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淺析幕墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì) 及玻璃撓度計(jì)算 的重要意義

2013-12-10 11:24:09 作者: 來(lái)源:第一幕墻網(wǎng) 我要評(píng)論3

第一幕墻網(wǎng)
    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(lái)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(jì)中得到全方位應(yīng)用。 無(wú)論是傳統(tǒng)的框架式玻璃幕墻,還是大跨度的點(diǎn)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(jì)中的地位日顯突出, 尤其是幕墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)已成為設(shè)計(jì)中關(guān)鍵環(huán)節(jié), 同時(shí)玻璃幕墻撓度計(jì)算也顯得更加的重要。 筆者根據(jù)十幾年來(lái)主持和參與的多項(xiàng)會(huì)展中心、 商務(wù)樓幕墻工程實(shí)踐, 就幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和玻璃撓度計(jì)算方面談一些認(rèn)識(shí)。
    一、 幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要性
    首先由于幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全可靠性直接關(guān)系到建筑外立面美觀(guān)和人民生命財(cái)產(chǎn)安全, 歷來(lái)是審慎解決的重大問(wèn)題; 其次幕墻結(jié)構(gòu)的安全可靠設(shè)計(jì)也是一個(gè)國(guó)家綜合性經(jīng)濟(jì)政策問(wèn)題; 第三實(shí)際上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是選擇一種安全與經(jīng)濟(jì)相對(duì)的最佳平衡。 因此政府、 社會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)極為重視,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)責(zé)任重大; 第四作為一個(gè)從事建筑幕墻設(shè)計(jì)的技術(shù)人員, 應(yīng)對(duì)幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)承擔(dān)義不容辭的責(zé)任。
    二、 幕墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的涵義
    人們往往片面地理解幕墻結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì), 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(shí), 在設(shè)計(jì)中任何地方都離不開(kāi)科學(xué)的概念做指導(dǎo)。
    1、意義
    概念設(shè)計(jì)一般指不經(jīng)精密計(jì)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(wèn)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(jī)理和工程經(jīng)驗(yàn)所獲得的基本設(shè)計(jì)原則和設(shè)計(jì)思路, 從整體的角度來(lái)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(guān)控制。 運(yùn)用概念性近似估算方法, 可以在幕墻設(shè)計(jì)的方案階段迅速、 有效地對(duì)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行構(gòu)思、 比較與選擇, 易于快捷計(jì)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(jì)階段一些不必要的繁瑣運(yùn)算, 具有較好的安全可靠和經(jīng)濟(jì)合理性。同時(shí), 也是判斷計(jì)算機(jī)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(jì)的主要內(nèi)容
    (1) 合理選擇結(jié)構(gòu)方案
    一個(gè)成功的設(shè)計(jì)必須選擇一個(gè)經(jīng)濟(jì)合理的結(jié)構(gòu)方案, 即要選擇一個(gè)切實(shí)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(jiǎn)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(duì)建筑師設(shè)計(jì)要求、 幕墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、材料供應(yīng)、 施工條件等情況進(jìn)行綜合分析, 并與設(shè)計(jì)院建筑、 結(jié)構(gòu)等專(zhuān)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(shí)還應(yīng)進(jìn)行多方案比較, 擇優(yōu)選用。
    (2) 選用恰當(dāng)?shù)挠?jì)算簡(jiǎn)圖
    結(jié)構(gòu)計(jì)算是在計(jì)算簡(jiǎn)圖的基礎(chǔ)上進(jìn)行的, 計(jì)算簡(jiǎn)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?jì)算簡(jiǎn)圖是保證結(jié)構(gòu)安全的重要條件。 計(jì)算簡(jiǎn)圖還應(yīng)有相應(yīng)的構(gòu)造措施來(lái)保證。實(shí)際結(jié)構(gòu)的節(jié)點(diǎn)不可能是純粹的剛結(jié)或鉸結(jié)點(diǎn),但與計(jì)算簡(jiǎn)圖的誤差應(yīng)在設(shè)計(jì)允許范圍之內(nèi)。
