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建筑設(shè)計(jì)中 幕墻系統(tǒng)的估算 及構(gòu)造分析

2013-04-09 10:29:50 作者: 來源: 我要評(píng)論0

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摘要:通過對(duì)幕墻系統(tǒng)的荷載、工況及傳力路徑的分析,提供一個(gè)較為合理的力學(xué)模型供建筑師及工程師在建筑方案設(shè)計(jì)階段合理選擇及布置幕墻系統(tǒng)。同時(shí),對(duì)幕墻系統(tǒng)構(gòu)造措施及建筑物理性能等進(jìn)行了概念性的分析。

  1. 幕墻系統(tǒng)可靠度分析及設(shè)計(jì)原理

  1.1 幕墻與門窗設(shè)計(jì)使用年限與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期
  根據(jù)規(guī)定,考慮幕墻為重要的持久性非結(jié)構(gòu)構(gòu)件,因此幕墻的設(shè)計(jì)使用年限應(yīng)為25a,同時(shí)考慮幕墻是輕質(zhì)、薄壁的建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)與構(gòu)件,易受瞬間風(fēng)的破壞,為確保其安全使用,均應(yīng)按設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期為50a確定,即能承受50a重現(xiàn)期可變荷載及作用的最大值,亦即能承受50年一遇的最大風(fēng)荷載作用。

  1.2 幕墻傳力體系、可靠度分析及極限狀態(tài)設(shè)計(jì)
  幕墻傳遞自重及外部荷載作用的路徑基本是:面板-連接系統(tǒng)(橫梁、結(jié)構(gòu)膠、連接件等)-支撐結(jié)構(gòu)系統(tǒng)(立柱、拉索、構(gòu)架等)-主體結(jié)構(gòu)(梁、樓板等)。因此,構(gòu)件的抗力或承載力由低到高的順序應(yīng)是:面材(尤其是玻璃等脆性材料)-面材與支撐系統(tǒng)的連接-支撐系統(tǒng)-支撐系統(tǒng)連接件-支撐系統(tǒng)與主體結(jié)構(gòu)的錨固連接-支承幕墻的結(jié)構(gòu)構(gòu)件。

  作為工程師和建筑師必須注意的是支承幕墻的結(jié)構(gòu)構(gòu)件是整個(gè)系統(tǒng)中可靠度最高的部件,所以必須在方案及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中充分考慮。結(jié)構(gòu)工程師應(yīng)當(dāng)根據(jù)幕墻承包商的計(jì)算書及節(jié)點(diǎn)反力復(fù)核相關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)件的強(qiáng)度并考慮到幕墻結(jié)構(gòu)易受瞬間荷載的特點(diǎn),對(duì)于大型幕墻的結(jié)構(gòu)構(gòu)件的剩余強(qiáng)度需進(jìn)行估算或復(fù)核。而建筑師在方案設(shè)計(jì)則應(yīng)同工程師進(jìn)行協(xié)調(diào),合理的安放布置結(jié)構(gòu)構(gòu)件的位置與尺寸。

  1.3 幕墻荷載與作用效應(yīng)的組合
  在設(shè)計(jì)中起控制作用的荷載組合為:
    f23.jpg    
  需要注意的是在計(jì)算地震標(biāo)準(zhǔn)值時(shí),對(duì)不同幕墻形式所取的動(dòng)力放大系數(shù)βE應(yīng)當(dāng)有所不同,玻璃幕墻為3.0,石材幕墻為5.0,而其余幕墻形式則應(yīng)根據(jù)其具體裝飾主材及結(jié)構(gòu)形式選取。
  2. 幕墻系統(tǒng)各構(gòu)件力學(xué)分析
  2.1 面板
  面板為幕墻系統(tǒng)中自重及風(fēng)荷載第一傳遞部位,通常面板為矩形,對(duì)于異形及空間彎曲板材建議進(jìn)行有限元分析以確定最大主應(yīng)力,本文主要討論對(duì)于可進(jìn)行平面簡化的幕墻板材的力學(xué)分析,其基本計(jì)算條件如下:支撐條件:四邊簡支或?qū)吅喼;荷載效應(yīng):水平荷載(風(fēng)荷載、地震荷載)。
  對(duì)于面板具體分析時(shí)采用何種計(jì)算模型,對(duì)于大多數(shù)面板基本模型為兩種簡支梁模型(單向板)和雙向板。根據(jù)不同板材常用尺寸、受力及構(gòu)造特點(diǎn),對(duì)于玻璃等脆性材料使用雙向板模型較為合適;而對(duì)于石材及金屬等材料在尺寸符合單向板假定的情況下,尤其在方案或擴(kuò)初階段進(jìn)行估算時(shí)可使用簡支梁簡化模型分析較為簡便。
  2.1.1 強(qiáng)度分析
  單向板和雙向板,分別按(2)、(3)式計(jì)算:

