幕墻結構設計中若干問題的探討

劉嘉慧 何 鑫

(中信建筑設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430014)

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幕墻結構設計中若干問題的探討

劉嘉慧 何 鑫

(中信建筑設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430014)

結合工程實際，分析了幕墻結構設計中存在的一些不明確、易混淆的問題，從規范規定、概念設計、力學計算等方面進行了探討，找到了解決問題的方法思路，達到幕墻設計安全、經濟、適用的效果。

幕墻結構，風荷載效應，后補錨栓，錨固承載力

隨著我國社會主義市場經濟的不斷發展和城市化進程的快速推進，建筑幕墻因具有自重較輕、裝飾性強、性能優良、施工周期短、便于安裝施工等特點，在城市建筑設計中得到了廣泛的應用，并相繼建設完成了一批規模大、難度高、技術領先的幕墻工程。在幕墻結構設計中，一些看似簡單的問題，卻關系著整個幕墻體系的安全可靠性和經濟適用性。只有充分地理解、分析、解決這些問題，繼而進行合理的設計和應用，建筑幕墻才會產生預期的效果與效益。

1 風荷載效應的計算

對于常見的垂直玻璃幕墻和斜玻璃幕墻，在承載能力極限狀態和正常使用極限狀態計算中，風荷載一般在荷載組合中起到控制作用，因此風荷載效應的計算就顯得尤為重要。風荷載效應的計算，將直接影響到面板、橫梁、立柱乃至埋件的計算及選型。對于風荷載比較敏感的高層建筑(一般情況下，指房屋高度大于60 m的高層建筑)，主體結構承載力設計時應按基本風壓的1.1倍采用；而幕墻作為建筑外圍護結構，其重要性與主體結構相比要低些，可仍取50年重現期的基本風壓，不需按基本風壓的1.1倍采用，也不需采用100年重現期的基本風壓。對于重要的大型鐵路站房、會展建筑，也可適當提高幕墻設計的基本風壓以保證整個結構體系的安全度統一。《玻璃幕墻工程技術規范》規定，玻璃幕墻的風荷載標準值除按公式計算外，并且不應小于1 kN/m2。對于位于室內的受風荷載作用很小的幕墻，按風荷載標準值不小于1 kN/m2設計有時會顯得保守而造成不必要的浪費，此時如無特殊要求可按實際情況選用。

2 上、下立柱的連接

上、下立柱之間應留有不小于15 mm的縫隙，且應滿足立柱溫度變形以及安裝施工的需要，可按以下公式計算：

d=αΔtL+d1+d2。

其中，d為上、下立柱之間伸縮縫的計算值；α為立柱材料的線膨脹系數；Δt為溫度變化值；L為立柱跨度；d1為施工誤差，取3 mm；d2為考慮其他作用的預留量，取2 mm。

閉口鋁合金型材可采用長度不小于250 mm的芯柱連接，芯柱與立柱應緊密配合；用于鋼型材立柱連接的芯柱總長度不應小于400 mm，芯柱與立柱應緊密接觸，芯柱與下柱之間應采用不銹鋼螺栓固定。因型鋼規格固定，若挑選熱軋型鋼表中現有類型作為芯柱，則芯柱與立柱空隙較大無法有效傳遞剪力，此時芯柱需采用焊接型鋼才能保證兩者緊密接觸。在設計過程中，也可用型鋼或鋼板作為上、下立柱連接件，連接件與下立柱焊接或標準圓孔螺栓連接，連接件與上立柱長圓孔螺栓連接。

3 預埋件錨筋的錨固長度

《玻璃幕墻工程技術規范》C.0.5.3規定，當錨筋的拉應力設計值小于鋼筋抗拉強度設計值fy時，其錨固長度可適當減小，但不應小于15倍錨固鋼筋直徑。因錨筋的實際設計配筋量總大于計算值，一些設計人看到規范此條款，不假思索地把預埋件錨筋長度定為15d(d為錨固鋼筋直徑)，有時就會留下不安全的隱患。《建筑抗震設計規范》要求幕墻的預埋件、錨固件，應采取加強措施，以承受建筑非結構構件傳給主體結構的地震作用。為安全計，此時修正系數可取錨筋設計計算面積與實際配筋面積的比值。當設計配筋量略大于計算值時，修正系數可取1.0。若梁寬較小不能實現錨筋直錨，可將錨筋彎折錨入混凝土梁內。

4 后補錨栓的選用

幕墻立柱與主體混凝土結構應通過預埋件連接，預埋件應在主體結構混凝土施工時埋入，預埋件應定位準確。在設計施工過程中，預埋件多存在以下問題：1)施工進度較快，有些工程沒有及時進行預埋件埋設；2)預埋件埋設不牢靠，施工時鋼筋綁扎及混凝土澆搗造成預埋件位移、偏斜；3)后期因幕墻設計分格的改變，造成已留置的預埋件不能使用。因此，幕墻預埋件的設計和施工應引起足夠的重視，切實做到設計精準、施工準確，才能發揮預埋件造價成本低和安全可靠性高的優勢。

