淺析幕墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計及玻璃撓度計算的重要意義

【摘要】本文強調(diào)了結(jié)構(gòu)設(shè)計在幕墻設(shè)計中的重要性，并著重闡述了幕墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計及運用撓度計算的意義及其要點。

        隨著大跨度空間建筑幕墻迅猛發(fā)展，現(xiàn)代建筑的奇異造型使得幕墻結(jié)構(gòu)變得越來越復雜。因此，以大跨度鋼結(jié)構(gòu)、索結(jié)構(gòu)、玻璃結(jié)構(gòu)及其組合結(jié)構(gòu)等高難度的幕墻結(jié)構(gòu)型式在幕墻設(shè)計中得到全方位應(yīng)用。無論是傳統(tǒng)的框架式玻璃幕墻，還是大跨度的點支式玻璃幕墻以及單元式玻璃幕墻，結(jié)構(gòu)在幕墻設(shè)計中的地位日顯突出，尤其是幕墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計已成為設(shè)計中關(guān)鍵環(huán)節(jié)，同時玻璃幕墻撓度計算也顯得更加的重要。筆者根據(jù)十幾年來主持和參與的多項會展中心、商務(wù)樓幕墻工程實踐，就幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計和玻璃撓度計算方面談一些認識。
        一、幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的重要性
        首先由于幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的安全可靠性直接關(guān)系到建筑外立面美觀和人民生命財產(chǎn)安全，歷來是審慎解決的重大問題；其次幕墻結(jié)構(gòu)的安全可靠設(shè)計也是一個國家綜合性經(jīng)濟政策問題；第三實際上結(jié)構(gòu)設(shè)計也是選擇一種安全與經(jīng)濟相對的最佳平衡。因此政府、社會對結(jié)構(gòu)設(shè)計極為重視，結(jié)構(gòu)設(shè)計責任重大；第四作為一個從事建筑幕墻設(shè)計的技術(shù)人員，應(yīng)對幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計承擔義不容辭的責任。
        二、幕墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的涵義
        人們往往片面地理解幕墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計，認為其主要是用于一些大的原則，如確定結(jié)構(gòu)方案、結(jié)構(gòu)布置等。其實，在設(shè)計中任何地方都離不開科學的概念作指導。
        1.意義
        概念設(shè)計一般指不經(jīng)精密計算，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(jié)構(gòu)體系與分體系之間的力學關(guān)系、結(jié)構(gòu)破壞機理和工程經(jīng)驗所獲得的基本設(shè)計原則和設(shè)計思路，從整體的角度來確定幕墻結(jié)構(gòu)的總體布置和細部構(gòu)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(shè)計的方案階段迅速、有效地對結(jié)構(gòu)體系進行構(gòu)思、比較與選擇，易于快捷計算。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)。
        2.幕墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的主要內(nèi)容
        （1）合理選擇結(jié)構(gòu)方案