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  2.1.2 剛度分析
  對(duì)于幕墻系統(tǒng)其剛度也是必須考慮的一大重要因素,因?yàn)橄到y(tǒng)的剛度直接影響了幕墻系統(tǒng)平整性及氣密性,對(duì)于玻璃等脆性材料更是直接影響其強(qiáng)度的發(fā)揮。對(duì)于面材來說,其剛度在一定程度上決定了其表面的平整性的保持,故必須對(duì)其進(jìn)行驗(yàn)算,控制其相對(duì)變形及絕對(duì)變形。對(duì)于普通單向幕墻面材,可按小撓度薄板變形分析,即:

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  使用單位板換算可得:

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  值得注意的是一般當(dāng)幕墻板B/L≥2時(shí)為條形板,此時(shí)由于一般幕墻板材,尤其是金屬類板材的厚度t較小,出現(xiàn)超限可能性很大,此時(shí)已經(jīng)不滿足小撓度薄板的要求,需重新按照迭代法求解。
  雙向板的撓度計(jì)算比較復(fù)雜,應(yīng)當(dāng)根據(jù)邊界條件進(jìn)行迭代法求解或查玻璃變形系數(shù)求得最大變形。
  2.1.3 需要注意的問題
  (1)板材使用加強(qiáng)筋后基本可按單向板分析,進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)需按照剛度進(jìn)行分配彎矩,即:

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  進(jìn)行剛度計(jì)算時(shí),應(yīng)對(duì)加強(qiáng)筋和板材分別使用(4)、(5)式進(jìn)行撓度計(jì)算,對(duì)結(jié)果按照串聯(lián)剛體進(jìn)行疊加,即:

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  (2)夾芯板材截面特性的計(jì)算。對(duì)于如鋁塑板、夾芯板此類板材進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí),需要計(jì)算其截面特性參數(shù),即:

