李 良 花定興

國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-89、2001及2008版（簡稱抗規(guī)）均采用二階段設(shè)計實現(xiàn)三個水準(zhǔn)的抗震設(shè)防目標(biāo)。現(xiàn)有建筑幕墻方面的規(guī)范規(guī)程全部沿用這一抗震設(shè)防基本思想和原則，但對《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》GB50223-2008強制規(guī)定的重點設(shè)防類和特殊設(shè)防類建筑應(yīng)分別按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度一度的要求和高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求加強其抗震措施這一內(nèi)容沒有實質(zhì)性的響應(yīng)。

建筑幕墻在我國的應(yīng)用已有三十三年了，我國已是且今后一段時間內(nèi)仍將是建筑幕墻生產(chǎn)使用大國。建筑幕墻是否要象主體結(jié)構(gòu)一樣滿足這一要求，或者在什么情況下需滿足這一要求，與主體結(jié)構(gòu)間存在何種關(guān)系，值得詳加分析論證。

為了分析方便，參照《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003的應(yīng)用范圍規(guī)定，將與水平面夾角在75°和90°之間的建筑幕墻統(tǒng)稱為強豎面建筑幕墻，包括垂直建筑幕墻和與水平面夾角在75°和90°之間的斜建筑幕墻，與《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003和《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ133-2001的工程應(yīng)用范圍對應(yīng)；將與水平面夾角在0°和75°之間的建筑幕墻統(tǒng)稱為弱垂面建筑幕墻，包括與水平面夾角在0°和75°之間的建筑幕墻、采光頂及雨蓬等。本文以強垂面建筑幕墻中的框支承玻璃幕墻為分析對象，從以下三個方面分析其結(jié)構(gòu)支承體系在大震時的結(jié)構(gòu)承載力并提出建議。

一、從設(shè)防概念角度考慮

我們新舊抗規(guī)均對建筑工程規(guī)定了“小震不壞、中震可修、大震不倒”這三個水準(zhǔn)的抗震性能設(shè)計目標(biāo)。其中的小震、中震和大震，系根據(jù)我國華北、西北和西南地區(qū)地震發(fā)生概率的統(tǒng)計分析，分別按50年內(nèi)超越概率為63%、10%、2%～3%或按重現(xiàn)期分別為50年、475年和1600～2400年計取地震烈度，并分別規(guī)定為第一、第二、第三水準(zhǔn)烈度。需專門指出的是，中震對應(yīng)的第二水準(zhǔn)烈度即為設(shè)防烈度，一般按地震基本烈度區(qū)劃或地震動參數(shù)區(qū)劃對當(dāng)?shù)氐囊?guī)定采用，而小震也稱為多遇地震，對應(yīng)的第一水準(zhǔn)烈度即為眾值烈度，約比設(shè)防烈度低1.55度；大震也稱為罕遇地震，對應(yīng)的第三水準(zhǔn)烈度比設(shè)防烈度高1度強或1度弱。

按抗規(guī)的條文說明，與各地震烈度水準(zhǔn)相應(yīng)的抗震設(shè)防目標(biāo)是：一般情況下（不是所有情況下），遭遇第一水準(zhǔn)烈度（眾值烈度）時，建筑處于正常使用狀態(tài)，從結(jié)構(gòu)抗震分析角度，可以視為彈性體系，采用彈性反應(yīng)譜進行彈性分析；遭遇第二水準(zhǔn)烈度（基本烈度）時，結(jié)構(gòu)進入非彈性階段，但非彈性變形或結(jié)構(gòu)體系的損壞控制在可修復(fù)的范圍；遭遇第三水準(zhǔn)烈度（預(yù)估的罕遇地震時），結(jié)構(gòu)有較大的非彈性變形，但應(yīng)控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，以免倒塌。同時，條文說明也指出抗規(guī)是采用二階段設(shè)計實現(xiàn)上述三個水準(zhǔn)的設(shè)防目標(biāo)的，即：第一階段設(shè)計是承載力驗算，取第一水準(zhǔn)的地震動參數(shù)計算彈性地震作用標(biāo)準(zhǔn)值和相應(yīng)的地震作用效應(yīng)，采用《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB50068規(guī)定的分項系數(shù)設(shè)計表達(dá)式進行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的載面承載力驗算，這樣既滿足了在第一水準(zhǔn)下具有必要的承載力可靠度，又滿足第二水準(zhǔn)的損壞可修的目標(biāo)。對大多數(shù)的結(jié)構(gòu)，可只進行第一階段設(shè)計，而通過概念設(shè)計和抗震構(gòu)造措施來滿足第三水準(zhǔn)的設(shè)計要求；第二階段設(shè)計是彈塑性變形驗算，對特殊要求的建筑、地震易倒塌的結(jié)構(gòu)及有明顯薄弱部位的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，除進行第一階段設(shè)計外，還要進行結(jié)構(gòu)薄弱部位的彈塑性層間變形驗算并采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施，實現(xiàn)第三水準(zhǔn)的設(shè)防要求[1]。

