幕墻設計中結構計算的實現(xiàn)和理解

呂靜品 中建八局裝飾設計研究院設計師

建筑幕墻作為一種新的獨立的圍護結構，有其自身的優(yōu)勢，同時也有一些問題需要建筑設計師們通過反復努力解決。本文從以下幾個方面簡要分析幕墻設計中結構計算的幾點理解，通過對結果的分析、比較，以期達到更深層次的理解和應用。

一、計算模型選取（以立柱為例簡要分析三種計算模型）

選取正確合理的計算模型，是幕墻設計成敗的關鍵。以下以框支撐玻璃幕墻立柱為例進行分析。根據(jù)《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》JGJ102-2003 第6.3.6 條規(guī)定，幕墻立柱設計可分別按單跨梁、雙跨梁或多跨鉸接梁計算由風荷載或地震作用產(chǎn)生的彎矩，并按其支承條件計算軸向力。

1、采用單跨梁計算模型

采用單跨梁計算模型進行抗風壓計算時對立柱進行簡化，取簡支梁計算簡圖。假定立柱是以連接件為支座的單跨梁。圖1 為按單跨梁計算立柱的彎矩、剪力。

根據(jù)《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》JGJ102-2003 第6.3.7 條規(guī)定，承受軸力和彎矩作用的立柱，其承載力應符合下式要求：

N/An+M/γWn ≤f

單跨梁的跨中彎矩最大為0.13ql2，跨中剪力為零；而支座剪力最大為0.5ql，支座彎矩為零，即彎矩控制截面無剪力，而剪力控制截面無彎矩，因此只需分別按彎矩效應和剪力效應進行抗風壓設計計算。

采用此種力學模型，立柱簡化為支承在樓層上的簡支梁，以層高作為計算跨度。這種簡化基本反映了立柱受力情況，計算也相當簡單，但從理論和現(xiàn)場實踐經(jīng)驗來看，此種力學模型與實際受力情況有一定的差異。計算結果偏于安全，浪費材料，不夠經(jīng)濟。因此單跨梁計算模型適用于初步選取立柱截面大小，和概算階段的材料估量。

圖2 雙跨梁計算模型

2、采用雙跨梁計算模型

每層樓板邊梁位置設置兩個支座，上端的第一支座設置為固定鉸支座，緊鄰的第二支座設置為滑動鉸支座，假定第一支座與第二支座距離為0.125L 。立柱懸掛在主體結構之上，下端通過插芯與下層立柱相連，形成第三個支座。圖2 為按雙跨梁計算立柱的彎矩、剪力。

雙跨梁的彎矩最大值為0.08ql2，而支座剪力最大值為0.73ql， 最大彎矩較之簡支梁減小了約38.5%，最大剪力較之簡支梁增加了46%左右。

通過對比，在其他條件相同的情況下，當立柱設計為拉彎構件時，可以明顯看到雙跨梁模型較之簡支梁模型能夠大幅度節(jié)省立柱的材料用量，但是會增加一套埋件和轉接件的用量，因此并不是所有的幕墻立柱都可以選擇雙跨梁計算模型。根據(jù)理論分析和大多的實際工程經(jīng)驗，選擇雙跨梁計算模型應具備一下條件：

（1）幕墻的跨度較大，分格寬度較寬時采用；

（2）幕墻立柱的短跨跨度與總跨度的比值大于等于0.1 時采用。

因此在低層裙房中較多的采用雙跨梁計算模型。

3、采用多跨鉸接梁的計算模型

計算時取單支點多跨鉸接梁（多跨靜定梁）計算簡圖，實際上立柱結構是一段帶懸挑的簡支梁用鉸連接成多跨梁。這種計算模型對比簡支梁與實際情況更為接近。圖3 為按多跨鉸接梁計算立柱的彎矩、剪力。

每層樓板邊梁位置設置一個支座，假定立柱距支座向上懸挑段長度為0.125L，用插芯與上層立柱相連，形成鉸連接。此處立柱水平活動受到限制，而豎向可以自由伸縮，依次重復，形成多跨鉸接連續(xù)靜定梁。

