探析石材幕墻的設(shè)計

摘要：隨著我國建筑幕墻行業(yè)的發(fā)展，玻璃及石材幕墻在我國各大城市之中得到廣泛的應(yīng)用，取得良好的效果，石材幕墻的設(shè)計關(guān)系到幕墻的使用安全。本文主要根據(jù)工程實際，對石材幕墻設(shè)計的探析。

關(guān)鍵詞：石材幕墻 設(shè)計

1 工程概況

該工程東西長90.0m，南北寬93.5m地上23層，地下2層，總建筑面積73669m2，建筑總高度97.80m。主體采用框架一剪力墻結(jié)構(gòu)。外墻大部分為封邊式干掛石材幕墻約19932m2。外墻做法200mm厚輕集料混凝土小型空心砌塊+60mm厚擠塑板保溫層+28mm厚品白玉火燒面石材板。建筑防火設(shè)計分類為一類，建筑耐火等級為I級。防雷設(shè)計為二類。建筑抗震設(shè)防類別為丙類，抗震設(shè)防烈度8度。設(shè)計基本地震加速度0.20g，設(shè)計地震分組為第一組。抗風(fēng)設(shè)計地面粗糙度為C類，基本風(fēng)壓0.45kN/m2。

2 深化設(shè)計分析

石材幕墻工程的實施，涉及到原設(shè)計、深化細(xì)部設(shè)計、材料供應(yīng)、構(gòu)配件制作以及施工安裝等多家單位。但要保證工程的順利實施，必須做到各參建單位的協(xié)調(diào)統(tǒng)一。因為幕墻工程專業(yè)性比較強(qiáng)，因而必須由專業(yè)化的設(shè)計和施工單位來完成具體工作。

1）石材幕墻的深化設(shè)計，通常是根據(jù)原設(shè)計方提供的圖紙確定石材的精確分格尺寸、顏色、材質(zhì)、嵌縫材料等，并繪制出尺寸詳盡的石材圖紙及各復(fù)雜部位的節(jié)點詳圖。然后依據(jù)各單塊石材的重量、

尺寸及抗震、抗風(fēng)壓等各項要求，進(jìn)行相關(guān)力學(xué)計算，確定石材干掛方式及龍骨體系、埋件、連接件等尺寸規(guī)格。并在可能的條件下，對計算結(jié)果進(jìn)行現(xiàn)場力學(xué)性能試驗，以確保石材幕墻的安全穩(wěn)定性。

2）在石材及干掛體系的力學(xué)計算方面，首先要確定幕墻所受荷載及作用形式，然后確定石材的干掛方式，進(jìn)而確定石材板塊的計算模型。同時進(jìn)行受力安全性計算。最后根據(jù)干掛體系所受荷載值確定干掛體系的構(gòu)造形式和所用掛件、連接件、埋件及橫豎龍骨的規(guī)格尺寸。因干掛體系的設(shè)計決定著幕墻的結(jié)構(gòu)安全，所以石材幕墻及其干掛體系的設(shè)計應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行國家行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及規(guī)范的要求。

3）在荷載確定方面，石材幕墻計算時通常要考慮材料的自重、所受風(fēng)荷載及地震荷載，并根據(jù)荷載作用方式對其進(jìn)行組合。其相應(yīng)分項及組合系數(shù)都應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范要求取用。如有特殊要求，在設(shè)計計算時應(yīng)和規(guī)范相對照，取其不利最大值；對于干掛體系計算中，應(yīng)根據(jù)剛體力的傳遞特性，確定其所受荷載并進(jìn)行力學(xué)計算。有時，當(dāng)一些荷載不宜確定時，可通過模擬試驗方法來確定其大小。

3 設(shè)計校核計算

3.1 風(fēng)荷載計算

依據(jù)JGJ133-2001《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》第5.2.3條和GB50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（2006年版），計算作用于幕墻上的風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值。可按下式計算：

本工程石材幕墻設(shè)計計算時，僅考慮墻面風(fēng)荷載，而沒有考慮墻角風(fēng)荷載是不全面的。即便在墻面與墻角設(shè)計方案一致的情況下，由于該建筑物外形凹凸不規(guī)則，風(fēng)荷載較大，墻角部位也較多，故也應(yīng)取不利的墻角風(fēng)荷載進(jìn)行驗算。即

