【论文原创精选0527】建筑幕墙结构计算中的常见问题

作者：江河幕墙研发设计中心  王焕伟、韩维池  

　　本文列举了建筑幕墙的结构计算中经常出现的错误和不足。很多问题是对规范的理解不够；有的问题是对结构计算的最不利组合考虑不周全；有的是结构本身的问题；有的是结构的构造问题；有的是没有校核等等。共分为十个类别列举如下，供大家学习参考。

　　一、《建筑结构荷载规范》GB50009一2012

　　1．在3.2.3条中规定，应取最不利组合的效应设计值进行设计。

　　☆结构的最弱方向必须验算。

　　☆在屋面、雨篷、不对称的钢结构设计中，要考虑不同方向的风荷载组合。

　　2．在4.0.3条中规定，常用材料和构件单位体积的自重可按本规范附录A采用。玻璃幕墙自重取1.00一1.50kN/㎡，一般不宜小于1.00kN/㎡。此为针对主体结构设计时，取的幕墙自重。

　　3．在5.3.1条中规定，不上人屋面均布活荷载标准值取0.5kN/㎡，但还要至少考虑可能的积水活荷载0.2kN/㎡，一般不宜小于0.7kN/㎡。对于常见的玻璃幕墙采光顶，一般设有排水措施，不需考虑积水荷载。（主要需要控制玻璃在自重下挠度，不能低于排水坡度，影响排水）

　　4．在8.1.4条中规定，风荷载的组合系数取0.6。

　　☆在验算转角立柱或墙面与屋面共用的横梁时，需要考虑两个方向的风荷载，其中一个方向的风荷载就要考虑0.6的组合系数。这条不一定能成立，因为转角区域的立柱，是作用在转角区的两个面的，这个是有可能同时发生的，比如一个面正风压，另外一个面负风压。（主要考虑一正一负情况，这种情况对立柱是最不利的，同时正同时负一般没有问题）

　　☆一条立柱上有两个水平遮阳板时，第二个遮阳板的风荷载组合系数取0.6；有三个或三个以上的水平遮阳板时，一般只取最不利的三个遮阳板组合进行计算，其中第二个遮阳板的风荷载组合系数取0.6，第三个遮阳板的风荷载组合系数取0.2，其它遮阳板的风荷载不在组合中考虑。

　　5．在8.3.2条中规定，当有多个建筑物时，如果相互间的距离与最低高度的那个建筑物接近时，风荷载应考虑1.00-1.20的相互干扰系数。

　　6．在8.3.3条中规定，建筑幕墙和屋面的风荷载体型系数一般根据本条采用。

　　☆封闭式矩形平面房屋的外墙大面取+l.0／-1.0，转角取+1.0／-1.4。

　　☆屋面的体型系数要区分大面、边缘和屋脊，风荷载标准值不小于《采光顶与金属屋面技术规程》JGJ255-2012规定的+0.5/-1.0kN/㎡。

　　☆非矩形平面房屋按8.3.1条规定的体型系数的1.25倍取值。

　　☆8.3.1条中的37项次圆截面构筑物的体型系数较大，特别是H／d≥25,α=90°时，体型系数达到-2.6×l.25＝-3.25，因此，在设计中碰到圆心角大于45°的圆弧幕墙时，要考虑圆截面构筑物的体型系数放大效应，圆截面构筑物的时候，设计幕墙时，可能会出现局部体型系数过大的情况。

　　☆墙面的风荷载标准值不小于-1.0kN/㎡，上海地标要大面和转角，风荷载标准值不小于-1.0／-1.5kN/㎡。

　　☆突出构件整体的体型系取-2，但突出构件表面的非双面受风的构件，其风荷载体型系数可取-1.4。

　　7．对于需要考虑顺风向风振的钢结构（含拉索），其风振系数的初值可根据阵风系数取值，并根据其结构第一振型的自振频率对初值进行校验，直到风振系数与结构第一振型的自振频率完全对应。

