淺析幕墻結構概念設計及玻璃撓度計算的重要意義

【摘要】本文強調了結構設計在幕墻設計中的重要性，并著重闡述了幕墻結構概念設計及運用撓度計算的意義及其要點。

        隨著大跨度空間建筑幕墻迅猛發(fā)展，現代建筑的奇異造型使得幕墻結構變得越來越復雜。因此，以大跨度鋼結構、索結構、玻璃結構及其組合結構等高難度的幕墻結構型式在幕墻設計中得到全方位應用。無論是傳統的框架式玻璃幕墻，還是大跨度的點支式玻璃幕墻以及單元式玻璃幕墻，結構在幕墻設計中的地位日顯突出，尤其是幕墻結構概念設計已成為設計中關鍵環(huán)節(jié)，同時玻璃幕墻撓度計算也顯得更加的重要。筆者根據十幾年來主持和參與的多項會展中心、商務樓幕墻工程實踐，就幕墻結構設計和玻璃撓度計算方面談一些認識。
        一、幕墻結構設計的重要性
        首先由于幕墻結構設計的安全可靠性直接關系到建筑外立面美觀和人民生命財產安全，歷來是審慎解決的重大問題；其次幕墻結構的安全可靠設計也是一個國家綜合性經濟政策問題；第三實際上結構設計也是選擇一種安全與經濟相對的最佳平衡。因此政府、社會對結構設計極為重視，結構設計責任重大；第四作為一個從事建筑幕墻設計的技術人員，應對幕墻結構設計承擔義不容辭的責任。
        二、幕墻結構概念設計的涵義
        人們往往片面地理解幕墻結構概念設計，認為其主要是用于一些大的原則，如確定結構方案、結構布置等。其實，在設計中任何地方都離不開科學的概念作指導。
        1.意義
        概念設計一般指不經精密計算，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，依據幕墻整體結構體系與分體系之間的力學關系、結構破壞機理和工程經驗所獲得的基本設計原則和設計思路，從整體的角度來確定幕墻結構的總體布置和細部構造措施的宏觀控制。運用概念性近似估算方法，可以在幕墻設計的方案階段迅速、有效地對結構體系進行構思、比較與選擇，易于快捷計算。所得結構方案往往概念清晰、定性正確，避免后期設計階段一些不必要的繁瑣運算，具有較好的安全可靠和經濟合理性。同時，也是判斷計算機內力分析輸出數據正確與否的主要依據。
        2.幕墻結構概念設計的主要內容
        （1）合理選擇結構方案
        一個成功的設計必須選擇一個經濟合理的結構方案，即要選擇一個切實可行的結構型式和結構體系。結構體系應受力明確，傳力簡捷，同一結構單元不宜混用不同結構體系，力求平面和豎向規(guī)則。必須對建筑師設計要求、幕墻結構特點、材料供應、施工條件等情況進行綜合分析，并與設計院建筑、結構等專業(yè)充分協商，在此基礎上進行結構選型，確定結構方案，必要時還應進行多方案比較，擇優(yōu)選用。
        （2）選用恰當的計算簡圖
        結構計算是在計算簡圖的基礎上進行的，計算簡圖選用不當而導致結構安全的事故屢有發(fā)生，因此選擇恰當的計算簡圖是保證結構安全的重要條件。計算簡圖還應有相應的構造措施來保證。實際結構的節(jié)點不可能是純粹的剛結或鉸結點，但與計算簡圖的誤差應在設計允許范圍之內。
        （3）審慎分析計算結果
        在結構設計中普遍采用計算機技術，但由于目前軟件種類繁多，不同軟件往往會導致不同的計算結果。因此設計師應對程序的適用范圍、技術條件等全面了解。軟件本身有缺陷均會導致錯誤的計算結果，此外要正確輸入合理的計算參數，因而要求結構工程師在拿到電算結果時應認真分析，慎重校核，做出合理判斷。設計師的知識、經驗還是不可缺少的。
        （4）采取相應的構造措施
        加強薄弱部位設計，特別注意結構連接節(jié)點是否設計可靠，尤其是不要遺漏鋼結構焊縫、耳板、銷軸、連接板的設計計算。必要時需考慮溫度應力的影響。除此之外，還應注意綜合考慮多道防線設計，盡量避免薄弱點的出現，以及正常使用極限狀態(tài)的驗算等等。
        3.幕墻結構設計應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計院圖紙）。了解并熟悉幕墻后面主體結構支承情況（樓層及梁柱、屋面結構等）；了解主體結構對幕墻的邊界條件（特別對索結構），以及建筑師及業(yè)主對幕墻結構型式的要求。
        （2）根據各種結構型式受力特點、適用條件、經濟合理性、與幕墻的匹配性等因素來確定是采用鋼結構、索結構、玻璃結構、單桿結構、桁架結構還是組合結構。
        4.幕墻結構設計中值得重視的問題
        （1）根據規(guī)范規(guī)定及各種結構型式特點合理確定結構型式，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結構，幕墻結構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。而幕墻結構所承受的荷載必須通過連接傳給主體建筑，并且應該適應主體建筑的變形。
        （3）不能盲目追求使用索結構，特別是單索，使用索結構對邊界條件要求高，設計院往往未考慮予拉力荷載。
        （4）應重視鋼結構連接節(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構的連接件（如預埋件、螺栓、角碼）的連接牢固。
