu)變更,橫梁和外表面玻璃被擠壓破壞。詳見(jiàn)圖5
幕墻通常以鉸接的方式固定在主體結(jié)構(gòu)上,地震作用對(duì)幕墻結(jié)構(gòu)影響最大的就是水平地震作用。 《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010及建筑抗震設(shè)計(jì) (第三版)重點(diǎn)講解利用反應(yīng)譜法計(jì)算水平地震作用力,而 《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)程》JGJ102-2003針對(duì)標(biāo)準(zhǔn)幕墻板塊做了簡(jiǎn)化計(jì)算。
反應(yīng)譜法適用于所有建筑結(jié)構(gòu)和幕墻類型,但是計(jì)算過(guò)程相對(duì)煩瑣,而102規(guī)范所列簡(jiǎn)化計(jì)算法,則針對(duì)大部份標(biāo)準(zhǔn)幕墻板塊,可以大大提高計(jì)算效率,但是不能解決異形幕墻在設(shè)計(jì)過(guò)程中的計(jì)算問(wèn)題,因此這兩種方法在幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)都是必須掌握的。

圖5 伸縮縫部位玻璃幕墻破壞
所謂反應(yīng)譜就是指單質(zhì)點(diǎn)體系在一定地面運(yùn)動(dòng)作用下,最大反應(yīng) (加速度、速度和位移)與體系自振周期的變化曲線。一般采用加速度反應(yīng)譜。當(dāng)?shù)玫郊铀俣确磻?yīng)譜后,計(jì)算結(jié)構(gòu)體系自振周期,然后根據(jù)反應(yīng)譜得到體系反應(yīng)的最大加速度,然后乘以結(jié)構(gòu)質(zhì)量,得到地震作用法。
反應(yīng)譜不僅可以得到單自由度結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng),還可以通過(guò)振型分解法得到多自由結(jié)構(gòu)的地震反應(yīng)。
反應(yīng)譜法計(jì)算地震作用力公式
FEK=aG
式中G為計(jì)算質(zhì)點(diǎn)自重,α為水平地震影響系數(shù)。

圖6 地震影響系數(shù)曲線
上圖公式中:
Tg——特征周期 (s),周期大于6s的建筑結(jié)構(gòu)所采用的地震影響系數(shù)應(yīng)專門研究,Tg可由表1查得。

表1
T——單質(zhì)點(diǎn)體系自振周期 (s),按下式計(jì)算:T=2π (Gδ/g)0.5
αmax——水平地震影響系數(shù)最大值,為地震系數(shù)k和動(dòng)力系數(shù)β以乘積,αmax=k×β,αmax可按表2查得。

表2
r——曲線下降段的衰減指數(shù)r=0.9+(0.05-ζ)/(0.5+6ζ)
ζ——阻尼比
η1——直線下降段的下降斜率調(diào)整系數(shù),小于0時(shí)取0:
η1=0.02+(0.05-ζ)/(4+32ζ)
η2——阻尼調(diào)整系數(shù),當(dāng)小于0.55時(shí),取0.55:
η2=1+(0.05-ζ)/(0.08+1.6ζ)
實(shí)際工程中,異形幕墻往往造形復(fù)雜,如果手工計(jì)算,費(fèi)時(shí)費(fèi)力,還容易出錯(cuò)。我們往往使用計(jì)算機(jī)有限元計(jì)算,下面以同濟(jì)大學(xué)3D3S軟件為例:
第一步,先建好需要計(jì)算的模型,定義好構(gòu)件屬性,詳見(jiàn)圖7計(jì)算模型。