    (3) 審慎分析計(jì)算結(jié)果
    在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中普遍采用計(jì)算機(jī)技術(shù), 但由于目前軟件種類(lèi)繁多, 不同軟件往往會(huì)導(dǎo)致不同的計(jì)算結(jié)果。 因此設(shè)計(jì)師應(yīng)對(duì)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(huì)導(dǎo)致錯(cuò)誤的計(jì)算結(jié)果, 此外要正確輸入合理的計(jì)算參數(shù),因而要求結(jié)構(gòu)工程師在拿到電算結(jié)果時(shí)應(yīng)認(rèn)真分析, 慎重校核, 做出合理判斷。 設(shè)計(jì)師的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)還是不可缺少的。
    (4) 采取相應(yīng)的構(gòu)造措施
    加強(qiáng)薄弱部位設(shè)計(jì), 特別注意結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)是否設(shè)計(jì)可靠, 尤其是不要遺漏鋼結(jié)構(gòu)焊縫、 耳板、 銷(xiāo)軸、 連接板的設(shè)計(jì)計(jì)算。 必要時(shí)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(xiàn)設(shè)計(jì), 盡量避免薄弱點(diǎn)的出現(xiàn), 以及正常使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算等等。
    3、幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)考慮因素及一般步驟
    (1) 首先對(duì)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(jì)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(duì)幕墻的邊界條件 (特別對(duì)索結(jié)構(gòu)), 以及建筑師及業(yè)主對(duì)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(diǎn)、 適用條件、經(jīng)濟(jì)合理性、 與幕墻的匹配性等因素來(lái)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(jì)中值得重視的問(wèn)題
    (1) 根據(jù)規(guī)范規(guī)定及各種結(jié)構(gòu)型式特點(diǎn)合理確定結(jié)構(gòu)型式, 切忌為滿(mǎn)足業(yè)主及建筑師的要求,而無(wú)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(lái)的荷載。 而幕墻結(jié)構(gòu)所承受的荷載必須通過(guò)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(duì)邊界條件要求高, 設(shè)計(jì)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(diǎn) ( 耳板 、 銷(xiāo)軸 、焊縫的計(jì)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(jì)要謹(jǐn)慎 , 玻璃下設(shè)托條 ,結(jié)構(gòu)膠設(shè)計(jì)計(jì)算及質(zhì)量要有可靠保證。
    (6) 鋼結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定計(jì)算時(shí)要考慮撓度 、 長(zhǎng)細(xì)比及平面外穩(wěn)定, 截面穩(wěn)定性計(jì)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(jiǎn)捷。
    三、 玻璃撓度的計(jì)算是幕墻結(jié)構(gòu)計(jì)算的重要內(nèi)容
    在幕墻設(shè)計(jì)時(shí), 常涉及到撓度變形問(wèn)題。 在某一工程項(xiàng)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(jì)算,不僅材料大大增多, 而且不能做到設(shè)計(jì)可靠、 經(jīng)濟(jì)合理。 很顯然此時(shí)玻璃在風(fēng)壓作用下的彎曲變形應(yīng)為大撓度變形問(wèn)題。 為使設(shè)計(jì)符合實(shí)際情況,在該工程的玻璃撓度計(jì)算中采用了大撓度計(jì)算公式。 考慮到大撓度計(jì)算公式是經(jīng)驗(yàn)公式, 為驗(yàn)證計(jì)算的可靠性、 確保工程的安全, 按實(shí)樣進(jìn)行了玻璃撓度的測(cè)試。 同時(shí), 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(guān)基本無(wú)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(mǎn)足了結(jié)構(gòu)要求。 對(duì)不同厚度玻璃組成的中空玻璃單元也做了玻璃撓度的測(cè)試。
    1、玻璃撓度的計(jì)算
    采用加拿大玻璃應(yīng)用規(guī)程中提供的大撓度計(jì)算公式, 與使用剛性板撓度計(jì)算公式及有關(guān)撓度折減系數(shù)方法進(jìn)行比較, 并通過(guò)玻璃撓度的實(shí)際測(cè)試來(lái)驗(yàn)證計(jì)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(jì)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(zhǎng)度
D———矩形剛性板彎曲剛度
(2) 玻璃大撓度計(jì)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(jì)算值
E———玻璃彈性模量
ro———永久荷載分項(xiàng)系數(shù)
r1———風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)
r2———地震作用分項(xiàng)系數(shù)