        （5）隱框幕墻設計要謹慎，玻璃下設托條，結構膠設計計算及質量要有可靠保證。
        （6）鋼結構的穩(wěn)定計算時要考慮撓度、長細比及平面外穩(wěn)定，截面穩(wěn)定性計算需進行人工校核。
        （7）應明確各種荷載傳遞路徑與結構體系中各桿件所擔負功能。盡量使荷載傳遞路徑簡捷。
        三、玻璃撓度的計算是幕墻結構計算的重要內容
        在幕墻設計時，常涉及到撓度變形問題。在某一工程項目中，標準風壓達到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，而且不能做到設計可靠、經濟合理。很顯然此時玻璃在風壓作用下的彎曲變形應為大撓度變形問題。為使設計符合實際情況，在該工程的玻璃撓度計算中采用了大撓度計算公式�？紤]到大撓度計算公式是經驗公式，為驗證計算的可靠性、確保工程的安全，按實樣進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，而內片根據風壓的不同分別采用6mm和8mm厚玻璃片，又滿足了結構要求。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撓度折減系數方法進行比較，并通過玻璃撓度的實際測試來驗證計算結果，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
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———構件抗力計算值
E———玻璃彈性模量
ro———永久荷載分項系數
r1———風荷載分項系數
r2———地震作用分項系數
        2.計算和測試結果的分析
        上述公式和有關修正系數，對玻璃的撓度進行了計算。為了保證工程的安全并驗證上述大撓度計算的可靠性，按實際尺寸進行了玻璃撓度的測試，測試委托上海建筑幕墻檢測中心進行，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）和8mm+（外）+11mm（空氣）+6mm（內）各兩件進行撓度測試。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。
        根據相關檢測數據，進行如下分析比較認為：
        （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厚玻璃無論置于內側還是外側，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厚玻璃置于外側時，中空玻璃單元的撓度則較小。據此，在該工程的玻璃選用中，中空玻璃單元室外一側玻璃片全部采用6mm厚度，而室內一側則根據風壓的不同分別選用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，同時又滿足了結構要求。
        （2）隨著荷載的加大，剛性板撓度計算結果和實測結果產生越來越大的差異，當風壓達到5Kpa時，兩者差異達2～3倍。很顯然，隨著荷載的增加，支座對玻璃板產生了中面壓力，玻璃板進入了大撓度變形狀；此時，剛性板的撓度計算公式不再適用。根據JGJ102-2003玻璃幕墻工程技術規(guī)范的規(guī)定，作用在玻璃幕墻上的風荷載標準值最小應取1kPa，據此，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，膠塊的應變產生中面拉力。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、外片的平均值，再乘以規(guī)范中的系數1.2，結果表明這樣的取值有一定的合理性。同時在實測中發(fā)現，玻璃片撓度和其放置位置關系不大，內、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，中空玻璃的力學特性還需進一部研究，以更好地服務于幕墻實踐。
        （5）在設計中玻璃的選用還考慮了一定的安全余量。由于玻璃的力學特性存在較大的離散性，實測數據與計算結果遠不能代表玻璃的一般性，顯然，更多的實測數據是亟需的也是十分寶貴的。
        工程實踐證明幕墻的玻璃設計中，當風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、結束語
        我國工程設計人員在長期的幕墻結構設計實踐中，積累了大量有益的經驗，并主要體現在設計規(guī)范、設計手冊、標準圖集等等。隨著計算機技術和計算方法的發(fā)展，計算機及其結構計算程序在幕墻結構設計中得到大量地應用。為結構設計提供了快速、準確的設計計算工具。人的設計，就是概念設計。當然有很多幕墻結構設計存在諸多的缺陷，主要原因就是在總體方案和構造措施上未采用正確的構思，即未進行概念設計所致。人們在具體的空間結構體系整體研究上還有一定的局限性，在設計過程中采用了許多假定與簡化�？傊�，結構概念設計必然會成為今后建筑幕墻結構設計的主流趨勢，幕墻撓度計算也將在設計中愈加顯現它的魅力，這就要求我們來共同學習結構概念設計，為建筑幕墻結構設計的發(fā)展作出新的更大的貢獻。