        一個成功的設(shè)計必須選擇一個經(jīng)濟合理的結(jié)構(gòu)方案，即要選擇一個切實可行的結(jié)構(gòu)型式和結(jié)構(gòu)體系。結(jié)構(gòu)體系應(yīng)受力明確，傳力簡捷，同一結(jié)構(gòu)單元不宜混用不同結(jié)構(gòu)體系，力求平面和豎向規(guī)則。必須對建筑師設(shè)計要求、幕墻結(jié)構(gòu)特點、材料供應(yīng)、施工條件等情況進行綜合分析，并與設(shè)計院建筑、結(jié)構(gòu)等專業(yè)充分協(xié)商，在此基礎(chǔ)上進行結(jié)構(gòu)選型，確定結(jié)構(gòu)方案，必要時還應(yīng)進行多方案比較，擇優(yōu)選用。
        （2）選用恰當?shù)挠嬎愫唸D
        結(jié)構(gòu)計算是在計算簡圖的基礎(chǔ)上進行的，計算簡圖選用不當而導致結(jié)構(gòu)安全的事故屢有發(fā)生，因此選擇恰當?shù)挠嬎愫唸D是保證結(jié)構(gòu)安全的重要條件。計算簡圖還應(yīng)有相應(yīng)的構(gòu)造措施來保證。實際結(jié)構(gòu)的節(jié)點不可能是純粹的剛結(jié)或鉸結(jié)點，但與計算簡圖的誤差應(yīng)在設(shè)計允許范圍之內(nèi)。
        （3）審慎分析計算結(jié)果
        在結(jié)構(gòu)設(shè)計中普遍采用計算機技術(shù)，但由于目前軟件種類繁多，不同軟件往往會導致不同的計算結(jié)果。因此設(shè)計師應(yīng)對程序的適用范圍、技術(shù)條件等全面了解。軟件本身有缺陷均會導致錯誤的計算結(jié)果，此外要正確輸入合理的計算參數(shù)，因而要求結(jié)構(gòu)工程師在拿到電算結(jié)果時應(yīng)認真分析，慎重校核，做出合理判斷。設(shè)計師的知識、經(jīng)驗還是不可缺少的。
        （4）采取相應(yīng)的構(gòu)造措施
        加強薄弱部位設(shè)計，特別注意結(jié)構(gòu)連接節(jié)點是否設(shè)計可靠，尤其是不要遺漏鋼結(jié)構(gòu)焊縫、耳板、銷軸、連接板的設(shè)計計算。必要時需考慮溫度應(yīng)力的影響。除此之外，還應(yīng)注意綜合考慮多道防線設(shè)計，盡量避免薄弱點的出現(xiàn)，以及正常使用極限狀態(tài)的驗算等等。
        3.幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)考慮因素及一般步驟
        （1）首先對幕墻面板布置及其分格（一般由建筑師提出并全面熟悉設(shè)計院圖紙）。了解并熟悉幕墻后面主體結(jié)構(gòu)支承情況（樓層及梁柱、屋面結(jié)構(gòu)等）；了解主體結(jié)構(gòu)對幕墻的邊界條件（特別對索結(jié)構(gòu)），以及建筑師及業(yè)主對幕墻結(jié)構(gòu)型式的要求。
        （2）根據(jù)各種結(jié)構(gòu)型式受力特點、適用條件、經(jīng)濟合理性、與幕墻的匹配性等因素來確定是采用鋼結(jié)構(gòu)、索結(jié)構(gòu)、玻璃結(jié)構(gòu)、單桿結(jié)構(gòu)、桁架結(jié)構(gòu)還是組合結(jié)構(gòu)。
        4.幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中值得重視的問題
        （1）根據(jù)規(guī)范規(guī)定及各種結(jié)構(gòu)型式特點合理確定結(jié)構(gòu)型式，切忌為滿足業(yè)主及建筑師的要求，而無原則的一味遷就。
        （2）幕墻是懸掛在主體建筑上的外圍護結(jié)構(gòu)，幕墻結(jié)構(gòu)僅承受幕墻本身受到的荷載，不能承受主體建筑傳來的荷載。而幕墻結(jié)構(gòu)所承受的荷載必須通過連接傳給主體建筑，并且應(yīng)該適應(yīng)主體建筑的變形。