    2、計(jì)算和測(cè)試結(jié)果的分析
    上述公式和有關(guān)修正系數(shù), 對(duì)玻璃的撓度進(jìn)行了計(jì)算。 為了保證工程的安全并驗(yàn)證上述大撓度計(jì)算的可靠性, 按實(shí)際尺寸進(jìn)行了玻璃撓度的測(cè)試, 測(cè)試委托上海建筑幕墻檢測(cè)中心進(jìn)行, 試樣采用工程中實(shí)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(cè)試。為提高測(cè)試時(shí),玻璃短邊計(jì)算長(zhǎng)度 a =1418mm,長(zhǎng)邊計(jì)算長(zhǎng)度 b =2395mm,最大風(fēng)壓取 q =-5.0kPa,計(jì)算中q從0.0kPa按每次以-0.5kpa遞減計(jì)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(duì)于 6mm 等厚中空玻璃單元 , 計(jì)算厚度取為6mm×1.2=7.2mm。對(duì)于不等厚度玻璃片組成的中空玻璃單元,計(jì)算厚度取為(8mm+6mm)× 0.5×1.2 = 8.4mm。
    根據(jù)相關(guān)檢測(cè)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(guò)程中,6mm 厚玻璃無(wú)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(cè)試儀表幾乎不能測(cè)定其間差別。 但實(shí)測(cè)中, 6mm 厚玻璃置于外側(cè)時(shí), 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(lái)的色差問(wèn)題, 同時(shí)又滿(mǎn)足了結(jié)構(gòu)要求。
    (2) 隨著荷載的加大 , 剛性板撓度計(jì)算結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果產(chǎn)生越來(lái)越大的差異, 當(dāng)風(fēng)壓達(dá)到5Kpa 時(shí), 兩者差異達(dá) 2~3 倍。 很顯然, 隨著荷載的增加, 支座對(duì)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(shí),剛性板的撓度計(jì)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(yàn)證在很多情況下,幕墻玻璃的撓度計(jì)算不能按照剛性板公式進(jìn)行。
    (3) 玻璃大撓度彎曲時(shí),其撓度曲線(xiàn)隨著荷載的加大顯示一定程度收斂的趨勢(shì),而不是無(wú)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(duì)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(jì)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(shí)在實(shí)測(cè)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(jiàn)作為一個(gè)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(shí)踐。
    (5) 在設(shè)計(jì)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(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果遠(yuǎn)不能代表玻璃的一般性,顯然, 更多的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)是亟需的也是十分寶貴的。工程實(shí)踐證明幕墻的玻璃設(shè)計(jì)中, 當(dāng)風(fēng)壓和分格尺寸較大時(shí)采用大撓度計(jì)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(guò)實(shí)測(cè)加以驗(yàn)證。
    四、 結(jié)束語(yǔ)
    我國(guó)工程設(shè)計(jì)人員在長(zhǎng)期的幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)踐中, 積累了大量有益的經(jīng)驗(yàn), 并主要體現(xiàn)在設(shè)計(jì)規(guī)范、 設(shè)計(jì)手冊(cè)、 標(biāo)準(zhǔn)圖集等等。 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和計(jì)算方法的發(fā)展, 計(jì)算機(jī)及其結(jié)構(gòu)計(jì)算程序在幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中得到大量地應(yīng)用。 為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了快速、 準(zhǔn)確的設(shè)計(jì)計(jì)算工具。 人的設(shè)計(jì),就是概念設(shè)計(jì)。 當(dāng)然有很多幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(jì)所致。人們?cè)诰唧w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(jì)過(guò)程中采用了許多假定與簡(jiǎn)化?傊, 結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)必然會(huì)成為今后建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的主流趨勢(shì), 幕墻撓度計(jì)算也將在設(shè)計(jì)中愈加顯現(xiàn)它的魅力, 這就要求我們來(lái)共同學(xué)習(xí)結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì), 為建筑幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的發(fā)展作出新的更大的貢獻(xiàn)。
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