能用多少年？幕墙面板与连接结构设计是关键！

摘要：为分析幕墙面板及连接结构设计要素，作者运用现有建筑结构分析理论，结合现行有关标准规范，对常见幕墙面板及连接结构设计计算分析思路进行梳理，在幕墙结构设计基准期、幕墙结构设计使用年限、荷载取值、支承结构设计、面板与连接设计等方面提出了系统的方法。结论将为幕墙面板及连接结构计算分析设计提供参考。

关键词：安全等级；可靠度；极限状态设计方法；结构设计工作年限；面板与连接结构设计

　　建筑幕墙面板及连接结构设计时考虑到的因素很多，如建筑设计的要求、荷载及作用等，通常选用相应的面板材料、构造形式、与支承结构的连接等。

　　幕墙按照面板材料可分为玻璃幕墙、金属板幕墙、石材幕墙、人造板材幕墙;按照板块制作安装方式可分为构件式幕墙、单元式幕墙;按照面板连接方式可分为点支式幕墙、框支承幕墙等。

　　建筑幕墙结构设计应规定建筑幕墙结构的设计工作年限，宜不小于50年，不得小于25年。

　　幕墙结构的设计基准期应为50年。

　　本文对幕墙面板及连接结构设计的几个要素：安全等级、极限状态设计方法、可靠度水平、设计基准期、设计工作年限、面板及连接结构设计等进行分析，明确了以上几个结构概念。

1 幕墙结构安全等级及设计工作年限

　　1.1. 幕墙结构安全等级

　　幕墙结构是建筑幕墙中能承受作用并具有适度刚度的由各连接部件有机组合而成的系统。幕墙结构构件是幕墙结构在物理上可以区分出的部件。幕墙结构体系是幕墙结构中所有构件及其共同工作的方式。幕墙结构模型是用于幕墙结构分析及设计的理想化幕墙结构体系。

　　同一建筑结构中的各种结构构件一般与整体结构采用相同的安全等级，可根据具体结构构件的重要程度和经济效果进行适当调整。

　　1.2. 极限状态设计方法及可靠度水平

　　幕墙结构极限状态是整个结构或结构的一部分(如幕墙结构)超过某一特定状态就不能满足规定的某一功能要求，此特定状态为该功能的极限状态。

　　极限状态设计方法是不使结构超越规定极限状态的设计方法。

　　幕墙结构幕墙结构极限状态分为承载能力极限状态、正常使用极限状态、耐久性极限状态。

　　采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数设计表达式计算,分为承载能力极限状态设计、正常使用极限状态设计、耐久性极限状态设计。

　　承载能力极限状态是对应于幕墙结构或结构构件达到最大承载力或不适于继续承载的变形的状态。当幕墙结构或结构构件出现下列状态之一时，就认定超过承载能力极限状态：幕墙结构构件或连接因应力超过材料强度而破坏，或应过度变形而不适于继续承载(如幕墙钢结构已经达到屈服强度，变形持续扩大，无法继续承载);幕墙结构或结构构件丧失稳定(如幕墙空间结构已经丧失稳定，如超高全玻幕墙玻璃肋结构已经侧向失去稳定，无法继续承载);幕墙结构或结构构件疲劳破坏(如幕墙开启窗结构及连接多次启闭已经疲劳破坏，无法继续承载)。

　　正常使用极限状态是对应于幕墙结构或结构构件达到正常使用的某一项规定限值的状态。当幕墙结构或结构构件出现下列状态之一时，就认定超过正常使用极限状态：影响幕墙正常使用或建筑外观效果的变形(如玻璃幕墙变形过大);影响幕墙正常使用的局部损坏(如石材面板有个别裂缝)。

　　耐久性极限状态是对应于幕墙结构或结构构件在环境影响下出现的劣化达到耐久性能的某一项规定限值或标志的状态。当幕墙结构或结构构件出现下列状态之一时，就认定超过耐久性极限状态：影响幕墙承载能力和正常使用的材料性能劣化(如幕墙钢结构防腐涂层已经丧失保护作用，密封胶老化);影响幕墙耐久性能的裂缝、变形、缺口、外观、材料削弱(如石材面板有超过一定长度的裂缝)。

　　幕墙结构设计应对幕墙结构各个的极限状态分别进行分析计算，幕墙结构在正常情况下即持久设计状况时，承载能力极限状态或正常使用极限状态的计算起控制作用。

　　1.3. 设计工作年限

　　幕墙结构的设计工作年限是设计规定的幕墙结构或幕墙结构构件不需大修即可按照预定目的使用的年限。

　　幕墙结构的可变作用可分为使用时推力、施工荷载、风荷载、雪荷载、撞击荷载、地震作用、温度作用。

　　当界定幕墙为易于替换的结构构件时，幕墙结构的设计使用年限为25年;当界定幕墙为普通房屋和构筑物的结构构件时，幕墙结构的设计使用年限为50年;当界定幕墙为标志性建筑和特别重要的建筑结构时，幕墙结构的设计使用年限为100年。