體形系數(shù)：（墻面），（墻角）

對建筑標(biāo)高（25m以下段幕墻）：本工程地面粗糙度按c類25m高計算：

=0.45kN/m2，=1.88；=-1.0（墻面），=-1.8（墻角）；=0.92

墻面：=1.88×1.0×0.92×0.45=0.78kN/m2，取1.00kN/m2；

墻角：=1.88×1.8×0.92×0.45=1.40kN/m2

在幕墻墻面與墻角采用統(tǒng)一的龍骨設(shè)計方案時，應(yīng)采用較為不利的墻角風(fēng)荷載進(jìn)行計算

取=1.40kN/m2。

對建筑標(biāo)高（25～100m段幕墻）：本工程地面粗糙度按c類100m高計算：

=0.45kN/m2，=1.60；=-1.0（墻面），=-1.8（墻角）；=1.70

墻面：=1.60×1.0×1.70×0.45=1.22kN/m2；

墻角：=1.60×1.8×1.70×0.45=2.20kN/m2

在幕墻墻面與墻角采用統(tǒng)一的龍骨設(shè)計方案時，應(yīng)采用較為不利的墻角風(fēng)荷載進(jìn)行計算，

取=2.20kN/m2。

3.2石材面板荷載組合

1）正常使用極限狀態(tài)：正常使用極限狀態(tài)下，一般不考慮不同的效應(yīng)組合。僅考慮風(fēng)荷載或永久荷載單獨作用時的變形或撓度情況。故S=

（考慮重力荷載的作用）；

S==K（考慮風(fēng)荷載的作用）。

2）承載能力極限狀態(tài)：由于幕墻暴露在室外，受風(fēng)載影響較為顯著，風(fēng)荷載作用效應(yīng)比地震作用效應(yīng)大，應(yīng)作為第一可變作用，其組合值系數(shù)取1.0；地震作用作為第二可變荷載時，組合系數(shù)按幕墻規(guī)范規(guī)定取0.5。故

（重力作用不利）；

S=1.0G+1.0×1.4W+0.5×1.3E（重力作用有利）

3.3材料性質(zhì)

3.4對建筑標(biāo)高25～100m段幕墻主要受力件典型單元校核計算

1）本工程立柱采用熱鍍鋅80x42x5x8mm厚槽鋼背對背搭接，承載寬度1200mm。當(dāng)荷載近似按均布計算時（計算簡圖如圖1）

a.荷載組合撓度計算：

石材傳遞重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值（豎直方向）：=2800×99.8×0.028×1.2=923N/m：

石材傳遞水平風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（水平方向）：-=2200×91.2=2640N/m。

b.通過建立有限（ANSYS）模型，其計算結(jié)果：水平方向最大位移為16.28mm。

c.依據(jù)允許撓度（JGJ133-2001：5.6.5）鋼型材：=L/300mm，橫梁（跨度1200mm）；=4000/300=13.4mm

=16.28mm>=13.4mm

此式表明：立柱的撓度驗算不能滿足GB50009-2001，GB50017-2003規(guī)范要求。需對原設(shè)計立桿講行調(diào)整。

d.荷載組合強(qiáng)度計算：

石材傳遞重力荷載設(shè)計值（豎直方向）：=923×1.2=1107.6N/m

石材傳遞水平方向荷載設(shè)計值（風(fēng)和地震組合）：=2200x1.2=4140N/m

e.建立有限（ANSYS）模型，其計算結(jié)果：最大彎曲應(yīng)力：-204.05N/mm2

最大彎曲拉應(yīng)力：208.205N/m2

最大剪切應(yīng)力：122.768N/mm2

相當(dāng)應(yīng)力（第四強(qiáng)度理論）：

=296.411N/mm2

依據(jù)材料特性指標(biāo)，允許抗彎應(yīng)力的限值：=215N/mm2

允許抗剪應(yīng)力的限值拭=125N/m2

單軸拉伸時的許用拉應(yīng)力：f=215N/mm2

結(jié)果表明：在有限計算中，相當(dāng)應(yīng)力（第四強(qiáng)度理）=296.411N/mm2≥f=215N/mm2

立柱強(qiáng)度不能滿足GB50009-2001，GB50017-2003規(guī)范要求。所以需對原設(shè)計立柱槽鋼進(jìn)行調(diào)整。

2）本工程橫梁采用50mm×4mm厚等邊角鋼，承載面板計算高度660mm，計算算跨度1200mm。計算簡圖如圖2。

a.荷載組合撓度計算：

石材傳遞重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值（豎直方向）：=2800×9.8×0.028×0.66×1.06/2=269N

