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        金屬幕墻超限設(shè)計專項論證
        ——成都招商大魔方14 號樓鋁板幕墻高度超限設(shè)計

        2020-01-14 06:38:32屈胤儒成都方大建筑科技有限公司設(shè)計院副院長工程師
        中國建筑裝飾裝修 2019年12期
        關(guān)鍵詞:角碼鋁板龍骨

        屈胤儒 成都方大建筑科技有限公司設(shè)計院副院長、工程師

        一、項目簡介

        1、項目概況

        成都招商大魔方14 號樓位于四川省成都市天府大道北段與錦城大道交叉口,由成都招商遠(yuǎn)康房地產(chǎn)開發(fā)有限公司興建。項目總用地面積為2811.42m2,總建筑面積約為91 863.09 m2。項目建筑層數(shù)為地上51 層,地下4 層,建筑高度為201.600m。項目主要幕墻形式包括玻璃幕墻、鋁板幕墻、鋁合金格柵、鋁合金百葉等。其中,鋁板幕墻的最大高度為201.600m,超過了《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》(JGJ 133—2001)[1]第1.0.2 條關(guān)于該規(guī)范適用于“建筑高度不大于150m 的民用建筑金屬幕墻工程”之規(guī)定。本項目鋁板幕墻超限類型為建筑高度超限,超高51.600m,超限部分的鋁板面積約5000m2。成都招商大魔方14 號樓具體分布詳見圖1。

        圖1 立面示意圖

        2、設(shè)計基本參數(shù)

        基本風(fēng)壓為0.30 kN/m2(50 年一遇,考慮樓群干擾效應(yīng)系數(shù)1.1);基本雪壓為0.10 kN/m2(50 年一遇);就風(fēng)荷載體型系數(shù)而言,大面區(qū)域為1.2,墻角區(qū)域為1.6;地面粗糙度為C 類;抗震設(shè)防烈度為7 度;基本地震加速度為0.10g;面材種類為3mm 鋁單板,采用角碼及不銹鋼螺釘固定;支撐結(jié)構(gòu)材料主要為Q235B 鋼材、6063-T6 鋁型材;建筑結(jié)構(gòu)形式為框架—核心筒結(jié)構(gòu);幕墻設(shè)計使用年限為25 年。

        二、設(shè)計方案

        1、設(shè)計思路

        對于本項目超限部位鋁板幕墻,首先考慮了建筑群體效應(yīng),將風(fēng)荷載提高至1.1 倍,確保鋁板幕墻的結(jié)構(gòu)安全性。同時,充分考慮了超限部分鋁板幕墻的結(jié)構(gòu)安全儲備,將鋁板主龍骨的規(guī)格加大為100mm×60mm×5mm鋼矩管,將鋁板加勁肋的規(guī)格加大為40mm×40mm×3mm,并加密鋁板加勁肋的布設(shè)為300mm 間距。另外,加強超限部分鋁板的固定,加密鋁板角碼的布設(shè)為300mm間距,加大不銹鋼螺釘?shù)男吞枮镾T4.8。

        2、連接設(shè)計

        在設(shè)計中,超限部分鋁板主龍骨采用100mm×60mm×5m 鋼矩管,通過10#槽鋼轉(zhuǎn)接件與主體結(jié)構(gòu)內(nèi)的預(yù)埋件進(jìn)行固定。橫梁采用L 50mm×5mm 等邊角鋼,固定端與主龍骨焊接,伸縮端采用不銹鋼螺栓與主龍骨連接。龍骨系統(tǒng)均采用Q235B 鋼材,表面熱浸鍍鋅處理。面板為3mm 厚單層鋁板,材質(zhì)為3003-H14,表面氟碳噴涂處理,背部設(shè)置加強肋。鋁板通過角碼、ST4.8 不銹鋼螺釘與龍骨系統(tǒng)固定,面板之間設(shè)置16mm 寬度膠縫,采用泡沫棒和硅酮耐候密封膠填充。具體連接設(shè)計詳見橫剖節(jié)點連接示意圖(見圖2)、豎剖節(jié)點連接示意圖(見圖3)。

        圖2 橫剖節(jié)點連接示意圖

        圖3 豎剖節(jié)點連接示意圖

        3、工藝設(shè)計

        鋁板加工時,面板四邊均折邊20mm,背面沿長邊方向布設(shè)加勁肋,加勁肋截面尺寸為40mm×40mm×3mm,布設(shè)間距約300mm。固定面板的角碼通過2 顆φ4 不銹鋼鉚釘固定到折邊上,角碼間距為300m。

        三、結(jié)構(gòu)驗算

        1、驗算依據(jù)

        根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009—-2012)[2]、《 建 筑 抗 震 設(shè) 計 規(guī) 范》(GB 50011—2010)[3]、《 建 筑 幕 墻》(GB /T 21086—2007)[4]、《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》(JGJ 133—2001)等現(xiàn)行規(guī)范條文規(guī)定,結(jié)合本項目的建筑層高、鋁板分布等情況,針對本項目超限鋁板幕墻進(jìn)行下述3 種類型的結(jié)構(gòu)驗算。結(jié)構(gòu)驗算主要采用SAP2000 有限元軟件進(jìn)行分析。