為響應(yīng)這一抗震設(shè)防基本思想和原則，《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003在第5.1.6條第2款給出了有地震作用效應(yīng)組合時的承載力計算公式，在第5.3.4條和第5.3.5條給出了地震作用計算公式，在第5.4節(jié)給出了作用效應(yīng)組合公式和各系數(shù)取值原則，在第5.6節(jié)規(guī)定了硅酮結(jié)構(gòu)密封膠在小震時的彈性狀態(tài)下的計算公式，在第6.1.2條給出了玻璃面板基于大撓度理論的幾何非線性有限元計算公式，在第6.2節(jié)和6.3節(jié)分別給出了橫梁和立柱基于線彈性力學(xué)的計算公式及寬厚比限值要求，在第5.5.2條規(guī)定“玻璃幕墻構(gòu)件連接處的連接件、焊縫、螺栓、鉚釘設(shè)計應(yīng)符合國家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017和《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ99的有關(guān)規(guī)定。這些規(guī)定在地震作用方面保證了玻璃幕墻的第一階段抗震設(shè)防目標(biāo)的實現(xiàn)，滿足了地震對幕墻產(chǎn)生的直接效應(yīng)下的安全性要求。同時，在第4.2.6規(guī)定抗震設(shè)計時應(yīng)按主體結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值的3倍進行設(shè)計，在第4.3.9條及相應(yīng)的條文說明中給出了幕墻玻璃拼接膠縫寬度取值原則，柱第9.5節(jié)給出了明框幕墻玻璃與槽口的配合尺寸要求，在第6.3.3條規(guī)定了上下立柱間應(yīng)留有不小于15mm縫隙的要求等[2]，則是滿足第二水準(zhǔn)的層間變形要求和第二階段的彈塑性變形要求的抗震措施，目的是要最終實現(xiàn)第三水準(zhǔn)的設(shè)防目標(biāo)，滿足主體建筑結(jié)構(gòu)對幕墻產(chǎn)生的附加效應(yīng)時的安全性要求。從歷次大地震沒有見到關(guān)于震后尚存建筑中幕墻的震害報道，特別是去年汶川大地震只要主體結(jié)構(gòu)未倒，則幕墻一般都能保持完好的事實來看，從我國多次幕墻振動臺試驗當(dāng)位移角最大達(dá)1/70時幕墻還能保持完好的試驗情況來看，這些抗震措施是可以使幕墻承受1/100層高的平面內(nèi)水平位移的。

二、從桿件結(jié)構(gòu)力學(xué)分析角度考慮

幕墻抵抗大震的能力目前是通過擬靜力法或抗震振動臺法來試驗驗證的，一般均采用擬靜力法檢驗平面內(nèi)變形性能而不作計算。以下根據(jù)桿件結(jié)構(gòu)力學(xué)知識進行計算分析。

1、樓層單支座時

橫滑式單元幕墻的立柱下端在平面內(nèi)不受約束，理論上其平面內(nèi)變形能力無窮大；橫鎖式單元幕墻立柱下端在平面內(nèi)的約束情況和構(gòu)件式幕墻基本一致，而上端平面內(nèi)約束由于單元板塊一端鉸支一端可左右滑動使其平面內(nèi)變形能力好于構(gòu)件式幕墻。因此，下面以采用關(guān)于y軸 (平行于截面高度)對稱的矩形鋁管的構(gòu)件式玻璃幕墻為例進行分析。

考慮立柱平面內(nèi)約束為固定支座，上下立柱間留有不小于15mm縫隙其約束可取為滾軸支座，其計算簡圖如圖1所示。

表1

一般情況下，n均比2大，即δy一般小于60N/mm2，只有6063T5鋁型材抗壓設(shè)計強度的70%，處于彈性受力狀態(tài)。通常立柱型材寬度b≤80mm，此時δy僅40N/mm2。此時支座處彎矩（對埋板焊縫實際為扭矩）Mb：考慮到一般n≥2.5，可取