圖7 計(jì)算模型

圖8 地震參數(shù)輸入
第二步,先定義好模型的恒載、活荷載、風(fēng)荷載,根據(jù)工程實(shí)際情況,輸入地震作用參數(shù),首先選擇使用規(guī)范、地震列度及設(shè)計(jì)基本地震加速度、場(chǎng)地類別、設(shè)計(jì)地震分組、計(jì)算振型數(shù)、阻尼比、選擇是否耦連、是否考慮豎向地震作用 (在幕墻結(jié)構(gòu)里大多數(shù)情況不考慮),其他一些值軟件會(huì)自動(dòng)給出,詳見(jiàn)圖8地震參數(shù)輸入。
第三步,點(diǎn)擊分項(xiàng)組合菜單,輸入結(jié)構(gòu)重要系數(shù),幕墻結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)一般為2級(jí),輸入1;選中增加默認(rèn)組合,系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)給出幾種常見(jiàn)的荷載組合方式,如果需要變更可以手動(dòng)添加組合,詳見(jiàn)圖9組合系數(shù)輸入。
第四步,選菜單:內(nèi)力分析—計(jì)算內(nèi)容選擇及執(zhí)行,按工程實(shí)際情況,選擇參數(shù),點(diǎn)擊計(jì)算,詳見(jiàn)圖10計(jì)算內(nèi)容選擇。

圖9 組合系數(shù)輸入

圖10 計(jì)算內(nèi)容選擇
第五步,選菜單:內(nèi)力分析—地震周期查詢與振型顯示—周期查詢、周期顯示。
第六步,選擇規(guī)范、驗(yàn)算、查看、出計(jì)算書。
《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)程》JGJ102-2003另給出一種簡(jiǎn)化計(jì)算法,對(duì)標(biāo)準(zhǔn)的玻璃幕墻地震水平作用力計(jì)算公式做了規(guī)定:qEAk=βE×αmax×GAK
其中:qEAk——水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值 (kN/m2)
βE——?jiǎng)恿Ψ糯笙禂?shù),按5.0取定
αmax——(表5.3.4)水平地震影響系數(shù)最大值
其中需要注意的是需按規(guī)范取分重點(diǎn)設(shè)防類和特殊設(shè)防類,幕墻抗震計(jì)算時(shí),需參考結(jié)構(gòu)施工圖總說(shuō)明對(duì)本建筑抗震設(shè)防分類,對(duì)應(yīng)地震設(shè)防烈度和加速度。αmax值不同,得到的地震荷載qEAk就完全不一樣。
GAK——幕墻構(gòu)件的自重(N/m),普通的玻璃幕墻可按規(guī)范取0.5KN/m2取值,最近幾年對(duì)幕墻節(jié)能、隔音的要求越來(lái)越高,很多工程運(yùn)用了較厚的中空玻璃、雙中空玻璃、中空夾膠玻璃,遇到這些特殊情況時(shí),需先計(jì)算出幕墻的自重,和規(guī)范取值相比較,取大優(yōu)先。
建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)使用過(guò)程中在結(jié)構(gòu)上可能同時(shí)出現(xiàn)的荷載,按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進(jìn)行荷載 (效應(yīng))組合,并應(yīng)取各自的最不利的效應(yīng)組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。
幕墻構(gòu)件承載力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)時(shí),其作用效應(yīng)的組合應(yīng)按下式進(jìn)行:
S=γGSGK+γwψwSWK+γEψESEK
SGK——永久荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值;
SWK——風(fēng)荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值;
SEk——地震作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值;
γG——永久荷載分項(xiàng)系數(shù);
γW——風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù);
γE——地震作用分項(xiàng)系數(shù);
ψW——風(fēng)荷載的組合值系數(shù);
ψE——地震作用的組合值系數(shù);
1、進(jìn)行幕墻構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)時(shí),作用分項(xiàng)系數(shù),按下列規(guī)定取值:
(1)一般情況下,永久荷載、風(fēng)荷載和地震作用的分項(xiàng)系數(shù)γG、 γW、 γE應(yīng)分別取1.2、 1.4和1.3;
(2)當(dāng)永久荷載的效應(yīng)起控制作用時(shí),其分項(xiàng)系數(shù)γG應(yīng)取1.35;此時(shí),參與組合的可變荷載效應(yīng)僅限于豎向荷載效應(yīng);幕墻工程多用建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu),按規(guī)范要求,如果風(fēng)荷載計(jì)算出來(lái)小于1.0kN/m2時(shí)按1.0取值,而自重往往小于0.5kN/m2,所以幕墻結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí), γG很少取1.35。
(3)當(dāng)永久荷載的效應(yīng)對(duì)構(gòu)件利時(shí),其分項(xiàng)系數(shù)γG的取值不應(yīng)大于1.0。
2、可變作用的組合系數(shù)應(yīng)按下列規(guī)定采用:
(1)一般情況下,風(fēng)荷載的組合系數(shù)ψW應(yīng)取1.0,地震作用于的組合系數(shù)ψE應(yīng)取0.5。
(2)對(duì)水平倒掛玻璃及框架,可不考慮地震作用效應(yīng)的組合,風(fēng)荷載的組合系數(shù)ψW應(yīng)取1.0(永久荷載的效應(yīng)不起控制作用時(shí))或0.6(永久荷載的效應(yīng)起控制作用時(shí))。 幕墻構(gòu)件的撓度驗(yàn)算時(shí),風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)γW和永久荷載分項(xiàng)系數(shù)均應(yīng)取1.0,且可不考慮作用效應(yīng)的組合。
以某工程A為例,計(jì)算大樣詳圖11。
查建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范及結(jié)構(gòu)施工圖總說(shuō)明得知:地震設(shè)防列度為7度,重力加速度為0.1,標(biāo)準(zhǔn)設(shè)防類,經(jīng)查表得αmax=0.08。