        2、主要驗算情況

        類型一為標(biāo)準(zhǔn)層大面鋁板幕墻:位于建筑實體墻外側(cè),結(jié)構(gòu)跨度為3800mm,采用連續(xù)梁設(shè)計模型,其中外伸長度為500mm,最大使用高度為188.660m,最大面板尺寸為 1375mm(寬)×2500mm(高)。

        通過對標(biāo)準(zhǔn)層大面鋁板幕墻的結(jié)構(gòu)構(gòu)件及系統(tǒng)進(jìn)行分析、計算得出:鋁板 的 強 度σ=48.329 7N/mm2<97.0N/mm2;鋁板的撓度d=4.10mm <L/100=1 375/100=13.75mm; 主 龍 骨 的 強 度σ=112.528N/mm2<215N/mm2; 主龍 骨 的 撓 度d=8.3623mm <L/300=3 800/300=12.67mm。由此可以看出,該系統(tǒng)符合使用要求。

        類型二為4.1m 層高鋁板幕墻:位于51F 部位的建筑實體墻外側(cè),結(jié)構(gòu)跨度為4100mm,采用雙跨梁設(shè)計模型,其中短跨長度為500mm,工程最大使用高度為192.760m,最大面板尺寸為1375mm(寬)×2450mm(高)。與標(biāo)準(zhǔn)層大面鋁板幕墻相比,最大面板寬度尺寸一樣,高度尺寸更小,在計算條件一樣的情況下,鋁板的強度和撓度的安全儲備更高。

        通過對4.1m 層高鋁板幕墻的結(jié)構(gòu)構(gòu)件及系統(tǒng)進(jìn)行分析、計算得出:主龍骨的強 度σ=125.262N/mm2<215N/mm2;主龍骨的撓度d= 6.3877mm <L/300=3 600/300=12mm。由此可以看出,該系統(tǒng)符合使用要求。

        類型三為層間造型鋁板幕墻:位于玻璃幕墻層間部位,造型鋁板的次龍骨與玻璃幕墻的主龍骨相連接,工程最大使用高度為192.760m,最大面板尺寸為1150mm(寬)×1300mm(高)。

        通過對層間造型鋁板幕墻的結(jié)構(gòu)構(gòu)件及系統(tǒng)進(jìn)行分析、計算得出:鋁板的強度σ=49.579N/mm2<97.0N/mm2;鋁板的撓度d=2.876mm <L/100=1150/100=11.50mm;支撐龍骨的強度σ=108.58N/mm2<215 N/mm2;支撐龍骨的撓度d=1.2139mm <L/300=900/300=3mm。由此可以看出,該系統(tǒng)符合使用要求。

        表1 龍骨驗算結(jié)果匯總表

        表2 面板驗算結(jié)果匯總表

        3、驗算結(jié)果匯總

        主要參數(shù)驗算結(jié)果匯總詳見龍骨驗算結(jié)果匯總表(見表1)、面板驗算結(jié)果匯總表(見表2)。

        四、主要加強措施

        為了確保超限鋁板部位鋁板幕墻連接可靠,在設(shè)計和生產(chǎn)方面的主要加強措施包括4個方面。

        1、提高超限鋁板的荷載值

        本項目為雙高層,考慮取值為1.1 的風(fēng)力互相干撓系數(shù)。最大的鋁板分格尺寸并不位于最不利位置,為提高工程安全度,將最大分格尺寸的鋁板考慮為位于最不利位置,保證材料應(yīng)力與應(yīng)變有較大的富余度。例如,標(biāo)準(zhǔn)層鋁板幕墻最大的鋁板分格尺寸1375mm(寬)×2500mm(高)的標(biāo)高為188.660m,結(jié)構(gòu)分析計算時按201.600m 的標(biāo)高考慮。

        2、加強超限部位鋁板的剛度設(shè)計

        非超限部位鋁板, 加強肋截面為30mm×30mm×3mm, 布 設(shè) 間 距 為500mm。超限部位鋁板,加強肋截面增加為40mm×40mm×3mm,布設(shè)間距減小為300mm。通過受力分析,超限部位鋁板剛度利用率控制在50%以下,加強了鋁板本身的剛度性能。將鋁板角碼設(shè)置在加強肋的位置,焊接成為一個整體,使面板荷載更直接地傳遞到龍骨上。

        3、加大超限部位鋁板幕墻的主龍骨

        在80mm×60mm×5mm 鋼矩管就可以滿足結(jié)構(gòu)要求的情況下,選用截面尺寸更大的100mm×60mm×5mm 鋼矩管。通過受力分析,不同層高的立柱的強度利用率均控制在60%以下,富余度充足,加大龍骨本身的安全系數(shù)。

        4、加強鋁板與龍骨體系的固定

        減小超限部位鋁板角碼的間距,加大固定螺釘?shù)男吞枴檫M(jìn)一步確保超限鋁板連接的可靠性,固定角碼的間距由350mm 減少至300mm,固定螺釘由ST4.2 不銹鋼螺釘加大至ST4.8 不銹鋼螺釘。

        綜合上述超限鋁板幕墻的設(shè)計、結(jié)構(gòu)驗算分析、加強措施,結(jié)合國內(nèi)諸多既有項目的成功經(jīng)驗,本項目鋁板幕墻高度超限的設(shè)計是合理的,也是可行的。

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