        （3）不能盲目追求使用索結(jié)構(gòu)，特別是單索，使用索結(jié)構(gòu)對邊界條件要求高，設(shè)計院往往未考慮予拉力荷載。
        （4）應(yīng)重視鋼結(jié)構(gòu)連接節(jié)點（耳板、銷軸、焊縫的計算等）的可靠性，及有框幕墻及石材在主體結(jié)構(gòu)的連接件（如預(yù)埋件、螺栓、角碼）的連接牢固。
        （5）隱框幕墻設(shè)計要謹慎，玻璃下設(shè)托條，結(jié)構(gòu)膠設(shè)計計算及質(zhì)量要有可靠保證。
        （6）鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計算時要考慮撓度、長細比及平面外穩(wěn)定，截面穩(wěn)定性計算需進行人工校核。
        （7）應(yīng)明確各種荷載傳遞路徑與結(jié)構(gòu)體系中各桿件所擔負功能。盡量使荷載傳遞路徑簡捷。
        三、玻璃撓度的計算是幕墻結(jié)構(gòu)計算的重要內(nèi)容
        在幕墻設(shè)計時，常涉及到撓度變形問題。在某一工程項目中，標準風壓達到4.7kPa，幕墻分格尺寸為1500×2500mm，如按剛性板的公式計算，不僅材料大大增多，而且不能做到設(shè)計可靠、經(jīng)濟合理。很顯然此時玻璃在風壓作用下的彎曲變形應(yīng)為大撓度變形問題。為使設(shè)計符合實際情況，在該工程的玻璃撓度計算中采用了大撓度計算公式�？紤]到大撓度計算公式是經(jīng)驗公式，為驗證計算的可靠性、確保工程的安全，按實樣進行了玻璃撓度的測試。同時，工程使用了不等厚度玻璃組成的中空玻璃單元，其外片玻璃皆采用6mm厚玻璃，這樣既使建筑的外觀基本無色差，而內(nèi)片根據(jù)風壓的不同分別采用6mm和8mm厚玻璃片，又滿足了結(jié)構(gòu)要求。對不同厚度玻璃組成的中空玻璃單元也做了玻璃撓度的測試。
        1.玻璃撓度的計算
        采用加拿大玻璃應(yīng)用規(guī)程中提供的大撓度計算公式，與使用剛性板撓度計算公式及有關(guān)撓度折減系數(shù)方法進行比較，并通過玻璃撓度的實際測試來驗證計算結(jié)果，最終確定玻璃的選用。
        （1）四邊自由支撐矩形剛性板的撓度u1計算:
u1=Φ2×q×a4／D         ①
式中：u1———矩形剛性板的撓度
Φ2———矩形剛性板的最大撓度系數(shù)
q———垂直于玻璃面均布荷載
a———玻璃短邊長度
D———矩形剛性板彎曲剛度
（2）玻璃大撓度計算公式
u2=t×E×q（ro+r1×x+r2×x2）  ②
式中，u2———玻璃大撓度
t———玻璃厚度
x———構(gòu)件抗力計算值
E———玻璃彈性模量
ro———永久荷載分項系數(shù)
r1———風荷載分項系數(shù)
r2———地震作用分項系數(shù)
        2.計算和測試結(jié)果的分析
        上述公式和有關(guān)修正系數(shù)，對玻璃的撓度進行了計算。為了保證工程的安全并驗證上述大撓度計算的可靠性，按實際尺寸進行了玻璃撓度的測試，測試委托上海建筑幕墻檢測中心進行，試樣采用工程中實際使用的玻璃單元，分別取6mm+13mm（空氣）+6mm、6mm（外）+11mm（空氣）+8mm（內(nèi)）和8mm+（外）+11mm（空氣）+6mm（內(nèi)）各兩件進行撓度測試。為提高測試時，玻璃短邊計算長度a=1418mm，長邊計算長度b=2395mm，最大風壓取q=-5.0kPa，計算中q從0.0kPa按每次以-0.5kpa遞減計算，直到-5.0kPa，玻璃單元分別為6mm+13mm（空氣）+6mm和6mm+11mm（空氣）+8mm中空全鋼化玻璃單元。對于6mm等厚中空玻璃單元，計算厚度取為6mm×1.2=7.2mm。對于不等厚度玻璃片組成的中空玻璃單元，計算厚度取為（8mm+6mm）×0.5×1.2=8.4mm。
        根據(jù)相關(guān)檢測數(shù)據(jù)，進行如下分析比較認為：