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  (3)玻璃溫度應(yīng)力的計(jì)算。由于玻璃的邊緣強(qiáng)度比其大面強(qiáng)度要低且室內(nèi)外溫差較大,應(yīng)當(dāng)驗(yàn)算其溫度應(yīng)力作用下的內(nèi)力。而其溫度應(yīng)力主要由全年溫差引起的內(nèi)部擠壓應(yīng)力和室內(nèi)外平均溫差引起的主要分布于其邊緣的應(yīng)力。
  2.2 橫梁
  橫梁的受力根據(jù)不同的幕墻形式及構(gòu)件布置可能會(huì)出現(xiàn)多種受力情況,且其所受荷載的分布也會(huì)有所不同,綜合來說橫梁強(qiáng)度控制表達(dá)式為:
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  當(dāng)有垂直方向集中力作用時(shí),分析中應(yīng)當(dāng)考慮橫梁的抗扭強(qiáng)度驗(yàn)算。同理,橫梁的剛度計(jì)算也需分兩個(gè)方向進(jìn)行,最終根據(jù)其兩個(gè)方向中最大的變形值復(fù)核其變形是否為相應(yīng)規(guī)范允許范圍。
  需要注意的幾個(gè)問題:①為防止受豎向荷載的橫梁出現(xiàn)局部應(yīng)力集中現(xiàn)象,最好在橫梁受集中力部位上方設(shè)置墊塊。這樣不僅能解決應(yīng)力集中問題,也可使實(shí)際受力更加符合集中力的計(jì)算模型。②在估算或前期設(shè)計(jì)中在對(duì)幕墻與建筑剖面估計(jì)時(shí),由于普遍來說橫梁的尺寸小于立柱尺寸,可使用估算的立柱尺寸作為剖面設(shè)計(jì)依據(jù)。③橫梁的受均布荷載狀況依據(jù)所處位置及構(gòu)造不同會(huì)有所變化,其荷載形式可能為三角荷載或梯形荷載,需按雙向荷載仔細(xì)劃分,確保不遺漏和重復(fù)計(jì)算荷載[10]。④進(jìn)行抗扭剪應(yīng)力強(qiáng)度驗(yàn)算時(shí),應(yīng)當(dāng)注意所驗(yàn)算的橫梁的截面是否為開口截面從而依據(jù)不同情況計(jì)算。
  2.3 立柱
  立柱是整個(gè)幕墻系統(tǒng)最主要的豎向傳力構(gòu)件也是控制幕墻系統(tǒng)剖面的最關(guān)鍵的構(gòu)件,其力學(xué)計(jì)算模型也最為復(fù)雜。
  首先來看立柱的荷載工況,其主要受風(fēng)荷載(水平線荷載)、地震荷載(水平線荷載)及結(jié)構(gòu)自重荷載(垂直線荷載)作用。
  其次看立柱的力學(xué)計(jì)算模型,而確定計(jì)算模型的第一步就是確定立柱節(jié)點(diǎn)的連接方式。一般情況立柱是通過錨固件固定于主體結(jié)構(gòu),另一端套則接在固定于柱的芯柱上(兩立柱一般之間留有15mm伸縮縫),這樣對(duì)于立柱便產(chǎn)生了上、下兩端固定的兩種情況,在垂直及水平荷載作用下分別對(duì)應(yīng)了拉彎及壓彎兩種基本受力狀況,強(qiáng)度控制表達(dá)式[11]分別為拉彎(上端固定連接,下端活動(dòng)連接):
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壓彎(上端活動(dòng)連接,下端固定連接):
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  同時(shí),因垂直于幕墻平面的風(fēng)荷載及平面外地震作用在立柱內(nèi)產(chǎn)生彎矩和剪力,所以要進(jìn)行剪切強(qiáng)度校核,即

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  而立柱的力學(xué)計(jì)算模型也有兩大基本類型:簡支梁(圖1a)和連續(xù)梁(圖1b)。
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  簡支梁模型是將立柱簡化為支撐在樓層構(gòu)件上的簡支梁,因其便于手算也是被廣大中小幕墻承包商及在進(jìn)行設(shè)計(jì)估算時(shí)廣泛采用的一個(gè)計(jì)算模型。它以層高作為計(jì)算跨度也基本符合立柱的實(shí)際受力狀況,其對(duì)立柱構(gòu)造要求不高,一般的連接件及施工裝配工藝均能滿足。從目前一些大型現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果來看其偏于保守;從理論分析,以層高為跨度計(jì)算也過于保守,尤其在跨度較大時(shí)的計(jì)算結(jié)果較為不經(jīng)濟(jì)。但簡支梁作為在方案及擴(kuò)初設(shè)計(jì)階段輔助建筑師及工程師分析建筑物剖面構(gòu)造及幕墻的附加荷載狀況時(shí)還是較為簡便且值得信賴。而作為對(duì)幕墻系統(tǒng)進(jìn)行精確的受力狀況分析其還略顯不足及保守。

  連續(xù)梁模型則是根據(jù)立柱實(shí)際連接的狀況,將其簡化為多點(diǎn)多跨的連續(xù)梁進(jìn)行計(jì)算(一般為四點(diǎn)三跨及以下),此模型的計(jì)算結(jié)果較為接近工程實(shí)際狀況。但連續(xù)梁模型對(duì)構(gòu)件及施工的要求較為嚴(yán)格,如芯柱的截面參數(shù)需大于立柱對(duì)應(yīng)值,芯柱總長度不得小于400mm且芯柱應(yīng)當(dāng)與立柱緊密接觸,此外芯柱在設(shè)計(jì)及施工時(shí)均能保證順利傳遞彎矩。這些條件很難在幕墻設(shè)計(jì)施工中全部滿足,而任何一條的缺失都會(huì)導(dǎo)致模型的誤差從而影響計(jì)算結(jié)果。而在連續(xù)梁基礎(chǔ)上根據(jù)幕墻立柱實(shí)際連接狀況發(fā)展的多跨鉸接連續(xù)梁模型(圖1c)時(shí)較能反映立柱實(shí)際受力狀況。此模型將立柱的連接處及其與不同構(gòu)件的連接處理為鉸連接,從而形成多跨鉸鏈梁。