圖11 計(jì)算大樣
此工程分格尺寸為1.5(B)×5.0(H),用到了10+12A+10中空玻璃,經(jīng)計(jì)算確定玻璃、鋁型材、背板等自重GAK=0.512kN/m2,大于規(guī)范取值,按計(jì)算取值。
qEAk:垂直于幕墻平面的均布水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m2)
qEAk=βE×αmax×GAK=5×0.08×0.512=0.2048kN/m2
γE:幕墻地震作用分項(xiàng)系數(shù):1.3
qEA=1.3×qEAk=0.2662kN/m2
qE:水平地震作用于立柱均布線作用設(shè)計(jì)值 (梯形分布)
qE=qEA×B=0.2662×1.5=0.3994kN/m
q:水平均布線荷載設(shè)計(jì)值:采用SW+0.5SE組合
qw:風(fēng)荷載作用于立柱均布線作用設(shè)計(jì)值 (梯形分布)=8.799kN/m(不詳細(xì)介紹)
q=qw+0.5×qE=8.799+0.5×0.3994=8.9987kN/m
立柱與立柱連接節(jié)點(diǎn)按JGJ102-20036.3.3規(guī)定,上下立柱之間隙≥15mm,此變形縫在平時(shí)可以滿足溫度變形,在地震作用時(shí),可消除因地震重力加速度產(chǎn)生的反力,上下層幕墻之間在地震作用力下不互相碰撞,詳見(jiàn)圖12明框幕墻固定節(jié)點(diǎn)。
橫梁與立柱連接節(jié)點(diǎn)的抗震設(shè)計(jì)角碼通過(guò)螺栓固定在立柱上橫梁通過(guò)角碼固定在立柱上,并且角碼可以在橫梁卡槽內(nèi)自由伸縮,橫梁結(jié)構(gòu)力學(xué)模型可簡(jiǎn)化為兩端簡(jiǎn)支梁,結(jié)點(diǎn)部位彎矩為零,能有效消除風(fēng)荷載、自重、地震作用對(duì)連接點(diǎn)的影響。
明框玻璃與立柱橫梁之間的間隙a、b、c值需同時(shí)滿足JGJ102-20039.5.2、9.5.3節(jié)要求,平時(shí)能滿足溫度變化所引起的伸縮變形,在地震作用時(shí),能避免玻璃與鋁型材之間膠條、密封膠變形不夠,產(chǎn)生硬碰硬碰撞,使玻璃破損。

圖12 明框幕墻固定節(jié)點(diǎn)
隱框幕墻的支承結(jié)構(gòu)和幕墻面板板塊之間,采用硅酮結(jié)構(gòu)膠等柔性連接,這些硅酮結(jié)構(gòu)膠不但能將幕墻玻璃牢固持久地粘結(jié)在鋁框料上,而且在地震等偶發(fā)因素引起建筑物嚴(yán)重震動(dòng)變形時(shí),能夠被拉伸或壓縮20%以上不被損壞;硅酮結(jié)構(gòu)膠是彈性體,還能有效的減小幕墻震動(dòng)的強(qiáng)度和頻率,這是隱框玻璃幕墻抗震能力高的重要原因,同時(shí)玻璃副框與立柱、橫梁之間需墊橡膠墊片,緩沖地震作用力,詳見(jiàn)圖13結(jié)構(gòu)膠固定玻璃節(jié)點(diǎn)。