顯然，n越小，β越大，則支座及連接所受彎矩（或扭矩）就越大；同樣，Iy越大，Mb也越大，要保證大震時幕墻不脫落，就應(yīng)按2-2式考慮附加作用效應(yīng)對支座及連接強度的影響。

2、樓層雙支座時

考慮立柱上支座為固定支座，下支座為定向支座，其計算簡圖如圖3所示。

圖4所示計算簡圖分解成圖5和圖6，圖5計算簡圖又分解成圖5a、5b，圖6計算簡圖分解成圖6a、6b。

圖5a中，P在C處產(chǎn)生位移：

圖3

根據(jù)以上分析，最大桿件彎矩發(fā)生在f處和e處，顯然，根據(jù)公式2-5，n、m越大，其彎矩值也越大。以下結(jié)合一般工程情況進行具體分析。

（1） 若l3為0，即m無窮大，此時：

（2） 若l3不為0時，一般情況下，通常n介于1.25～2之間，m介于3～10之間，取最不利情況分析，此時n=2、m=10、l=3000，則：

①若采用6063T5，當(dāng)δy≤fa時：

1.33b≤85.5→b≤64.3mm或b/l≤0.0213

②若采用6063T6，當(dāng)δy≤fa時：

1.33b≤140→b≤105.3mm或b/l≤0.035。

一般立柱截面寬度b均能滿足此要求。當(dāng)不滿足時應(yīng)按工程實際情況進行驗算。專門指出，雙支座時，最大支座彎矩值等于Mf，此值一般大于采取單支座時的支座彎距。

若考慮大震直接作用，由于大震時的地震烈度比小震地震烈度高約2.5度，則大震直接作用的水平標(biāo)準(zhǔn)值約為小震時的5倍。經(jīng)驗表明，對于豎直的建筑幕墻，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值可達(dá)2.0～5.0kPa，而由于單層玻璃幕墻自重較輕，小震時水平地震作用一般只有0.06～0.48KPa，基本不超過風(fēng)載的10%，因而大震直接作用產(chǎn)生的截面應(yīng)力不超過強度設(shè)計值的50%。由此可見，對單支座的幕墻立柱，在立柱型材寬度b≤80mm的情況下，大震時仍處于彈性受力狀態(tài)，b超過80mm時應(yīng)從嚴(yán)限制截面寬厚比；對雙支座的幕墻立柱，在主體結(jié)構(gòu)不是鋼結(jié)構(gòu)的情況下，若立柱截面b≤80mm且采用6063T6材質(zhì)，大震時仍處于彈性受力狀態(tài)，b超過80mm時應(yīng)從嚴(yán)限制截面寬厚比；若立柱采用6063T5材質(zhì)，大震時將可能進入彈塑性受力狀態(tài)，應(yīng)分別按主體結(jié)構(gòu)的類型按b/l值給出從嚴(yán)的截面寬厚比限制。但在中震時，只要主體結(jié)構(gòu)不是鋼結(jié)構(gòu)，在立柱型材寬度b≤80mm的情況下，不論是6063T5材質(zhì)，還是其他鋁合金材質(zhì)，由平面內(nèi)變位引起的δy≤63.8≤80%×85.5，均處于彈性受力狀態(tài)。

三、從鋼結(jié)構(gòu)計算的角度對支座連接和埋件的計算建議

現(xiàn)有框支承玻璃幕墻方面的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范提出了“大震不倒”即大震時幕墻不脫落的最高抗震設(shè)防目標(biāo)，但對如何保證大震時幕墻不脫落沒有具體規(guī)定，絕大多數(shù)情況下是依靠擬靜力試驗驗證幕墻的平面內(nèi)變形性能來反映幕墻的大震變形能力而不考慮大震時的直接地震作用。根據(jù)抗規(guī)第13.2.2條第2項規(guī)定，“一般情況下，……對支承于不同樓層或防震縫兩側(cè)的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，除自身重力產(chǎn)生的地震作用外，尚應(yīng)同時計及地震時支承點之間相對位移產(chǎn)生的作用效應(yīng)。”因此，對支座連接和埋件的計算，除按規(guī)范規(guī)定驗算風(fēng)荷載起控制作用時考慮小震作用的承載力外，尚應(yīng)增加驗算大震起控制作用時的支座連接和埋件的承載力，特別是考慮到焊縫為脆性材料，且層間變位產(chǎn)生的支座彎矩大多數(shù)情況下使連接焊縫抗扭。尤其是雙層幕墻共用支座連接和埋件的時候，直接地震作用幾乎增大一倍，必須增加此項驗算。

