呂靜品 中建八局裝飾設(shè)計(jì)研究院設(shè)計(jì)師

建筑幕墻作為一種新的獨(dú)立的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，有其自身的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也有一些問(wèn)題需要建筑設(shè)計(jì)師們通過(guò)反復(fù)努力解決。本文從以下幾個(gè)方面簡(jiǎn)要分析幕墻設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)計(jì)算的幾點(diǎn)理解，通過(guò)對(duì)結(jié)果的分析、比較，以期達(dá)到更深層次的理解和應(yīng)用。

一、計(jì)算模型選?。ㄒ粤⒅鶠槔?jiǎn)要分析三種計(jì)算模型）

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

1、采用單跨梁計(jì)算模型

采用單跨梁計(jì)算模型進(jìn)行抗風(fēng)壓計(jì)算時(shí)對(duì)立柱進(jìn)行簡(jiǎn)化，取簡(jiǎn)支梁計(jì)算簡(jiǎn)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(jì)算立柱的彎矩、剪力。

根據(jù)《玻璃幕墻工程技術(shù)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(yīng)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(wú)剪力，而剪力控制截面無(wú)彎矩，因此只需分別按彎矩效應(yīng)和剪力效應(yīng)進(jìn)行抗風(fēng)壓設(shè)計(jì)計(jì)算。

采用此種力學(xué)模型，立柱簡(jiǎn)化為支承在樓層上的簡(jiǎn)支梁，以層高作為計(jì)算跨度。這種簡(jiǎn)化基本反映了立柱受力情況，計(jì)算也相當(dāng)簡(jiǎn)單，但從理論和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，此種力學(xué)模型與實(shí)際受力情況有一定的差異。計(jì)算結(jié)果偏于安全，浪費(fèi)材料，不夠經(jīng)濟(jì)。因此單跨梁計(jì)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(jì)算模型

2、采用雙跨梁計(jì)算模型

每層樓板邊梁位置設(shè)置兩個(gè)支座，上端的第一支座設(shè)置為固定鉸支座，緊鄰的第二支座設(shè)置為滑動(dòng)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(jié)構(gòu)之上，下端通過(guò)插芯與下層立柱相連，形成第三個(gè)支座。圖2 為按雙跨梁計(jì)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(jiǎn)支梁減小了約38.5%，最大剪力較之簡(jiǎn)支梁增加了46%左右。

通過(guò)對(duì)比，在其他條件相同的情況下，當(dāng)立柱設(shè)計(jì)為拉彎構(gòu)件時(shí)，可以明顯看到雙跨梁模型較之簡(jiǎn)支梁模型能夠大幅度節(jié)省立柱的材料用量，但是會(huì)增加一套埋件和轉(zhuǎn)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(jì)算模型。根據(jù)理論分析和大多的實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，選擇雙跨梁計(jì)算模型應(yīng)具備一下條件：

（1）幕墻的跨度較大，分格寬度較寬時(shí)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(shí)采用。

因此在低層裙房中較多的采用雙跨梁計(jì)算模型。

3、采用多跨鉸接梁的計(jì)算模型

計(jì)算時(shí)取單支點(diǎn)多跨鉸接梁（多跨靜定梁）計(jì)算簡(jiǎn)圖，實(shí)際上立柱結(jié)構(gòu)是一段帶懸挑的簡(jiǎn)支梁用鉸連接成多跨梁。這種計(jì)算模型對(duì)比簡(jiǎn)支梁與實(shí)際情況更為接近。圖3 為按多跨鉸接梁計(jì)算立柱的彎矩、剪力。

每層樓板邊梁位置設(shè)置一個(gè)支座，假定立柱距支座向上懸挑段長(zhǎng)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(dòng)受到限制，而豎向可以自由伸縮，依次重復(fù)，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(jiǎn)支梁減小了約46.2%，與雙跨梁相差不大，最大剪力與簡(jiǎn)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(jì)算模型