圖13 結(jié)構(gòu)膠固定玻璃節(jié)點(diǎn)
硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的寬度和厚度還需滿足計(jì)算要求,根據(jù)JGJ102-20035.6.3節(jié)要求,按風(fēng)荷載、水平地震作用計(jì)算硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的寬度,玻璃自重由橫梁上的托條支承,不考慮結(jié)構(gòu)膠承重。
Cs1=(W+0.5×qE) ×a/(2000×f1)
Cs1:風(fēng)載荷作用下結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)寬度mm
W:風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值kN/m
a:矩形玻璃板的短邊長(zhǎng)度mm
f1:硅酮結(jié)構(gòu)密封膠在風(fēng)荷載或地震作用下的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值N/mm
qE:作用在計(jì)算單元上的地震作用設(shè)計(jì)值,kN/m
硅酮結(jié)構(gòu)密封膠粘接厚度按公式ts=θ×hg×ψ/(δ2× (2+δ2))0.5計(jì)算, 厚度與地震作用無(wú)關(guān)。
ts:風(fēng)荷載作用下結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)厚度mm
hg:玻璃面板高度mm
θ:風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下主體結(jié)構(gòu)的樓層彈性層間位移角限值 (rad)
ψ:膠縫變位折減系數(shù)1.000
δ:硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的變位承受能力
單元式幕墻按單元組件接縫處的處理方式分為橫滑式和橫鎖式。
所謂橫滑式是指單元組件左右相鄰兩單元組件的上框滑槽連接處用封口板將左右兩組件交接處的開口封閉。橫滑式因?yàn)轫敊M梁形成一道完整的封閉圈,每一層的水都在本層排水,不累積到下一層,低層區(qū)腔內(nèi)水壓小,因而在工程中廣泛運(yùn)用 (圖14)。
而橫鎖式是在上下 (左右)四個(gè)單元連續(xù)處,在左右豎框的開口中插入內(nèi)套管,使上下鎖定。橫鎖式因排水構(gòu)造缺陷,在實(shí)際工程中運(yùn)用較少。在主體結(jié)構(gòu)層間位移時(shí),橫鎖式單元幕墻平面內(nèi)變形和元件式基本一樣,參考本章第1節(jié)框架式幕墻節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計(jì),在本節(jié)就不再重復(fù)。

圖14 橫滑式單元式幕墻
在地震初始階段橫滑式單元幕墻的單元組件呈規(guī)律性同向滑移,接著單元組件運(yùn)動(dòng)呈隨機(jī)運(yùn)動(dòng)有的相向滑動(dòng)有的背向滑動(dòng)。當(dāng)相向滑移量超過(guò)接縫間隙時(shí)發(fā)生碰撞破壞;當(dāng)背向滑移超過(guò)搭接量時(shí)兩單元組件被拉開,拉開的兩組件不能復(fù)槽,就又互相碰撞,導(dǎo)致破壞,如圖15所示。

圖15 單元板塊變形示意圖
因此在設(shè)計(jì)單元組件接縫時(shí),要根據(jù)不同建筑類型,采用不同的接縫間隙和搭接量。務(wù)必達(dá)到接縫間隙比最大變位大1mm (ΔL=Δ+1);搭接量比最大變位大1mm (ΔL=Δ+1),這樣可避免碰撞又不致于拉開,保證接縫處有序活動(dòng),如圖16所示:立柱料a≥b>c≥ΔL立柱、 頂?shù)讬M梁d≥e≥f≥ΔL橫梁。