    此模型能較好的模擬立柱的實(shí)際工作狀況且一般的施工及構(gòu)件也均能滿足。但其計(jì)算較為復(fù)雜,一般要驗(yàn)算三個(gè)控制截面,若不等跨還須逐跨分析。所以大部分幕墻公司均采用有限元計(jì)算軟件處理如Robot97等進(jìn)行處理。

  在進(jìn)行建筑設(shè)計(jì)估算分析時(shí),結(jié)構(gòu)工程師也可根據(jù)實(shí)際節(jié)點(diǎn)狀況進(jìn)行簡化后使用PKPM軟件部分功能如PK或TAT進(jìn)行初步分析,但是需注意在PK和TAT計(jì)算時(shí)需手動(dòng)輸入截面參數(shù)且必須對(duì)壓彎構(gòu)件復(fù)核穩(wěn)定條件。
綜上所述在建筑方案設(shè)計(jì)階段可以按照簡支梁模型進(jìn)行初步分析,在條件需要時(shí),可以用PKPM軟件進(jìn)行簡單的有限元分析以確定幕墻系統(tǒng)在剖面中的控制尺寸和估計(jì)支座反力的大小及方向。

  2.4 連接件
  連接件所受荷載主要根據(jù)各計(jì)算中支座反力決定,一般來說螺栓為連接件的主要受力構(gòu)件。計(jì)算時(shí)需根據(jù)支座反力按照水平及垂直方向?qū)⒎戳兄疗矫鎯?nèi)受力點(diǎn),并將其按照力平移法則移至螺栓群的中心點(diǎn)。再根據(jù)平后產(chǎn)生的彎矩及其水平、垂直方向分力,分析最不利受力狀況的螺栓并校核其抗剪強(qiáng)度[9]。對(duì)與主結(jié)構(gòu)連接的構(gòu)件,需確定最危險(xiǎn)截面進(jìn)行驗(yàn)算;對(duì)埋入構(gòu)件驗(yàn)算時(shí),需采用荷載標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行。

  其他形式的各類連接受力構(gòu)件應(yīng)當(dāng)根據(jù)布置狀況選定相應(yīng)的計(jì)算方式并進(jìn)行校核。上述分析主要針對(duì)框架類(含單元式)的幕墻系統(tǒng),對(duì)于點(diǎn)支、拉索式及大變形等幕墻系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)使用專業(yè)有限元軟件進(jìn)行分析。

  在建筑設(shè)計(jì)尤其是方案及擴(kuò)初階段對(duì)幕墻系統(tǒng)進(jìn)行力學(xué)分析,其主要目的:①確定面材的分格能否滿足建筑師的要求。②確定大致的剖面,以便建筑師及各工種工程師進(jìn)行布置。

  主要計(jì)算集中在面材及立柱上,面材因?yàn)橹饕娠L(fēng)荷載控制,采用本文的分析思路基本可以確定其尺寸。立柱分析時(shí)建議使用簡支梁模型,因?yàn)殡m然其計(jì)算誤差較大(一般約大20%)但其偏保守,有一定余量便于施工圖及施工過程中調(diào)整。只有在方案階段需要詳細(xì)設(shè)計(jì)剖面時(shí),可以采用軟件分析。

  在施工圖階段,主要是詳細(xì)了解幕墻系統(tǒng)對(duì)主結(jié)構(gòu)的反力的大小及方向,此時(shí)應(yīng)當(dāng)與專業(yè)幕墻公司進(jìn)行配合或采用專業(yè)軟件進(jìn)行分析。