　　8．建筑幕墙的温度荷载一般取80°C，钢结构的温度荷载应根据合拢温度，最高平均温度和最低平均温度来确定。（对于在阳光暴晒的情况，要考虑太阳光热作用）

　　9．大跨度的采光顶和雨篷钢结构应考虑竖向地震作用

　　10．建筑高度较高、体型不规则或风环境复杂的建筑幕墙，可用风洞试验或数值风洞方法确定风荷载；幕墙高度大于200m时应进行风洞试验；幕墙高度大于3O0m时应由两个非关联单位各自提供独立的风洞试验结果相互验证。（上海地标）

　　二、材料的力学性能

　　1．玻璃的强度设计值要区分中部、边缘和端面，还要区分长期荷载和短期荷载。钢化玻璃和半钢化玻璃还要明确其强度标准值，不能直接按最大值采用。

　　2．热轧型钢和冷成型薄壁型钢的强度设计值是有区别的，建筑幕墙钢结构中采用的热轧钢板不宜大于16mm。

　　3．复合板材的强度设计值跟板材的尺寸和厚度都有关，一般不宜采用固定的强度设计值，最好是根据复合板材的结构原理进行分层计算。

　　4．部分材料的抗弯强度设计值材料分项系数如下表：（上海地标）

　　5．应明确硅酮结构胶的变位承受能力。

　　三、面板结构计算

　　1．在进行面板的结构计算前，要对面板的面积、尺寸、最小厚度和适用高度进行校核。

　　☆开启扇面积应不大于1.8㎡。（上海地标）

　　☆单块花岗岩面板的面积宜不大于1.5㎡，其它石材面板宜不大于1.0㎡,（上海地标）

　　☆隐框幕墙玻璃的飞边不宜超过150mm。

　　☆采光顶的单片玻璃面积不宜大于2.5㎡，长边不宜大于2㎡。

　　2．面板的结构计算模型和最不利的荷载组合应与实际情况一致。

　　3．应分别选取最不利的荷载组合、支撑条件、面板尺寸和面板厚度进行结构计算。

　　4．面板的连接件也应进行结构计算，当采用受拉螺钉连接，如连接件的厚度小于螺钉直径时，应验算螺纹的强度，半螺纹的强度必须要验算。

　　5．面板四周的最小间隙应满足热胀冷缩和平面内变形的要求。

　　6．外伸装饰构件尺寸较小时，可直接采用弹性扣接与骨架连接；尺寸较大时，一般应采用机械连接；当尺寸很大时，宜直接支撑到幕墙立柱上；当尺寸特别大时，宜将装饰构件直接支撑到主体结构上；外伸装饰构件的支撑件和连接都应进行结构计算。

