探析石材幕墻的設計

摘要：隨著我國建筑幕墻行業的發展，玻璃及石材幕墻在我國各大城市之中得到廣泛的應用，取得良好的效果，石材幕墻的設計關系到幕墻的使用安全。本文主要根據工程實際，對石材幕墻設計的探析。

關鍵詞：石材幕墻 設計

1 工程概況

該工程東西長90.0m，南北寬93.5m地上23層，地下2層，總建筑面積73669m2，建筑總高度97.80m。主體采用框架一剪力墻結構。外墻大部分為封邊式干掛石材幕墻約19932m2。外墻做法200mm厚輕集料混凝土小型空心砌塊+60mm厚擠塑板保溫層+28mm厚品白玉火燒面石材板。建筑防火設計分類為一類，建筑耐火等級為I級。防雷設計為二類。建筑抗震設防類別為丙類，抗震設防烈度8度。設計基本地震加速度0.20g，設計地震分組為第一組。抗風設計地面粗糙度為C類，基本風壓0.45kN/m2。

2 深化設計分析

石材幕墻工程的實施，涉及到原設計、深化細部設計、材料供應、構配件制作以及施工安裝等多家單位。但要保證工程的順利實施，必須做到各參建單位的協調統一。因為幕墻工程專業性比較強，因而必須由專業化的設計和施工單位來完成具體工作。

1）石材幕墻的深化設計，通常是根據原設計方提供的圖紙確定石材的精確分格尺寸、顏色、材質、嵌縫材料等，并繪制出尺寸詳盡的石材圖紙及各復雜部位的節點詳圖。然后依據各單塊石材的重量、

尺寸及抗震、抗風壓等各項要求，進行相關力學計算，確定石材干掛方式及龍骨體系、埋件、連接件等尺寸規格。并在可能的條件下，對計算結果進行現場力學性能試驗，以確保石材幕墻的安全穩定性。

2）在石材及干掛體系的力學計算方面，首先要確定幕墻所受荷載及作用形式，然后確定石材的干掛方式，進而確定石材板塊的計算模型。同時進行受力安全性計算。最后根據干掛體系所受荷載值確定干掛體系的構造形式和所用掛件、連接件、埋件及橫豎龍骨的規格尺寸。因干掛體系的設計決定著幕墻的結構安全，所以石材幕墻及其干掛體系的設計應嚴格執行國家行業標準及規范的要求。

3）在荷載確定方面，石材幕墻計算時通常要考慮材料的自重、所受風荷載及地震荷載，并根據荷載作用方式對其進行組合。其相應分項及組合系數都應嚴格按照規范要求取用。如有特殊要求，在設計計算時應和規范相對照，取其不利最大值；對于干掛體系計算中，應根據剛體力的傳遞特性，確定其所受荷載并進行力學計算。有時，當一些荷載不宜確定時，可通過模擬試驗方法來確定其大小。

3 設計校核計算

3.1 風荷載計算

依據JGJ133-2001《金屬與石材幕墻工程技術規范》第5.2.3條和GB50009-2001《建筑結構荷載規范》（2006年版），計算作用于幕墻上的風荷載的標準值。可按下式計算：

本工程石材幕墻設計計算時，僅考慮墻面風荷載，而沒有考慮墻角風荷載是不全面的。即便在墻面與墻角設計方案一致的情況下，由于該建筑物外形凹凸不規則，風荷載較大，墻角部位也較多，故也應取不利的墻角風荷載進行驗算。即

體形系數：（墻面），（墻角）

對建筑標高（25m以下段幕墻）：本工程地面粗糙度按c類25m高計算：

=0.45kN/m2，=1.88；=-1.0（墻面），=-1.8（墻角）；=0.92

墻面：=1.88×1.0×0.92×0.45=0.78kN/m2，取1.00kN/m2；

墻角：=1.88×1.8×0.92×0.45=1.40kN/m2

在幕墻墻面與墻角采用統一的龍骨設計方案時，應采用較為不利的墻角風荷載進行計算

取=1.40kN/m2。

對建筑標高（25～100m段幕墻）：本工程地面粗糙度按c類100m高計算：

=0.45kN/m2，=1.60；=-1.0（墻面），=-1.8（墻角）；=1.70

墻面：=1.60×1.0×1.70×0.45=1.22kN/m2；

墻角：=1.60×1.8×1.70×0.45=2.20kN/m2

在幕墻墻面與墻角采用統一的龍骨設計方案時，應采用較為不利的墻角風荷載進行計算，

取=2.20kN/m2。

3.2石材面板荷載組合

1）正常使用極限狀態：正常使用極限狀態下，一般不考慮不同的效應組合。僅考慮風荷載或永久荷載單獨作用時的變形或撓度情況。故S=

（考慮重力荷載的作用）；

S==K（考慮風荷載的作用）。

2）承載能力極限狀態：由于幕墻暴露在室外，受風載影響較為顯著，風荷載作用效應比地震作用效應大，應作為第一可變作用，其組合值系數取1.0；地震作用作為第二可變荷載時，組合系數按幕墻規范規定取0.5。故