圖16 單元式幕墻位置控制尺寸
單元幕墻位移量計(jì)算:
為適應(yīng)幕墻地震作用、溫度變形以及施工調(diào)整的需要,單元式幕墻單元板塊之間留有一段空隙—伸縮縫ΔL,ΔL按下式計(jì)算:
ΔL≥α×ΔT×L×λ+d1+d2
α:立柱、橫梁材料的線膨脹系數(shù),鋁合金型材取2.35×10-5
ΔT:計(jì)算因熱膨脹而引致的位移的金屬溫度幅度
L:?jiǎn)卧鍓K尺寸
λ:實(shí)際伸縮調(diào)整系數(shù),取1
d1:加工施工誤差,取3mm
d2:主體結(jié)構(gòu)位移變形
工程A單元式幕墻橫梁上下位移量計(jì)算:
L:取單元板塊豎向尺寸4.275m (標(biāo)準(zhǔn)層高)
梁實(shí)際由于樓層活荷載差值引起的撓度比例40%。梁跨中饒度限值為:L0=有效跨度/350梁的有效跨度查看結(jié)構(gòu)圖紙取9m。d2=9000/350×40%=10.286mm
ΔL橫梁=α×ΔT×L×λ+d1+d2
= (2.35×10-5) ×80×4275×1+3+10.286
=8.037+3+10.286
=21.323mm
實(shí)際工程取ΔL=22
單元式幕墻立柱位移量計(jì)算 單元式幕墻系統(tǒng)中使用的立柱型材截面,如圖17所示:
ΔL立柱≥α×ΔT×L×λ+d1+d2
L:取單元板塊橫向尺寸 1.5m
地震荷載所引致的層間側(cè)移限值為:d2=層跨度/500=4200/500=8.4mm
實(shí)際層間位移取 5.15mm<8.4mm,d2取5.12mm
ΔL=α×ΔT×L×λ+d1+d2
= (2.35e-005) ×80×1500×1+3+5.15
=10.97mm
實(shí)際工程取ΔL=13
單元式幕墻的面板材料等抗震構(gòu)造與構(gòu)件式幕墻節(jié)點(diǎn)抗震設(shè)計(jì)相同,在本節(jié)就略過(guò)。

圖17 某工程單元式型材位移量控制圖
點(diǎn)式玻璃幕墻一般都支承在抗震性能好的鋼結(jié)構(gòu)上,點(diǎn)式接駁爪都開有長(zhǎng)條孔和大圓孔,即能滿足安裝誤差調(diào)節(jié),也能滿足溫度變形伸縮,在發(fā)生地震作用時(shí),玻璃面板還能在大孔里面做適量的變形運(yùn)動(dòng),有效的保護(hù)玻璃面板。而現(xiàn)在駁接頭大多都有球鉸,變形適應(yīng)力強(qiáng),一般正規(guī)五金廠家的相關(guān)產(chǎn)品均能做±5度的調(diào)整,在地震作用時(shí),固定在駁接頭上的玻璃能隨著球形爪做一定的擺動(dòng),避免玻璃與五金件之間發(fā)生硬性碰撞,有效地消除地震作用力。

圖18

圖19 幕墻變形縫破壞圖
變形縫包括沉降縫、伸縮縫、地震作用變形縫,前兩種變形縫變形較小,而地震作用變形縫較大和地區(qū)特征及建筑高度有很大關(guān)系,其大小需經(jīng)計(jì)算確定。汶川地震一些案例表明,變形縫抗震作用大,幕墻應(yīng)重視變形縫節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)。
按照建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范要求:設(shè)計(jì)變形縫時(shí)起碼龍骨間的距離要和土建變形縫大小一致,滿足第三水準(zhǔn)要求;易擠壓破碎掉落的面板間距離可以根據(jù)第二水準(zhǔn)計(jì)算確定;中間過(guò)渡材料可采用彈性材料,比如橡膠 (但外觀效果不好),建議采用較薄的金屬板材,最好有一個(gè)水平滑動(dòng)的構(gòu)造。
抗震減災(zāi)在未來(lái)仍是一項(xiàng)艱巨的任務(wù),只要我們嚴(yán)格按規(guī)范和行業(yè)經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、施工,地震中只要主體結(jié)構(gòu)尚未倒塌,建筑幕墻要能達(dá)到 “小震不壞,中震可修,大震不倒”的抗震要求。本文對(duì)建筑幕墻抗震防災(zāi)技術(shù)做了初步探討,不足之處,敬請(qǐng)指正。
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