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

    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(fù)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(rèn)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(jì)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(jì)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(zé)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(dān)義不容辭的責(zé)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(rèn)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(xué)的概念做指導(dǎo)。

    1、意義

    概念設(shè)計一般指不經(jīng)精密計算， 尤其在一些難以做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(xué)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(xì)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(jìn)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(jì)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(jì)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(jìn)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(jìn)行結(jié)構(gòu)選型， 確定結(jié)構(gòu)方案， 必要時還應(yīng)進(jìn)行多方案比較， 擇優(yōu)選用。

    （2） 選用恰當(dāng)?shù)挠嬎愫唸D

    結(jié)構(gòu)計算是在計算簡圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行的， 計算簡圖選用不當(dāng)而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)安全的事故屢有發(fā)生，因此選擇恰當(dāng)?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(dǎo)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(dǎo)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(rèn)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(jì)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(hù)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(jǐn)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(xì)比及平面外穩(wěn)定， 截面穩(wěn)定性計算需進(jìn)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(dān)負(fù)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(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓達(dá)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(jì)合理。 很顯然此時玻璃在風(fēng)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。 考慮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(jìn)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(fēng)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(jìn)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(fēng)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(jìn)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(jìn)行了玻璃撓度的測試， 測試委托上海建筑幕墻檢測中心進(jìn)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(jìn)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(fēng)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(jìn)行如下分析比較認(rèn)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(fēng)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(dāng)風(fēng)壓達(dá)到5Kpa 時， 兩者差異達(dá) 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(jìn)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(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(xué)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(xué)特性還需進(jìn)一步研究， 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(xué)特性存在較大的離散性，實測數(shù)據(jù)與計算結(jié)果遠(yuǎn)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(dāng)風(fēng)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(biāo)準(zhǔn)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(zhǔn)確的設(shè)計計算工具。 人的設(shè)計，就是概念設(shè)計。 當(dāng)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(jìn)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(xué)習(xí)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(xiàn)。