　　7．中空玻璃的合片结构胶也应进行结构计算。（不小于中空玻璃跟型材连接部分一半）

　　8．面板支撑件与面板和骨架的两个连接点中，最多只有一个铰接点，面板支撑件应是一个刚片，不能有铰接点。

　　9．不宜采用杠杆效应明显的单边压板。

　　10．开放幕墙的内侧防水板也应进行抗风结构计算，可以不计算挠度。

　　11．百叶条的风荷载体型系数应按突出构件选用，有充分依据时荷载可适当折减，应进行单个百叶条的结构计算；整个百叶窗的结构计算可根据正投影的镂空量折减风荷载。

　　12．具有多个受风面的空间面板，应考虑不同方向的风荷载组合；需要设置加强筋时，加强筋在转折处应能传递弯矩。

　　13．面板的加强筋和连接也应进行结构计算。（特别对于焊钉，注意抗拉承载力离散性较大）

　　14．面板上有较大开孔时，一般应在孔边进行加强处理，防止应力过度集中（特别是对于玻璃肋中开孔）；同时，应验算穿透构件的变形量，防止穿透构件变形对面板的挤压。

　　15．面板的拼接一般应采用刚性连接，满足弯矩传递的要求。

　　16．面板的支撑骨架在一块面板范围内有较大相对位移时，应在面板的结构计算中反映这种位移荷载。

　　17．开启扇直接吊挂在横梁上时，上横梁要承担上下面板的重量，进行横梁的承重力性能分析时应特别注意。

　　18．出屋面的幕墙立柱应与下部幕墙断开，防止立柱的空腔向室内导水。

　　四、横梁结构计算

　　1．横梁的结构计算应考虑双弯和扭转的效应组合。

　　2．横梁应验算截面的宽厚比（局部稳定性校核），截面的宽厚比不满足要求时，应采用直接强度法或有效截面法进行结构计算。

　　3．对于半开半闭断面的横梁，其抗扭转能力可以只考虑由其闭合的部分提供。

　　4．横梁由几部分采用螺钉连接组成时，一般只能采用叠合梁的受力模型考虑各部分的结构功能，也可以把主要的一个部分当成横梁结构，其余的部分当成横梁结构的附框。

　　5．采用断热型材横梁时，如果断桥的抗剪刚度和强度无法满足要求，断热型材的内外两个部分只能采用叠合梁的受力模型，考虑各部分的结构功能。（上海地标不考虑断热条的结构功能）

　　6．采用多段横梁时，各段横梁间的连接应满足传递弯矩的要求。（对于不在一条直线上还要注意扭转验算）

　　7．横梁的跨度较大时，应按受弯构件验算其整体稳定性。

　　8．横梁与立柱的连接应满足热胀冷缩和平面内变形的要求。

　　9．横梁的连接荷载应同时考虑双向荷载和扭转。

　　10．钢横梁也可以直接与立柱焊接，但应设置温度变形缝。

　　11．以横梁作为主受力构件的建筑幕墙，横梁与埋件的连接也应采用夹持连接。

　　12．不宜采用沉头、半沉头螺栓、螺钉作为主要的受拉结构连接。（如应用注意螺帽拉出验算）

　　五、立柱结构计算

　　1．幕墙立柱所受轴力产生的拉应力远小于弯曲应力，可按受弯构件验算其整体稳定性。对于压弯立柱，应按压弯构件验算其整体稳定性，截面的宽厚比不满足要求时，应采用直接强度法或有效截面法进行结构计算。

　　2．对于跨度较大的幕墙立柱，也应验算截面的宽厚比（局部稳定性校核）。

　　3．立柱由几部分采用螺钉连接组成时，一般只能采用叠合梁的受力模型，考虑各部分的结构功能，也可以把主要的一个部分当成立柱结构，其余的部分当成立柱结构的附框。

　　4．采用断热型材立柱时，如果断热条的抗剪刚度和强度无法满足要求，断热型材的内外两个部分只能采用叠合梁的受力模型，考虑各部分的结构功能。（上海地标不考虑断热条的结构功能）

　　5．立柱与埋件连接的转接件，可以与立柱刚性连接，与埋件铰接；也可以与埋件刚性连接，与立柱铰接；不能都是铰接：转接件内部不能有铰接点。

　　6．立柱转接件的结构计算要考虑安装调节量的影响，按最不利的位置进行结构计算。

　　7．转接件与埋件的连接应考虑平面内陆震作用和竖向装饰条产生的面内水平剪力，特别是采用槽式埋件时更应注意。

　　8，采用多段立柱时，各段立柱间的连接应满足传递弯矩的要求。（主要在一跨内，应满足传递弯矩要求）

　　9．立柱之间的连接应满足热胀冷缩和平面内变形的要求。

　　10．转角立柱应验算立柱弱轴抗弯的组合效应，考虑双弯和扭转的效应组合，可以考虑玻璃面板的支撑作用，转角立柱的主、次轴应和面板方向平行，或垂直。

　　11．带有大尺寸竖向装饰条的单元幕墙立柱底部一定要有抗侧移荷载装置，防止单元板块在侧向风荷载作用下的过度摆动。在计算侧向力时，需要考虑单元板块自重和板块和挂件之间的摩擦力可以抵抗一部分侧风。