  3. 幕墻系統(tǒng)構(gòu)造簡述
 。1)框架式幕墻:為一般高層中常用的幕墻系統(tǒng),由豎框或橫梁安裝在主體結(jié)構(gòu)上,再安裝橫梁或豎框,最后固定板材或玻璃。此種幕墻可有全框、隱框、半隱框等多種形式。其節(jié)點(diǎn)構(gòu)造一般較為簡單,主要的密封形式一般采用泡沫填縫條加密封膠實(shí)現(xiàn),不同材質(zhì)板材的交接主要通過橫梁或橫向連接構(gòu)件轉(zhuǎn)換完成,收邊一般采用單方向延長板材解決。

 。2)單元式幕墻:為獨(dú)立單元組合而成,板材、玻璃、立柱及橫梁間安裝在工廠內(nèi)完成,總體組裝在現(xiàn)場(chǎng)完成。單元式幕墻是在國外廣泛采用的一種幕墻體系,其質(zhì)量控制及檢驗(yàn)較容易控制,密封性能也較好。單元式幕墻的連接及節(jié)點(diǎn)均由專用構(gòu)件完成,但需注意安裝時(shí)對(duì)平整度的控制。

  (3)點(diǎn)支式幕墻:主要為玻璃幕墻,其主要通過駁接件連接玻璃,并通過拉桿或拉索等豎向傳力。其節(jié)點(diǎn)構(gòu)造主要使用密封膠及專用駁接件。

 。4)石材干掛類幕墻系統(tǒng):石材干掛是通過背栓等連接件將石材與立柱龍骨等主受力構(gòu)件連接。由于此類幕墻自重較大且石材和金屬構(gòu)件通過粘結(jié)膠連接,所以對(duì)于構(gòu)件質(zhì)量有著嚴(yán)格要求。粘膠劑必須使用專用石材干掛膠,而所有連接件必須使用304不銹鋼或7075鋁合金構(gòu)件。

  4. 結(jié)束語
  由于幕墻系統(tǒng)目前的主要設(shè)計(jì)和施工均由專業(yè)的幕墻承包商完成,而幕墻系統(tǒng)的質(zhì)量直接影響了建筑物本身的外立面表現(xiàn)效果和使用功能。所以建筑師和工程師必須對(duì)其質(zhì)量關(guān)鍵控制點(diǎn)注意。

  建筑師需仔細(xì)研究幕墻承包商的板材劃分,做到既經(jīng)濟(jì)合理又能充分體現(xiàn)原來的設(shè)計(jì)意圖。當(dāng)然建筑師在設(shè)計(jì)時(shí)最好也能依據(jù)模數(shù)進(jìn)行分割。同時(shí)建筑師還需仔細(xì)研究其各類節(jié)點(diǎn),確保各交界處及收邊處的效果不破壞整體裝飾效果以及防水、節(jié)能等的功能實(shí)現(xiàn)。

  結(jié)構(gòu)工程師需要對(duì)幕墻承包商提供的計(jì)算書進(jìn)行檢查,主要對(duì)其計(jì)算模型進(jìn)行校核,同時(shí)檢查其是否對(duì)剛度進(jìn)行了校核以及對(duì)壓彎構(gòu)件穩(wěn)定性的驗(yàn)算。在幕墻設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)體現(xiàn)剛度優(yōu)于強(qiáng)度的原則,因?yàn)閯偠炔蛔銜?huì)導(dǎo)致其節(jié)點(diǎn)變形過大從而影響其防水等功能的實(shí)現(xiàn)。結(jié)構(gòu)工程師還應(yīng)當(dāng)仔細(xì)閱讀承包商提供的反力圖和預(yù)埋件圖,確保在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)不遺漏荷載,同時(shí)做好相應(yīng)主結(jié)構(gòu)構(gòu)造處理。

  暖通工程師應(yīng)當(dāng)注意不同幕墻系統(tǒng)對(duì)中央空調(diào)系統(tǒng)負(fù)荷的影響。給排水和電氣工程師應(yīng)當(dāng)注意幕墻系統(tǒng)對(duì)立面排水和防雷接地的實(shí)現(xiàn)。
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