通過(guò)對(duì)比，在其他條件相同的情況下，當(dāng)立柱設(shè)計(jì)為拉彎構(gòu)件時(shí)，可以明顯看到多跨鉸接梁模型較之簡(jiǎn)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(zhuǎn)接件的用量，并且更符合實(shí)際受力情況，因此在一般的高層或超高層塔樓設(shè)計(jì)時(shí)可采用多跨鉸接梁模型。

因此，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況選取合理的受力模型，通過(guò)計(jì)算對(duì)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(jié)構(gòu)安全的根本，同時(shí)也是節(jié)省材料、節(jié)約成本的前提。

1、風(fēng)荷載取值確定及計(jì)算

根據(jù)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003 第5.3.2 條規(guī)定，玻璃幕墻的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下式計(jì)算，并且不應(yīng)小于1.0KN/m2。

第5.3.3 條規(guī)定，玻璃幕墻的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值可按風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定；玻璃幕墻高度大于200m 或體型、風(fēng)荷載環(huán)境復(fù)雜時(shí)，宜進(jìn)行風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)確定風(fēng)荷載。

2、地震作用取值確定及計(jì)算

根據(jù)《玻璃幕墻工程技術(shù)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(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)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(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算：

第5.3.6 條：幕墻的支承結(jié)構(gòu)以及連接件、錨固件所承受的地震作用標(biāo)準(zhǔn)值，應(yīng)包括玻璃幕墻構(gòu)件傳來(lái)的地震作用標(biāo)準(zhǔn)值和其自身重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值產(chǎn)生的地震作用標(biāo)準(zhǔn)值。

3、荷載組合效應(yīng)確定

幕墻設(shè)計(jì)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(jìn)行荷載組合，并應(yīng)取各自的最不利的組合進(jìn)行設(shè)計(jì)。

根據(jù)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003 第5.4.1 條規(guī)定，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)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(wú)地震作用效應(yīng)組合時(shí)，應(yīng)按下式進(jìn)行：

有地震作用效應(yīng)組合時(shí)，應(yīng)按下式進(jìn)行：

根據(jù)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003 第5.4.4 條規(guī)定，幕墻構(gòu)件撓度計(jì)算時(shí)，風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)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。

三、方案選用原則及不滿足承載力要求時(shí)處理的方法

在工程設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)實(shí)際工程的需要，做到安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理。因此，應(yīng)在結(jié)合實(shí)際工程的前提下，綜合比對(duì)不同計(jì)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(shí)際工程中，當(dāng)選取了既定的某種模型時(shí)，最終結(jié)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(gè)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(qiáng)措施。

四、幕墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)

目前有很多幕墻設(shè)計(jì)存在缺陷，主要原因就在于總體方案和構(gòu)造措施上為采取正確的構(gòu)思，即未進(jìn)行概念設(shè)計(jì)。

幕墻概念設(shè)計(jì)一般指不經(jīng)計(jì)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(wèn)題中，依據(jù)幕墻整體結(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學(xué)關(guān)系、結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理、和工程經(jīng)驗(yàn)所獲得的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思想，從整體的角度來(lái)確定幕墻結(jié)構(gòu)的總體布置和細(xì)部構(gòu)造措施的宏觀控制。運(yùn)用概念性近似估算方法，可以在幕墻設(shè)計(jì)的方案階段迅速、有效地對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行構(gòu)思、比較與選擇，易于手算。所得結(jié)構(gòu)方案往往概念清晰、定性正確，避免后期設(shè)計(jì)階段一些不必要的繁瑣運(yùn)算，具有較好的安全可靠和經(jīng)濟(jì)合理性。同時(shí)，也是判斷計(jì)算機(jī)內(nèi)力分析輸出數(shù)據(jù)正確與否的主要依據(jù)。

幕墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)主要從以下四個(gè)方面入手：①合理選擇結(jié)構(gòu)方案②選用恰當(dāng)?shù)挠?jì)算簡(jiǎn)圖③正確分析計(jì)算結(jié)果④采取相應(yīng)的構(gòu)造措施