        （1）厚度不同（6mm和8mm）的玻璃組成中空玻璃單元，其受載過程中，6mm厚玻璃無論置于內(nèi)側(cè)還是外側(cè)，其撓度與8mm厚玻璃十分接近，相差在1％以下，測試儀表幾乎不能測定其間差別。但實測中，6mm厚玻璃置于外側(cè)時，中空玻璃單元的撓度則較小。據(jù)此，在該工程的玻璃選用中，中空玻璃單元室外一側(cè)玻璃片全部采用6mm厚度，而室內(nèi)一側(cè)則根據(jù)風壓的不同分別選用6mm和8mm厚度的玻璃。這樣，既消除了建筑外立面采用不同厚度玻璃而帶來的色差問題，同時又滿足了結(jié)構(gòu)要求。
        （2）隨著荷載的加大，剛性板撓度計算結(jié)果和實測結(jié)果產(chǎn)生越來越大的差異，當風壓達到5Kpa時，兩者差異達2～3倍。很顯然，隨著荷載的增加，支座對玻璃板產(chǎn)生了中面壓力，玻璃板進入了大撓度變形狀；此時，剛性板的撓度計算公式不再適用。根據(jù)JGJ102-2003玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范的規(guī)定，作用在玻璃幕墻上的風荷載標準值最小應(yīng)取1kPa，據(jù)此，不難驗證在很多情況下，幕墻玻璃的撓度計算不能按照剛性板公式進行。
        （3）玻璃大撓度彎曲時，其撓度曲線隨著荷載的加大顯示一定程度收斂的趨勢，而不是無窮發(fā)散。玻璃板的支座可以視為膠塊，膠塊的應(yīng)變產(chǎn)生中面拉力。因此，要能給出玻璃大撓度變形的精確解，對支座（膠塊）力學特性的深入研究是十分必要的。
        （4）不等厚度玻璃片組成的中空玻璃單元，在計算中厚度取為內(nèi)、外片的平均值，再乘以規(guī)范中的系數(shù)1.2，結(jié)果表明這樣的取值有一定的合理性。同時在實測中發(fā)現(xiàn)，玻璃片撓度和其放置位置關(guān)系不大，內(nèi)、外片玻璃的撓度基本保持一致，由此可見作為一個整體受力單元，中空玻璃的力學特性還需進一部研究，以更好地服務(wù)于幕墻實踐。
        （5）在設(shè)計中玻璃的選用還考慮了一定的安全余量。由于玻璃的力學特性存在較大的離散性，實測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果遠不能代表玻璃的一般性，顯然，更多的實測數(shù)據(jù)是亟需的也是十分寶貴的。
        工程實踐證明幕墻的玻璃設(shè)計中，當風壓和分格尺寸較大時采用大撓度計算公式較為合理。由于玻璃特性的離散性，為保證安全在具體的工程中如采用上述公式還需通過實測加以驗證。
        四、結(jié)束語
        我國工程設(shè)計人員在長期的幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計實踐中，積累了大量有益的經(jīng)驗，并主要體現(xiàn)在設(shè)計規(guī)范、設(shè)計手冊、標準圖集等等。隨著計算機技術(shù)和計算方法的發(fā)展，計算機及其結(jié)構(gòu)計算程序在幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計中得到大量地應(yīng)用。為結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了快速、準確的設(shè)計計算工具。人的設(shè)計，就是概念設(shè)計。當然有很多幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計存在諸多的缺陷，主要原因就是在總體方案和構(gòu)造措施上未采用正確的構(gòu)思，即未進行概念設(shè)計所致。人們在具體的空間結(jié)構(gòu)體系整體研究上還有一定的局限性，在設(shè)計過程中采用了許多假定與簡化。總之，結(jié)構(gòu)概念設(shè)計必然會成為今后建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的主流趨勢，幕墻撓度計算也將在設(shè)計中愈加顯現(xiàn)它的魅力，這就要求我們來共同學習結(jié)構(gòu)概念設(shè)計，為建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計的發(fā)展作出新的更大的貢獻。