　　当建筑设计有特殊规定时，幕墙结构的设计使用年限按照规定确定且不得小于25年。

2 面板及连接结构设计

　　2.1. 面板及连接结构设计及结构分析原则和结构模型

　　幕墙支承结构设计应使幕墙结构在规定的设计使用年限内以规定的可靠度满足规定的各项功能要求。功能要求包括安全性、适用性、耐久性。

　　2.2. 设计原则

　　根据建筑立面设计合理选择幕墙面板的材料种类和构造形式。幕墙面板及其连接设计，应满足承载能力极限状态和正常使用极限状态的要求。应能满足荷载、地震和温度作用所产生的幕墙平面内和平面外的变形要求，应符合性能设计、加工制作、运输安装、维护更换及信息化管理的要求。

　　面板厚度应经强度和刚度计算确定。不规则平面尺寸及弯曲异型面板应按几何非线性有限元方法计算。面板受各种荷载和作用应按本标准的规定组合，最大应力设计值不超过面板强度设计值。面板及其连接设计应满足拆卸时不损坏其相邻部位构件和结构的要求。面板及其连接设计应符合信息化管理规定，在幕墙工作年限内均可溯源。

　　幕墙采用的玻璃面板可选用钢化玻璃、半钢化玻璃及以上玻璃组成的夹层玻璃、中空玻璃。幕墙用钢化玻璃应经均质处理。点支承玻璃幕墙的面板应选用钢化玻璃。玻璃肋应选用夹层钢化玻璃或夹层半钢化玻璃，有钻孔的玻璃肋应选用夹层钢化玻璃。玻璃面板应有防坠落的措施。高度4米以上部位不宜采用全隐框玻璃幕墙，外倾式的斜幕墙不得采用全隐框玻璃幕墙。

　　2.3. 风荷载计算及地震作用

　　面板属于建筑外围护结构构件，风荷载根据广东省标准《建筑结构荷载规范》DBJ15-101-2014规定取值。地震作用计算根据行业标准《玻璃幕墙工程计算规范》JGJ102-2003规定取值：动力放大系数按5.0，水平地震影响系数最大值按相应抗震设防烈度和设计基本地震加速度取0.10。

　　2.4. 作用及效应计算

　　幕墙结构采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数设计表达式计算,按承载能力极限状态和正常使用极限状态设计应符合下列规定：

　　幕墙结构应按各效应组合中的最不利组合设计。建筑物转角部位、平面或立面突变部位的构件和连接应作专项验算。

　　幕墙结构计算模型应与结构的工况相一致。采用弹性方法计算幕墙结构时，先计算各荷载与作用的效应，然后将荷载与作用效应组合。考虑几何非线性影响计算幕墙结构时，应将荷载与作用组合后计算组合荷载与作用的效应。

　　规则构件可按解析或近似公式计算作用效应。具有复杂边界或荷载的构件，可采用有限元方法计算作用效应。采用有限元方法作结构验算时，应明确计算的边界条件、模型的结构形式、截面特征、材料特性、荷载加载情况等信息。转角部位的幕墙结构应考虑不同方向的风荷载组合。

　　主体结构应能有效承受幕墙传递的荷载和作用。幕墙结构连接件与主体结构的锚固承载力设计值应大于连接件的实际承载力设计值。幕墙和主体结构的连接应满足幕墙的荷载传递，适应主体结构和幕墙间的相互变形，消减主体结构变形对幕墙体系的影响。异型空间结构及索结构应考虑主体结构和幕墙支承结构的协同作用，应会同主体结构设计对主体结构和幕墙结构整体计算分析。

　　计算幕墙构件承载力极限状态时，其作用的组合应符合下列规定：

　　2.5. 强度设计值

　　玻璃的强度设计值应按《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003及《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113-2015的规定采用。

　　金属与石材幕墙的强度设计值应按《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133的规定采用。人造板材板的强度设计值应按《人造板材幕墙工程技术规范》JGJ336的规定采用。

　　五金件、连接构件承载力设计值应按其产品标准或产品检测报告提供的承载力标准值除以相应的抗力分项系数(γR)或材料性能分项系数(γf)确定，如建筑设计无特殊要求，总安全系数K取2.0，则γR、γf取1.4。

　　2.6. 玻璃面板及连接结构设计

　　玻璃幕墙设计挠度限值应符合《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102及《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113的规定。

　　玻璃面板应采用安全玻璃，四边支承玻璃在垂直于玻璃幕墙平面的风荷载和地震作用下的最大应力及挠度计算应符合《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102及《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113的规定。幕墙中空玻璃的硅酮结构密封胶应能承受外侧面板传递的荷载和作用，有效宽度应符合《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102的规定经计算确定。

　　在垂直于幕墙平面的风荷载和地震作用下，四点支承玻璃面板应力和挠度计算应符合《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102及《点支式玻璃幕墙工程技术规程》CECS127的规定。非四点支承的点支承玻璃面板应力和挠度计算应符合《点支式玻璃幕墙工程技术规程》CECS127的规定，可采用有限单元法分析计算。