五、對(duì)幕墻設(shè)計(jì)的正確理解

在進(jìn)行幕墻設(shè)計(jì)中，應(yīng)嚴(yán)格遵守現(xiàn)行規(guī)范，合理設(shè)計(jì)，確保安全，因此對(duì)規(guī)范條文的正確理解就是幕墻設(shè)計(jì)的前提和基礎(chǔ)?，F(xiàn)就對(duì)規(guī)范中的部分條文進(jìn)行分析，闡明自己曾經(jīng)的疑惑和如何正確理解運(yùn)用。

1、預(yù)埋件錨筋的錨固長(zhǎng)度的理解

《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003附錄C 中，對(duì)預(yù)埋件錨筋的長(zhǎng)度做出規(guī)定，但是如果機(jī)械的按規(guī)范采用，會(huì)造成不必要的浪費(fèi)，以下對(duì)規(guī)范進(jìn)行簡(jiǎn)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(zhǎng)度應(yīng)符合下列要求：

當(dāng)計(jì)算中充分利用錨筋的抗拉強(qiáng)度時(shí)，其錨筋長(zhǎng)度應(yīng)按下式計(jì)算：

la=α fy/ftd

抗震設(shè)計(jì)的幕墻，鋼筋錨固長(zhǎng)度應(yīng)按本規(guī)范公式計(jì)算值的1.1 倍采用；

當(dāng)錨筋的拉應(yīng)力設(shè)計(jì)值小于鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy 時(shí)，其錨固長(zhǎng)度可適當(dāng)減小，但不應(yīng)小于15 倍錨固直徑。

曾經(jīng)對(duì)此條規(guī)范的取值，存在很多疑惑：

（1）工程實(shí)際情況中，用于幕墻預(yù)埋件連接的混凝土結(jié)構(gòu)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(yīng)力設(shè)計(jì)值小于鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fy，取15 倍錨固直徑，雖然能滿足構(gòu)造錨固尺寸，但是鋼筋的錨固長(zhǎng)度是否滿足規(guī)范中計(jì)算所需的長(zhǎng)度，心里沒(méi)有多大把握；

（3）許多設(shè)計(jì)師采取在工程允許的情況下在15 倍錨筋直接的基礎(chǔ)上再適當(dāng)加大錨筋長(zhǎng)度，憑借工程經(jīng)驗(yàn)，但是仍然缺乏數(shù)據(jù)支持。

對(duì)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(qiáng)度，在實(shí)際幕墻預(yù)埋件中 ，幾乎沒(méi)有達(dá)到充分利用的情況，因此實(shí)際中應(yīng)改為“l(fā)a=α σs/ftd”，σs 為工程中預(yù)埋鋼筋所受的實(shí)際拉應(yīng)力。在此基礎(chǔ)上適當(dāng)?shù)男抻嗗^筋的長(zhǎng)度才是合理的。

2、幕墻立柱受拉桿件設(shè)計(jì)

《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003第6.3 節(jié)對(duì)幕墻立柱設(shè)計(jì)做出了規(guī)定，由規(guī)范可知，幕墻立柱宜設(shè)計(jì)為拉彎構(gòu)件，即采用上端懸掛方式。

（1） 當(dāng)立柱設(shè)計(jì)為拉彎構(gòu)件時(shí)，在滿足構(gòu)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(dāng)立柱設(shè)計(jì)為壓彎構(gòu)件時(shí)，還需滿足截面寬厚比的強(qiáng)制性規(guī)定，在彎矩作用方向的穩(wěn)定性以及長(zhǎng)細(xì)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(duì)比拉彎構(gòu)件和壓彎構(gòu)件的截面選取，說(shuō)明立柱拉彎構(gòu)件設(shè)計(jì)的重要意義。

五、結(jié)語(yǔ)

幕墻設(shè)計(jì)應(yīng)從全局出發(fā)，從整體把握。而結(jié)構(gòu)計(jì)算作為幕墻設(shè)計(jì)的根本支撐，其重要性不言而喻。從實(shí)際工程出發(fā)，以規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)，以安全適用為前提，綜合考慮經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。只有做好結(jié)構(gòu)計(jì)算工作，才能結(jié)合相應(yīng)的構(gòu)造要求，使幕墻設(shè)計(jì)趨于完善，從而做到安全和經(jīng)濟(jì)并顧。