多跨鉸接梁的彎矩最大值為0.07ql2，而支座剪力最大值為0.50ql， 最大彎矩較之簡支梁減小了約46.2%，與雙跨梁相差不大，最大剪力與簡支梁相差不大，與雙跨梁相比，減少了31.5%左右。

圖3 多跨鉸接梁的計算模型

通過對比，在其他條件相同的情況下，當立柱設計為拉彎構件時，可以明顯看到多跨鉸接梁模型較之簡支梁模型能夠大幅度節(jié)省立柱的材料用量；較之雙跨梁模型能減少一套埋件和轉接件的用量，并且更符合實際受力情況，因此在一般的高層或超高層塔樓設計時可采用多跨鉸接梁模型。

因此，應根據(jù)實際情況選取合理的受力模型，通過計算對比確定最終的方案。

二、荷載取值及荷載組合確定

荷載取值與組合是否正確合理是保障結構安全的根本，同時也是節(jié)省材料、節(jié)約成本的前提。

1、風荷載取值確定及計算

根據(jù)《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》JGJ102-2003 第5.3.2 條規(guī)定，玻璃幕墻的風荷載標準值應按下式計算，并且不應小于1.0KN/m2。

第5.3.3 條規(guī)定，玻璃幕墻的風荷載標準值可按風洞實驗結果確定；玻璃幕墻高度大于200m 或體型、風荷載環(huán)境復雜時，宜進行風洞實驗確定風荷載。

2、地震作用取值確定及計算

根據(jù)《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》JGJ102-2003 第5.3.4 條規(guī)定，垂直于玻璃幕墻平面的分布水平地震作用標準值可按下式計算：

第5.3.5 條：平行與玻璃幕墻平面的集中水平地震作用標準值可按下式計算：

第5.3.6 條：幕墻的支承結構以及連接件、錨固件所承受的地震作用標準值，應包括玻璃幕墻構件傳來的地震作用標準值和其自身重力荷載標準值產(chǎn)生的地震作用標準值。

3、荷載組合效應確定

幕墻設計中考慮兩種極限受力狀態(tài)，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進行荷載組合，并應取各自的最不利的組合進行設計。

根據(jù)《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》JGJ102-2003 第5.4.1 條規(guī)定，幕墻構件承載力極限狀態(tài)設計時，其作用效應的組合應符合下列規(guī)定：

表1 5.3.4 水平地震影響系數(shù)最大值αmax

無地震作用效應組合時，應按下式進行：

有地震作用效應組合時，應按下式進行：

根據(jù)《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》JGJ102-2003 第5.4.4 條規(guī)定，幕墻構件撓度計算時，風荷載分項系數(shù)和永久荷載分項系數(shù)均應取1.0，且可不考慮作用效應的組合。

三、方案選用原則及不滿足承載力要求時處理的方法

在工程設計中應根據(jù)實際工程的需要，做到安全適用、技術先進、經(jīng)濟合理。因此，應在結合實際工程的前提下，綜合比對不同計算模型在最不利荷載組合作用下，選取材料用量少、施工方便、縮短工期、工廠加工、節(jié)省人工的方案。

在實際工程中，當選取了既定的某種模型時，最終結果不能滿足承載能力極限狀態(tài)或正常使用極限狀態(tài)的要求，可以考慮從以下幾個方面采取處理措施：①改變受力模型、②改變材質(zhì)、③局部加強措施。

四、幕墻結構概念設計

目前有很多幕墻設計存在缺陷，主要原因就在于總體方案和構造措施上為采取正確的構思，即未進行概念設計。

幕墻概念設計一般指不經(jīng)計算，尤其在一些難以作出精確理性分析或在規(guī)范中難以規(guī)定的問題中，依據(jù)幕墻整體結構體系與分體系之間的力學關系、結構破壞機理、和工程經(jīng)驗所獲得的基本設計原則和設計思想，從整體的角度來確定幕墻結構的總體布置和細部構造措施的宏觀控制。運用概念性近似估算方法，可以在幕墻設計的方案階段迅速、有效地對結構體系進行構思、比較與選擇，易于手算。所得結構方案往往概念清晰、定性正確，避免后期設計階段一些不必要的繁瑣運算，具有較好的安全可靠和經(jīng)濟合理性。同時，也是判斷計算機內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)正確與否的主要依據(jù)。