　　12．双层幕墙的内外双层骨架应具有相当的空间稳定，采用整体单元时，整体单元在运输和吊装过程中也应保持整体稳定。

　　13．立柱的跨度较大，需要采用双支座时，短跨与长跨的比值不宜小于1/10，且要将下支座设计为抗风滑移支座。

　　14．钢立柱也可以与埋件直接焊接。

　　15．与主体结构底部连接的立柱，不宜采用工地仰焊把立柱吊起来。

　　16．幕墙立柱应支撑在主体结构或过渡结构上，砌体墙不能作为幕墙的支撑结构。

　　六、玻璃肋计算

　　1．在结构计算前，应先进行构造要求校核。

　　☆必须保证热胀冷缩的变位空间，以及沉降和各种偏差的预留量。

　　☆应确保玻璃肋形成夹持简支梁，特别是玻璃肋的顶部，不能只有承担重力的吊挂装置，还要有抗风装置和抗端部侧移扭转装置。

　　☆转角位置的玻璃面板相互依靠时，应有可靠的顶底抗风装置。

　　☆玻璃肋的接驳节点应能传递弯矩。

　　2． 在进行玻璃肋的整体稳定分析时，玻璃肋的有效计算厚度要区分PVB和SGP两种胶片，PVB夹胶玻璃只能按叠合梁进行稳定计算，SGP夹胶玻璃可以考虑一定的组合梁效应。

　　七、复杂实体构件的结构计算

　　1． 对于形状复杂，有大量开孔，与多个构件连接，采用常规结构分析方法难以实施的构件，应采用有限元分析法。

　　2．采用有限元分析时，可能的荷载组合和支撑条件应与实际情况保持一致。

　　3．应对结构计算的结果进行校核。

　　八、钢结构计算

　　1．在结构计算前，应先进行机动分析，确保结构的整体稳定性，必要时，应增加一定的稳定构件。

　　2．钢结构的计算模型应与实际结构一致，特别是构件间的连接和支撑。

　　3．钢结构的各种荷载，除荷载大小的选择必须正确以外，荷载的作用方向和位置也必须正确。

　　4．采用软件计算时，应输出各种组合的内力图、反力图、变形图和应力图。

　　5．整体稳定和局部稳定分析是钢结构设计的关键点。

　　6．钢结构的支座设计应符合钢结构的计算模型要求，六个自由度的约束和放松都要有所体现。

　　7．采用软件进行结构计算时，一定要进行规范的验证。一定要对钢结构的整体体系进行把握，确保软件分析结果和自己所想的结果保持一致。

　　8． 跨度较大的钢结构无法满足整体稳定计算的要求时，采用增加侧向支撑来减

　　小计算跨度通常是性价比较好的方案，只有整体稳定计算要求与限值相差较小时，才可采用加大截面的方法。

　　九、拉索结构计算

　　1．拉索结构的应力和变形受主体钢结构的变形影响很大，一般应与主体钢结构进行一体化结构分析；如主体结构确实不能一体化分析时，应在拉索结构的支座处反映主体结构的变形。

　　2．拉索结构的风荷载一般采用风振系数进行考虑，由于随主体结构的震动特性起主要作用，所以一般取主体结构的风振系数进行风荷载计算，并乘以系数1.1以考虑拉索结构自身震动对风振系数的放大影响。

　　3．拉索与埋件间的连接耳板结构计算应考虑可能的偏差和误差影响。

　　4．应以主体结构的附加变形量最小为目标进行施工结构计算，确定张拉顺序和应力分级。

　　十、埋件结构计算

　　1．对板型预埋件（板槽型预埋件）进行结构计算前要先进行构造要求检查。

　　☆锚板厚度不宜小于锚筋直径的60%，且不宜小于锚筋间距的b/8。

　　锚筋应采用HRB400或HPB300钢筋，直径不宜小于8mm，且不宜大于25mm，锚筋的间距不宜小于3d和45mm，锚固长度不应小于200mm。

　　☆应验算锚筋与钢板之间的焊接连接。应优选选用Q345材质的钢板。

　　☆锚筋中心至锚板边缘的距离不应小于2d和20mm，至混凝土基材边缘的距离不应小于6d和70mm。

　　2．对后置埋件进行结构计算前要先进行构造要求检查。

　　☆锚板厚度的规定同板型预埋件，即不宜小于锚栓直径的60%，且不宜小于锚栓间距的b/8。锚栓直径不宜小于10mm。

　　☆混凝土基材的厚度不应小于100mm。

　　3．埋件的设计荷载应考虑转接件的偏心和施工偏差的影响，不能直接取用立柱的计算反力。  

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