建議對支座連接和埋件按下式增加驗算：

式中：S為作用效應(yīng)組合的設(shè)計值；

ψE1為大震直接作用的組合值系數(shù)，建議取1.0；

ψE2為大震附加作用效應(yīng)的組合值系數(shù)，建議取1.0；

ψW為風(fēng)荷載組合值系數(shù)，建議按彈性方法驗算時取0，按彈塑性方法驗算時取0.1；

γE1為大震直接作用分項系數(shù)，建議取1.3；

γE2為大震附加作用效應(yīng)分項系數(shù)，建議取1.0；

SEK1為大震作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值，其水平地震影響系數(shù)最大值按抗規(guī)表5.1.4-1采用；

SEK2為大震附加作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值，按桿件結(jié)構(gòu)力學(xué)原理計算確定；其余見相關(guān)規(guī)范規(guī)定。

結(jié)語

自從2008年我國遭受5.12汶川地震以后，人們對現(xiàn)有規(guī)范是否能保證建筑幕墻大震不脫落意見不一。本文運用桿件結(jié)構(gòu)力學(xué)原理進行分析，指出:

1.單支座時，擬靜力試驗時一般均能處于彈性受力狀態(tài)不產(chǎn)生殘余變形。同時考慮大震直接作用和附加作用效應(yīng)時，當(dāng)立柱截面寬度不超過80mm時也處于彈性受力狀態(tài)。

2.雙支座時：

（1）在主體結(jié)構(gòu)不采用鋼結(jié)構(gòu)的情況下，若采用6063T5材質(zhì)，只要立柱截面寬度不超過117.9mm，擬靜力試驗時就處于彈性受力狀態(tài)不產(chǎn)生殘余變形。同時考慮大震直接作用和附加作用效應(yīng)時，只要立柱截面寬度與層高比b/l≤0.0213×1.833/2=0.0195，就能處于彈性受力狀態(tài)；若采用6063T6材質(zhì)，只要立柱截面寬度不超過b=105.3×1.833=193mm，擬靜力試驗時就處于彈性受力狀態(tài)不產(chǎn)生殘余變形。同時考慮大震直接作用和附加作用效應(yīng)時，只要立柱截面寬度與層高比b/l≤0.035×1.833/2=0.032，就能處于彈性受力狀態(tài)。

（2）在主體結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)的情況下，若采用6063T5材質(zhì)，只要立柱截面寬度與層高比b/l≤0.0213，擬靜力試驗時就處于彈性受力狀態(tài)不產(chǎn)生殘余變形。同時考慮大震直接作用和附加作用效應(yīng)時，則基本上進入彈塑性受力狀態(tài)甚至產(chǎn)生彎曲破壞；若采用6063T6材質(zhì)，只要立柱截面寬度不超過b=105.3mm，擬靜力試驗時就處于彈性受力狀態(tài)不產(chǎn)生殘余變形。同時考慮大震直接作用和附加作用效應(yīng)時，只要立柱截面寬度與層高比b/l≤0.035/2=0.0175，就能處于彈性受力狀態(tài)。

因此，在不滿足上述要求時，應(yīng)增加同時考慮大震直接作用和附加作用效應(yīng)的幕墻立柱承載力驗算，本文提供計算方法供參考，并應(yīng)從嚴(yán)限制截面寬厚比以加強其抗震措施；同時本文提出確保大震不脫落的計算方法，即對支座連接及埋件在考慮地震作用時增加大震驗算的計算公式。

3.對符合處于彈性受力狀態(tài)條件的幕墻，從立柱角度無需做平面內(nèi)變形試驗。這部分的幕墻項目占比80%以上，預(yù)估我國每年可以節(jié)省試驗費上千萬元人民幣。

[1]建設(shè)部.《建筑抗震設(shè)計規(guī)范GB50011-2001條文說明》第一版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2001年7月：第6、7頁

[2]建設(shè)部.《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003第一版.北京：中國建筑工業(yè)出版社,2003年12月：第15、16、24～38、55、56頁

[3]建筑結(jié)構(gòu)靜力計算手冊編寫組.《建筑結(jié)構(gòu)靜力計算手冊》第二版,北京：中國建筑工業(yè)出版社,2001年3月：第83、119、109頁

[4]建設(shè)部.《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB50011-2001（2008年版）第一版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008年9月：第120頁