呂靜品 中建八局裝飾設(shè)計研究院設(shè)計師

建筑幕墻作為一種新的獨立的圍護結(jié)構(gòu)，有其自身的優(yōu)勢，同時也有一些問題需要建筑設(shè)計師們通過反復(fù)努力解決。本文從以下幾個方面簡要分析幕墻設(shè)計中結(jié)構(gòu)計算的幾點理解，通過對結(jié)果的分析、比較，以期達到更深層次的理解和應(yīng)用。

一、計算模型選取（以立柱為例簡要分析三種計算模型）

選取正確合理的計算模型，是幕墻設(shè)計成敗的關(guān)鍵。以下以框支撐玻璃幕墻立柱為例進行分析。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)計可分別按單跨梁、雙跨梁或多跨鉸接梁計算由風荷載或地震作用產(chǎn)生的彎矩，并按其支承條件計算軸向力。

1、采用單跨梁計算模型

采用單跨梁計算模型進行抗風壓計算時對立柱進行簡化，取簡支梁計算簡圖。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，即彎矩控制截面無剪力，而剪力控制截面無彎矩，因此只需分別按彎矩效應(yīng)和剪力效應(yīng)進行抗風壓設(shè)計計算。

采用此種力學模型，立柱簡化為支承在樓層上的簡支梁，以層高作為計算跨度。這種簡化基本反映了立柱受力情況，計算也相當簡單，但從理論和現(xiàn)場實踐經(jīng)驗來看，此種力學模型與實際受力情況有一定的差異。計算結(jié)果偏于安全，浪費材料，不夠經(jīng)濟。因此單跨梁計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 雙跨梁計算模型

2、采用雙跨梁計算模型

每層樓板邊梁位置設(shè)置兩個支座，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，下端通過插芯與下層立柱相連，形成第三個支座。圖2 為按雙跨梁計算立柱的彎矩、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， 最大彎矩較之簡支梁減小了約38.5%，最大剪力較之簡支梁增加了46%左右。

通過對比，在其他條件相同的情況下，當立柱設(shè)計為拉彎構(gòu)件時，可以明顯看到雙跨梁模型較之簡支梁模型能夠大幅度節(jié)省立柱的材料用量，但是會增加一套埋件和轉(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算模型。根據(jù)理論分析和大多的實際工程經(jīng)驗，選擇雙跨梁計算模型應(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 時采用。

因此在低層裙房中較多的采用雙跨梁計算模型。

3、采用多跨鉸接梁的計算模型

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

每層樓板邊梁位置設(shè)置一個支座，假定立柱距支座向上懸挑段長度為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， 最大彎矩較之簡支梁減小了約46.2%，與雙跨梁相差不大，最大剪力與簡支梁相差不大，與雙跨梁相比，減少了31.5%左右。

圖3 多跨鉸接梁的計算模型

通過對比，在其他條件相同的情況下，當立柱設(shè)計為拉彎構(gòu)件時，可以明顯看到多跨鉸接梁模型較之簡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，并且更符合實際受力情況，因此在一般的高層或超高層塔樓設(shè)計時可采用多跨鉸接梁模型。

因此，應(yīng)根據(jù)實際情況選取合理的受力模型，通過計算對比確定最終的方案。

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，同時也是節(jié)省材料、節(jié)約成本的前提。

1、風荷載取值確定及計算

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，玻璃幕墻的風荷載標準值應(yīng)按下式計算，并且不應(yīng)小于1.0KN/m2。

第5.3.3 條規(guī)定，玻璃幕墻的風荷載標準值可按風洞實驗結(jié)果確定；玻璃幕墻高度大于200m 或體型、風荷載環(huán)境復(fù)雜時，宜進行風洞實驗確定風荷載。

2、地震作用取值確定及計算

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準值可按下式計算：

第5.3.5 條：平行與玻璃幕墻平面的集中水平地震作用標準值可按下式計算：

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準值，應(yīng)包括玻璃幕墻構(gòu)件傳來的地震作用標準值和其自身重力荷載標準值產(chǎn)生的地震作用標準值。

3、荷載組合效應(yīng)確定

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

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)計時，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

無地震作用效應(yīng)組合時，應(yīng)按下式進行：

有地震作用效應(yīng)組合時，應(yīng)按下式進行：

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)件撓度計算時，風荷載分項系數(shù)和永久荷載分項系數(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處理的方法

在工程設(shè)計中應(yīng)根據(jù)實際工程的需要，做到安全適用、技術(shù)先進、經(jīng)濟合理。因此，應(yīng)在結(jié)合實際工程的前提下，綜合比對不同計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。

在實際工程中，當選取了既定的某種模型時，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局部加強措施。

四、幕墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計

目前有很多幕墻設(shè)計存在缺陷，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，即未進行概念設(shè)計。

幕墻概念設(shè)計一般指不經(jīng)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)計思想，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)。

幕墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計主要從以下四個方面入手：①合理選擇結(jié)構(gòu)方案②選用恰當?shù)挠嬎愫唸D③正確分析計算結(jié)果④采取相應(yīng)的構(gòu)造措施

五、對幕墻設(shè)計的正確理解

在進行幕墻設(shè)計中，應(yīng)嚴格遵守現(xiàn)行規(guī)范，合理設(shè)計，確保安全，因此對規(guī)范條文的正確理解就是幕墻設(shè)計的前提和基礎(chǔ)。現(xiàn)就對規(guī)范中的部分條文進行分析，闡明自己曾經(jīng)的疑惑和如何正確理解運用。

1、預(yù)埋件錨筋的錨固長度的理解

《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003附錄C 中，對預(yù)埋件錨筋的長度做出規(guī)定，但是如果機械的按規(guī)范采用，會造成不必要的浪費，以下對規(guī)范進行簡單的理解概述：

規(guī)范中規(guī)定：受拉直錨筋和彎折錨筋的錨固長度應(yīng)符合下列要求：

當計算中充分利用錨筋的抗拉強度時，其錨筋長度應(yīng)按下式計算：

la=α fy/ftd

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

當錨筋的拉應(yīng)力設(shè)計值小于鋼筋抗拉強度設(shè)計值fy 時，其錨固長度可適當減小，但不應(yīng)小于15 倍錨固直徑。

曾經(jīng)對此條規(guī)范的取值，存在很多疑惑：

（1）工程實際情況中，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)計值小于鋼筋抗拉強度設(shè)計值fy，取15 倍錨固直徑，雖然能滿足構(gòu)造錨固尺寸，但是鋼筋的錨固長度是否滿足規(guī)范中計算所需的長度，心里沒有多大把握；

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

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

2、幕墻立柱受拉桿件設(shè)計

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

（1） 當立柱設(shè)計為拉彎構(gòu)件時，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）當立柱設(shè)計為壓彎構(gòu)件時，還需滿足截面寬厚比的強制性規(guī)定，在彎矩作用方向的穩(wěn)定性以及長細比λ 不宜大于150 的要求。

（3）在滿足承載力和撓度的前提下，對比拉彎構(gòu)件和壓彎構(gòu)件的截面選取，說明立柱拉彎構(gòu)件設(shè)計的重要意義。

五、結(jié)語

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