　　隐框或横隐半隐框玻璃面板的承托件应验算强度和挠度。每块面板不少于两个承托件，承托件应同时承接组成面板的所有玻璃，局部受弯、受剪的有效长度不大于其上垫块长度的2倍，必要时可加长承托件和垫块。承托件可用铝合金或不锈钢材料。承托件尚应验算其支承处的连接强度。隐框幕墙硅酮结构密封胶的粘接宽度和粘接厚度应符合《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102的规定经计算确定。

　　明框玻璃面板应通过定位承托胶垫将玻璃重量传递给支承构件。胶垫数量不少于2块，厚度不小于5mm，长度不小于100mm，宽度与玻璃面板厚度相等，满足承载要求。

　　点支承装置设计应符合《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102、《点支式玻璃幕墙工程技术规程》CECS127及《建筑玻璃点支承装置》JG/T 138的规定。支承装置应能适应玻璃面板在支承点处的转动变形，其承受玻璃面板所传递的荷载或作用，不应在支承装置上附加其他设备和重物。

　　2.7. 金属面板及其连接设计

　　金属面板的应力和挠度计算应符合《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133的规定。金属面板应根据受力需要设置加劲肋。应采用周边折边，沿周边设置固定耳子。面板、加劲肋、固定耳子、连接螺钉尺寸及数量应满足经结构分析计算确定。铝合金型材框架其连接处的局部型材壁厚应不小于连接螺钉公称直径。金属面板加劲肋宜采用铝合金挤压型材或经表面镀锌处理后的钢型材，铝合金挤压型材壁厚不小于2.5mm，钢型材壁厚不小于2mm，壁厚不小于面板壁厚，加劲肋与面板边缘折边处以及加劲肋纵横交叉处应采用角码可靠连接。

　　金属面板板缝宽度的设置按结构分析计算确定。注胶式板缝宜不小于10mm，板缝内底部应垫嵌聚乙烯泡沫条填充材料，其直径宜大于板缝宽度20%，硅酮建筑密封胶注胶前应经相容性试验，注胶厚度应不小于3.5mm，且宽度不小于厚度的2倍;嵌条式板缝宜不小于20mm，可采用金属嵌条或橡胶嵌条等形式，应有防松脱构造措施，胶条拼缝处及十字交叉拼缝处应有粘结材料粘结，防止雨水渗漏;开放式板缝应设置导排水构造。

　　2.8. 石材面板及其连接设计

　　石材面板应选用花岗石，弯曲强度应经法定检测机构检测确定，其弯曲强度不应小于8.0MPa。面板设计、计算应符合《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133的规定。石材面板厚度应经面板抗弯及抗剪设计计算确定。磨光面板厚度应不小于25mm，火烧石板厚度取计算厚度加3mm;高层建筑及临街建筑，花岗石面板厚度应不小于30 mm。石材面板应作六面防护处理。面板边缘宜经磨边和倒棱，倒棱宽度宜不小于2mm。建筑设计水平倒挂外墙、斜幕墙选用石材效果时，应采用仿石铝板。石材面板应有防坠落设计。板块的连接和支承不应采用钢销、T形连接件、蝴蝶码和角形倾斜连接件。石材面板采用短槽支承、背栓支承连接时，应按点支承板计算。石材面板采用对边通槽连接时，按对边简支板计算，面板跨度为两支承边之间的距离。

　　2.9. 人造板材面板及其连接计算

　　人造板材面板可选用微晶玻璃、瓷板、陶板、玻璃纤维增强水泥外墙板(GRC板)等多种材质，按《人造板材幕墙工程技术规范》JGJ 336和《玻璃纤维增强水泥(GRC)建筑应用技术标准》JGJ/T423的规定设计。人造板材面板承载力计算应符合《人造板材幕墙工程技术规范》JGJ 336的规定。人造板材面板的连接设计应符合《人造板材幕墙工程技术规范》JGJ 336的规定，构造上应有防滑移防脱落措施。人造板材面板的板缝设计应符合《人造板材幕墙工程技术规范》JGJ 336的规定。

3 有关设计使用年限和结构分析方法的建议

　　3.1 幕墙结构设计使用年限的确定非常重要，应在设计中规定。宜不小于50年，不得小于25年。

　　3.2 对于特殊结构幕墙面板及连接，一般的力学分析方法很难真正反映实际，而有限元分析模拟的边界条件也会很大程度地影响计算结果，本文特别希望能通过结合专门的结构试验方法进行模拟，得到一定数量的数据，最终能够证明贴合实际的特殊幕墙结构计算经验公式，方便广大设计人员使用。

4 结论

　　针对幕墙面板及连接结构设计的几个要素：安全等级、极限状态设计方法、可靠度水平、设计基准期、设计使用年限、支承结构设计、面板及连接设计等进行分析。

作者单位：广东世纪达建设集团有限公司

作者：黄庆文

来源：2024论文集