淺析幕墻工程后置埋板的結構設計——平潭綜合實驗區金井灣商務營運中心幕墻工程

肖強 龍志鵬

金剛幕墻集團有限公司 廣州 510635

摘要：以平潭綜合實驗區金井灣商務營運中心幕墻工程為例，在應對基本風壓超大、大面積主體結構缺少預埋件以及建筑超高、結構梁偏小的不利組合下，對后置埋件構造設計、結構計算進行分析，為相近幕墻工程的后置埋板設計分析提供相關借鑒和參考。

關鍵詞：幕墻；基本風壓；后置埋板

平潭綜合實驗區金井灣商務營運中心工程地處福建福州平潭縣，由6棟超100米的商務樓、1棟行政主樓、1座報告廳及兩棟附屬茶樓組成，總建筑面積70多萬平方米，最大建筑高度135.25米，其中幕墻施工面積近21萬平方米；平潭季風明顯，夏季以偏南風為主，其余季節多為東北風。風力年平均風速6.9米/秒，灣海地區全年大風（7級以上）日數為125天，是福建省強風區之一，基本風壓1.3KN/m?，由于幕墻招標在所有主體封頂落架之后，主體結構未設置建筑外幕墻預埋板，塔樓結構梁厚絕大部分為200mm與250mm，在保證結構的安全前提下，綜合實際施工技術要求、成本、業主方的工程進度等，最終采用機械螺栓后錨固方案。

一、后置埋板的構造設計

1.工程的設計參數

地面粗糙度類別：A 類；地震設防烈度：7 度，設計基本地震加速度值：0.1g；基本風壓 Wo = 1.3 kN/㎡；建筑最大標高：135米；通過選取大面與邊角位標準分格幕墻的計算，典型支座反力如下圖：

2.后埋板構造設計的比選

后置埋件是指安裝在結構上的埋置錨固件，其中涉及到三種客體：結構基材、錨固件和被連接體。錨固件不但要完成被錨固件與原結構的連接作用，更重要的是能有效的將外加荷載直接傳遞到原結構上，從而達到安全、可靠的功效。后置埋件錨固的方法有很多，總的可以分為兩大類：機械錨固和化學錨固。幕墻中常用的機械錨固為膨脹錨栓，即通過端部的擴張部分壓入鉆孔壁內，利用挈形斜度來促使膨脹產生摩擦握裹力，達到固定效果，膨脹錨固價格便宜，施工方便。由于平潭工程風壓大，超強臺風登入地區，風載的循環反復拉壓而容易產生松動，抗拉能力較差，首先被排除。化學錨栓通過砂漿或合成樹脂將錨栓與錨固基礎結合成一個整體，化學錨栓的力學性能比同等規格的膨脹錨栓好很多，但缺點是價格高，對施工要求高，大面施工后質量難以控制，化學藥劑不能受高溫，對后埋板的焊接提出了更高的要求。鑒于本工程幕墻埋件主要受拉，結合需要大量焊接、大面積使用情況，首先提出了采用國外相關品牌的化學錨固方案，在與業主方、設計院、監理等單位的設計溝通過程中，存在以下幾點問題：

① 結構梁大小絕大多數為200*700mm和250*700mm，按照混凝土規范相應條款，考慮混凝土錐體破壞，錨栓臨界邊距大，將埋件需設在梁中導致幕墻構造、方案設計不能滿足；

② 采用化學錨固，為保證受力要求，化錨數量多，化錨施工要求高，在大面施工中質量難以保證，工程進度難以控制；

③ 目前一般的化學錨栓藥劑采用的乙烯基樹脂，這種材料優點是收縮率低、粘結力高，它能產生很高的強度，對清孔方法和效果敏感性小，但目前國內廠家產品的一個缺點是耐高溫穩定性差，不宜焊接，為保證本工程質量建議采用國外品牌化學錨栓（藥劑要求耐高溫，提供相關實驗、檢測報告），這個方案的結果：如此體量的幕墻面積直接導致成本上升過大；

綜合以上幾個因素最終選用對穿螺栓方案，不受結構梁厚度限值，而且對穿螺栓屬于機械連接，大面積施工條件更能保證連接的可靠性，埋件詳圖如下：

補充對穿螺栓的優點。。。

埋件剖面圖

二、后埋板計算

1.正向風荷載計算

① 風荷載計算：

計算條件選取高度Z取：126.7m；地面粗糙度取：A類；基本風壓Wo取：1.3（kN/m^2）。

Wk=βgz×μz×μsl×W0-----（GB50009-2012）

（a）陣風系數βgz計算：βgz=1+2gI10（Z/10）^（-a）=1+2×2.5×0.12×（126.7/10）^-0.12=1.442

（b）風壓高度變化系數μz計算：μz=1.284×（Z/10）^0.24=1.284×（126.7/10）^0.24=2.362

（c）局部風壓體型系數μsl計算：μsl=-1.200

（d）風荷載標準值WK和風荷載設計值W計算：

Wk=βgz×μsl×μz×W0=1.442×1.200×2.362×1.30=5.314kN/m^2

W=γw×Wk=1.4×5.314=7.440kN/m^2

② 自重荷載計算：

GA=γG×GAK=1.2×0.700=0.840kN/m^2

③ 地震作用計算：

qEAK=β×α×GAK（JGJ102-20035.3.4）=5×0.08×0.700=0.280kN/m^2；qEA=1.3×0.280=0.364kN/m^2