（重力作用不利）；

S=1.0G+1.0×1.4W+0.5×1.3E（重力作用有利）

3.3材料性質

3.4對建筑標高25～100m段幕墻主要受力件典型單元校核計算

1）本工程立柱采用熱鍍鋅80x42x5x8mm厚槽鋼背對背搭接，承載寬度1200mm。當荷載近似按均布計算時（計算簡圖如圖1）

a.荷載組合撓度計算：

石材傳遞重力荷載標準值（豎直方向）：=2800×99.8×0.028×1.2=923N/m：

石材傳遞水平風荷載標準值（水平方向）：-=2200×91.2=2640N/m。

b.通過建立有限（ANSYS）模型，其計算結果：水平方向最大位移為16.28mm。

c.依據允許撓度（JGJ133-2001：5.6.5）鋼型材：=L/300mm，橫梁（跨度1200mm）；=4000/300=13.4mm

=16.28mm>=13.4mm

此式表明：立柱的撓度驗算不能滿足GB50009-2001，GB50017-2003規范要求。需對原設計立桿講行調整。

d.荷載組合強度計算：

石材傳遞重力荷載設計值（豎直方向）：=923×1.2=1107.6N/m

石材傳遞水平方向荷載設計值（風和地震組合）：=2200x1.2=4140N/m

e.建立有限（ANSYS）模型，其計算結果：最大彎曲應力：-204.05N/mm2

最大彎曲拉應力：208.205N/m2

最大剪切應力：122.768N/mm2

相當應力（第四強度理論）：

=296.411N/mm2

依據材料特性指標，允許抗彎應力的限值：=215N/mm2

允許抗剪應力的限值拭=125N/m2

單軸拉伸時的許用拉應力：f=215N/mm2

結果表明：在有限計算中，相當應力（第四強度理）=296.411N/mm2≥f=215N/mm2

立柱強度不能滿足GB50009-2001，GB50017-2003規范要求。所以需對原設計立柱槽鋼進行調整。

2）本工程橫梁采用50mm×4mm厚等邊角鋼，承載面板計算高度660mm，計算算跨度1200mm。計算簡圖如圖2。

a.荷載組合撓度計算：

石材傳遞重力荷載標準值（豎直方向）：=2800×9.8×0.028×0.66×1.06/2=269N

石材傳遞水平風荷載標準值（水平方向）：=2.2×0.6×1.06/2=700N

b.通過建立有限（ANSYS）模型，其計算結果：水平方向最大位移：3.962mm；豎直方向最大位移：0.81mm；總體最大位移：4.045mm。

c.依據允許撓度（JGJ133-2001：5.6.5）；

鋼型材，=L/300mm，橫梁（跨度1200mm）；=1200/300=4.0mm。

≈

d.荷載組合強度計算：石材傳遞重力荷載設計值：P=1.2×269=323N

石材傳遞水平荷載設計值：P-=3.45×0.66×1.06/2=1.207KN/m2=1207N

e.通過有限（ANSYS）模型，其計算結果：最大彎曲壓應力：-176.16N/mm2；最大彎曲拉應力：100.12N/mm2；最大剪切應力：34.023N/mm2。依據材料特性指標，允許抗彎應力限值：=215N/mm2。允許抗剪應力限值=125N/mm2.

單軸拉伸時的許用拉應力：f=215N/mm2。相當應力（第四強度理論）=176.161N/mm2≤f=215N/mm2。

上式結果表明：在有限計算中，當橫梁的相當應力（第四強度理論）強度基本滿足規范要求的前提下，而橫梁的撓度驗算與GB50017-2003規范要求有偏差時，為安全起見，有必要對原模梁設計方案進行調整。

4結語

1）通過對該項目石材幕墻深化設計分析及設計過程中的思考與探索，設計人員雖對上述方案進行了整改，但此事表明作為項目的有關各方，加強對幕墻設計圖紙、計算書等的認真審核，既是對幕墻設計施工公司保證按規范設計，又是保證主體工程安全的重要措施和必要手段。

2）由干石材幕墻在高層建筑中的防火性能較差，因而在幕墻設計中必須加強防火、防雷設計意識，嚴格執行相關令業設計“規范”中的有關條款。

其設計方案必須經過原設計單位及相關人員的審查，必要時組織令家論證。要嚴格執行“規范”中有關撓度取值的標準和適用范圍，不能混淆。當石材幕墻構架的立柱與橫梁在風荷載標準值作用下，對鋼型材的相對撓度取值不應大于L/300，絕對撓度不應大于15mm。而不能采用玻璃幕墻對鋼龍骨撓度要求的L/250。

3）當按風荷載或錨固力計算石板厚度和框架主次龍骨時，我們必須用安全系數來補償強度的不均勻。要依據GB50009-2001《建筑結構荷載規范》參照JGJ133-2001《金屬與石材幕墻工程技術規范》，在幕墻設計風荷載和荷載組合時，應全面考慮風力在建筑物表面分布的不均衡性。既要考慮墻面風荷載，又要考慮墻角風荷載；既要考慮建筑物的高度，更要考慮建筑物外形凹凸的不規則性；既要考慮正常使用極限狀態，還要考慮承載能力極限狀態。在龍骨設計方案的選取上，應采用較為不利的荷載極限狀態進行計算和審核。

4）由干石材幕墻的干掛方式不同，通常在選擇時必須全面考慮，既要牢固穩定、安全性高，又要降低成本。當石材的干掛方式確定后，除要對石材進行計算，包括掛板板塊自身的抗彎計算和掛板與掛件銷釘連接處的抗剪計算外，有時還應計算石材的熱裂應力。對有些特殊的石材，由于其獨特的紋理特性而使其在沿板長及板高方向的應力強度，具有非常明顯的差異。在此，通過簡化計算方法或有限程序計算法分別對兩個不同的強度方向進行計算。

5）石材幕墻深化設計中，既要滿足建筑美學的要求，又要與現場的實際情況相吻合。設計出的成果必須要具體、全面、真實反映該工程總體情況并滿足石材幕墻的安裝、加工等施工應用技術規程和條件。總之，只要全面加深對相關規程規范的理解并認真執行，才能使設計出的產品更加完美、安全。