幕墻結構概念設計主要從以下四個方面入手：①合理選擇結構方案②選用恰當?shù)挠嬎愫唸D③正確分析計算結果④采取相應的構造措施

五、對幕墻設計的正確理解

在進行幕墻設計中，應嚴格遵守現(xiàn)行規(guī)范，合理設計，確保安全，因此對規(guī)范條文的正確理解就是幕墻設計的前提和基礎。現(xiàn)就對規(guī)范中的部分條文進行分析，闡明自己曾經(jīng)的疑惑和如何正確理解運用。

1、預埋件錨筋的錨固長度的理解

《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》JGJ102-2003附錄C 中，對預埋件錨筋的長度做出規(guī)定，但是如果機械的按規(guī)范采用，會造成不必要的浪費，以下對規(guī)范進行簡單的理解概述：

規(guī)范中規(guī)定：受拉直錨筋和彎折錨筋的錨固長度應符合下列要求：

當計算中充分利用錨筋的抗拉強度時，其錨筋長度應按下式計算：

la=α fy/ftd

抗震設計的幕墻，鋼筋錨固長度應按本規(guī)范公式計算值的1.1 倍采用；

當錨筋的拉應力設計值小于鋼筋抗拉強度設計值fy 時，其錨固長度可適當減小，但不應小于15 倍錨固直徑。

曾經(jīng)對此條規(guī)范的取值，存在很多疑惑：

（1）工程實際情況中，用于幕墻預埋件連接的混凝土結構梁中有很多截面尺寸寬度為200mm、250mm、300mm 的，這在理論中，即使按60%la 采用，仍不能滿足要求。

（2）如果按錨筋的拉應力設計值小于鋼筋抗拉強度設計值fy，取15 倍錨固直徑，雖然能滿足構造錨固尺寸，但是鋼筋的錨固長度是否滿足規(guī)范中計算所需的長度，心里沒有多大把握；

（3）許多設計師采取在工程允許的情況下在15 倍錨筋直接的基礎上再適當加大錨筋長度，憑借工程經(jīng)驗，但是仍然缺乏數(shù)據(jù)支持。

對規(guī)范的正確理解

式中“l(fā)a=α fy/ftd”為充分利用鋼筋的抗拉強度，在實際幕墻預埋件中 ，幾乎沒有達到充分利用的情況，因此實際中應改為“l(fā)a=α σs/ftd”，σs 為工程中預埋鋼筋所受的實際拉應力。在此基礎上適當?shù)男抻嗗^筋的長度才是合理的。

2、幕墻立柱受拉桿件設計

《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》JGJ102-2003第6.3 節(jié)對幕墻立柱設計做出了規(guī)定，由規(guī)范可知，幕墻立柱宜設計為拉彎構件，即采用上端懸掛方式。

（1） 當立柱設計為拉彎構件時，在滿足構造要求的前體下，只需要考慮滿足承載能力和撓度限制要求即可。

（2）當立柱設計為壓彎構件時，還需滿足截面寬厚比的強制性規(guī)定，在彎矩作用方向的穩(wěn)定性以及長細比λ 不宜大于150 的要求。

（3）在滿足承載力和撓度的前提下，對比拉彎構件和壓彎構件的截面選取，說明立柱拉彎構件設計的重要意義。

五、結語

幕墻設計應從全局出發(fā)，從整體把握。而結構計算作為幕墻設計的根本支撐，其重要性不言而喻。從實際工程出發(fā)，以規(guī)范標準為依據(jù)，以安全適用為前提，綜合考慮經(jīng)濟和社會效益。只有做好結構計算工作，才能結合相應的構造要求，使幕墻設計趨于完善，從而做到安全和經(jīng)濟并顧。