④ 垂直幕墻面的荷載組合計算：

荷載采用SW+0.5SE組合：q=W+0.5qEA=7.440+0.5×0.364=7.622kN/m^2

2.正向風荷載作用下反力計算

① 立柱受荷載線分布集度值：

B：立柱所受水平組合荷載從屬面分格寬：1.500m；H：立柱計算跨度：3.900m

qk.L=Wk×B=5.314×1.500=7.971kN/m；q.L=q×B=7.622×1.500=11.433kN/m

② 支座反力計算

N1=q.L×H=11.433×3.900=44.589kN；N2=GA×B×H=0.840×1.500×3.900=4.914kN

3.側向荷載計算

①風荷載計算：

Wk=βgz×μz×μsl×W0-----（GB50009-2012）

（a）陣風系數βgz計算：βgz=1+2gI10（Z/10）^（-a）=1+2×2.5×0.12×（126.7/10）^-0.12=1.442

（b）風壓高度變化系數μz計算：μz=1.284×（Z/10）^0.24=1.284×（126.7/10）^0.24=2.362

（c）局部風壓體型系數μsl計算：μsl=-1.625

（d）風荷載標準值WK和風荷載設計值W計算：

γw：風荷載作用分項系數：1.4

Wk=βgz×μsl×μz×W0=1.442×1.625×2.362×1.30=7.196kN/m^2

W=γw×Wk=1.4×7.196=10.074kN/m^2

4.側向風荷載作用下反力計算

① 立柱受荷載線分布集度值：

B：立柱所受水平組合荷載從屬面分格寬：0.300m；H：立柱計算跨度：3.900m

qk.L=Wk×B=7.196×0.300=2.159kN/m

q.L=q×B=10.074×0.300=3.022kN/m

② 支座反力計算：N1=q.L×H=3.022×3.900=11.787kN

5.埋件計算

① 埋件反力計算

由以上計算可知：N=44589N；V1=4914N；V2=11787N

后埋件所受到的剪力設計值：V=（V12×V22）0.5=（4，914+11，787）=12，770N

e：豎向剪力作用點到錨板邊緣的距離：150mm；e：側向剪力作用點到錨板邊緣的距離：400mm

由豎向總剪力產生的彎矩1設計值：M1=V1×e=4，914×150=737，100N.mm

由側向總剪力產生的彎矩2設計值：M2=V2×e=11，787×400=4，714，800N.mm

②受力最大錨栓的拉力設計值計算

（a）軸心拉力與彎矩1共同作用下，受力最大錨栓的拉力設計值：

N/n-M1y1/Σyi2=44，589/4-737，100×75/22，500=8，690≥0

N1=N/n+M1y1/Σyi^2，JGJ145-2004（5.2.2-1）=44，589/4+737，100×75/22，500=13，604N

（b）軸心拉力與彎矩2共同作用下，受力最大錨栓的拉力設計值：

N/n-M2y1/Σyi2=44，589/4-4，714，800×75/22，500=-4，569<0

N2=（NL+M2）y1'/Σyi'^2，JGJ145-2004（5.2.2-2）=（44，589×75+4，714，800）×150/45，000=26，863N

（c）軸心拉力與彎矩1和彎矩2共同作用下，受力最大錨栓的拉力設計值：

Nhsd=N1+N2-N/n=13，604+26，863-44，589/4=29，320N

③ 受力最大錨栓的剪力設計值計算

V11=V1/n1=4，914/2=2，457N；V21=V2/n2=11，787/2=5，894N

Vhsd=（V11^2+V21^2）^0.5=（2，457^2+5，894^2）^0.5=6，385N

④ 對穿錨栓選擇

Nhsd：承受拉力最大錨栓的拉力設計值：29KN；Vhsd：承受剪力最大螺栓的剪力設計值：6KN

NRd，S：M16錨栓的抗拉承載力設計值：35KN；VRd，S：M16錨栓的抗剪承載力設計值：35KN

⑤ 拉剪復合受力承載力計算

（Nhsd/NRd，S）2+（Vhsd/VRd，S）2=（29/35）^2+（6/35）^2=0.74；滿足要求

以上通過對平潭綜合實驗區金井灣商務營運中心幕墻工程的后埋板構造設計的比選和結構計算的分析，為應對基本風壓超大、大面積主體結構缺少預埋件以及建筑超高、結構梁偏小的不利組合下的相近幕墻工程后置埋板設計分析提供一個借鑒和參考。本工程后埋板施工應用屬超相關規范，對穿螺栓后埋板方案組織了專家論證審查，給出方案基本可行，建議在實際的施工過程中完善兩點：

1.砼梁寬度≤250mm，可以采用對穿螺栓，在施工過程中不得損傷主鋼筋；

2.砼梁寬度≥300mm時，可采用化學錨栓，化學錨栓直徑應適當加大，錨入深度適當加長，應保證化學結構膠質量和施工質量，必要時在關鍵部位時增加安全構造措施。

參考文獻：

[1] 玻璃幕墻工程技術規范，JGJ 102-2003

[2] 建筑結構荷載規范，GB 50009-2012

[3] 混凝土結構后錨固技術規程，JGJ 145-2013