石材傳遞水平風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（水平方向）：=2.2×0.6×1.06/2=700N

b.通過建立有限（ANSYS）模型，其計算結(jié)果：水平方向最大位移：3.962mm；豎直方向最大位移：0.81mm；總體最大位移：4.045mm。

c.依據(jù)允許撓度（JGJ133-2001：5.6.5）；

鋼型材，=L/300mm，橫梁（跨度1200mm）；=1200/300=4.0mm。

≈

d.荷載組合強(qiáng)度計算：石材傳遞重力荷載設(shè)計值：P=1.2×269=323N

石材傳遞水平荷載設(shè)計值：P-=3.45×0.66×1.06/2=1.207KN/m2=1207N

e.通過有限（ANSYS）模型，其計算結(jié)果：最大彎曲壓應(yīng)力：-176.16N/mm2；最大彎曲拉應(yīng)力：100.12N/mm2；最大剪切應(yīng)力：34.023N/mm2。依據(jù)材料特性指標(biāo)，允許抗彎應(yīng)力限值：=215N/mm2。允許抗剪應(yīng)力限值=125N/mm2.

單軸拉伸時的許用拉應(yīng)力：f=215N/mm2。相當(dāng)應(yīng)力（第四強(qiáng)度理論）=176.161N/mm2≤f=215N/mm2。

上式結(jié)果表明：在有限計算中，當(dāng)橫梁的相當(dāng)應(yīng)力（第四強(qiáng)度理論）強(qiáng)度基本滿足規(guī)范要求的前提下，而橫梁的撓度驗算與GB50017-2003規(guī)范要求有偏差時，為安全起見，有必要對原模梁設(shè)計方案進(jìn)行調(diào)整。

4結(jié)語

1）通過對該項目石材幕墻深化設(shè)計分析及設(shè)計過程中的思考與探索，設(shè)計人員雖對上述方案進(jìn)行了整改，但此事表明作為項目的有關(guān)各方，加強(qiáng)對幕墻設(shè)計圖紙、計算書等的認(rèn)真審核，既是對幕墻設(shè)計施工公司保證按規(guī)范設(shè)計，又是保證主體工程安全的重要措施和必要手段。

2）由干石材幕墻在高層建筑中的防火性能較差，因而在幕墻設(shè)計中必須加強(qiáng)防火、防雷設(shè)計意識，嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)令業(yè)設(shè)計“規(guī)范”中的有關(guān)條款。

其設(shè)計方案必須經(jīng)過原設(shè)計單位及相關(guān)人員的審查，必要時組織令家論證。要嚴(yán)格執(zhí)行“規(guī)范”中有關(guān)撓度取值的標(biāo)準(zhǔn)和適用范圍，不能混淆。當(dāng)石材幕墻構(gòu)架的立柱與橫梁在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，對鋼型材的相對撓度取值不應(yīng)大于L/300，絕對撓度不應(yīng)大于15mm。而不能采用玻璃幕墻對鋼龍骨撓度要求的L/250。

3）當(dāng)按風(fēng)荷載或錨固力計算石板厚度和框架主次龍骨時，我們必須用安全系數(shù)來補(bǔ)償強(qiáng)度的不均勻。要依據(jù)GB50009-2001《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》參照J(rèn)GJ133-2001《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》，在幕墻設(shè)計風(fēng)荷載和荷載組合時，應(yīng)全面考慮風(fēng)力在建筑物表面分布的不均衡性。既要考慮墻面風(fēng)荷載，又要考慮墻角風(fēng)荷載；既要考慮建筑物的高度，更要考慮建筑物外形凹凸的不規(guī)則性；既要考慮正常使用極限狀態(tài)，還要考慮承載能力極限狀態(tài)。在龍骨設(shè)計方案的選取上，應(yīng)采用較為不利的荷載極限狀態(tài)進(jìn)行計算和審核。

4）由干石材幕墻的干掛方式不同，通常在選擇時必須全面考慮，既要牢固穩(wěn)定、安全性高，又要降低成本。當(dāng)石材的干掛方式確定后，除要對石材進(jìn)行計算，包括掛板板塊自身的抗彎計算和掛板與掛件銷釘連接處的抗剪計算外，有時還應(yīng)計算石材的熱裂應(yīng)力。對有些特殊的石材，由于其獨特的紋理特性而使其在沿板長及板高方向的應(yīng)力強(qiáng)度，具有非常明顯的差異。在此，通過簡化計算方法或有限程序計算法分別對兩個不同的強(qiáng)度方向進(jìn)行計算。

5）石材幕墻深化設(shè)計中，既要滿足建筑美學(xué)的要求，又要與現(xiàn)場的實際情況相吻合。設(shè)計出的成果必須要具體、全面、真實反映該工程總體情況并滿足石材幕墻的安裝、加工等施工應(yīng)用技術(shù)規(guī)程和條件。總之，只要全面加深對相關(guān)規(guī)程規(guī)范的理解并認(rèn)真執(zhí)行，才能使設(shè)計出的產(chǎn)品更加完美、安全。