當土建施工中預埋件漏放、預埋件偏離設計位置太遠、設計變更、舊建筑加裝幕墻時，可采用后補錨栓，并通過試驗確定其承載力。后補錨栓分為化學錨栓和機械錨栓。其中，化學錨栓分為特殊倒錐形膠粘型錨栓(又稱為定型化學錨栓)和普通化學錨栓；機械錨栓，分為后擴底錨栓和膨脹錨栓。用于主體結構加固時，錨栓需選用特殊倒錐形膠粘型錨栓或后擴底錨栓,并采用開裂混凝土的假定；用于幕墻圍護結構時，參考《混凝土結構后錨固技術規程》，可選用普通化學錨栓或扭矩控制式膨脹錨栓,并采用開裂混凝土的假定。

由于混凝土構件多為帶裂縫工作狀態，在后補錨栓的產品報告中應已標明可用于開裂混凝土，同時在后補錨栓的設計時應采用開裂混凝土的假定。不宜在與化學錨栓接觸的連接件上進行焊接操作，當確實需要進行連續焊接作業時，應采取相應散熱措施，或采用耐熱化學錨栓。

后補滿栓的選用，尚應符合地方技術要求，如浙江省《建筑幕墻安全技術要求》規定：“建筑幕墻的后置埋件應當根據設計要求選用后切(擴)底機械錨栓和定型化學錨栓等性能可靠的錨栓，不得使用普通化學錨栓。當采用定型化學錨栓時，供應商應當提供化學錨栓的耐高溫測試報告”。

5 后補錨栓的計算

后補錨栓的計算，應遵循《混凝土結構加固設計規范》和《混凝土結構后錨固技術規程》的規定。但是前者明確給出了特殊倒錐形膠粘型錨栓和后擴底錨栓的承載力驗算公式；而后者給出了化學錨栓和機械錨栓的承載力驗算公式，可用于普通化學錨栓和膨脹錨栓的計算。

在設計中容易發現，通常是由基材混凝土抗剪承載力控制后補錨栓的數量和布置，可采用如下方法解決：1)增大錨栓平行于剪力方向的邊距；2)由遠離混凝土構件邊緣的錨栓承受剪力，而靠近混凝土構件邊緣的錨栓不承受剪力，為此可在錨板相應位置沿剪力方向開橢圓形孔(在靠近混凝土構件邊緣錨栓處)。

對特殊倒錐形膠粘型錨栓和后擴底錨栓的基材混凝土進行承載力驗算時，《混凝土結構加固設計規范》并沒有給出混凝土剪撬破壞、混凝土劈裂破壞及特殊倒錐形膠粘錨栓的組合破壞，此時應通過采取構造措施予以防止。可通過調整錨栓的邊距、間距及保證一定的基材厚度來避免此類破壞，不能既不驗算這些承載力破壞又不采取相應的構造措施，不可在錨栓排布中過度縮小邊距、間距或利用很薄的基材。設計人應首先根據構件的重要性程度、受力特點和混凝土基材狀況等，確定具體的加固設計方案，并不是簡單增加幾個后補錨栓就能解決所有問題。

6 錨固承載力的現場檢驗

錨固承載力的現場檢驗，應根據工程特點和后補錨栓類型，按照《建筑結構加固工程質量驗收規范》和《混凝土結構后錨固技術規程》提供的方法進行，并應注意兩本規范對荷載檢驗值取值的不同。對承重結構加固工程的錨固質量檢驗，必須按《建筑結構加固工程質量驗收規范》的規定執行。

現場檢驗分為非破損檢驗和破壞性檢驗。非破損檢驗的現場拉拔值，應由設計單位提供，檢測單位及其他單位均無權自行確定。非破損檢驗的荷載檢驗值，按《建筑結構加固工程質量驗收規范》，應取1.5Nt作為檢驗荷載；按《混凝土結構后錨固技術規程》，應取0.9fykAs和0.8NRk,*的較小值(NRk,*為非鋼材破壞承載力標準值)。

7 結語

選擇合理的結構方案，選用恰當的計算簡圖，正確分析計算結果，并采取相應的構造措施，是幕墻結構設計工作的必需。恰當正確地計算風荷載效應，選擇合適的埋件型式并進行計算排布和驗收檢驗，才可確保幕墻結構的安全與效益。

[1] JGJ 102—2003，玻璃幕墻工程技術規范[S].

[2] GB 50009—2012，建筑結構荷載規范[S].

[3] GB 50367—2013，混凝土結構加固設計規范[S].

[4] JGJ 145—2013，混凝土結構后錨固技術規程[S].

On some problems in curtain wall structural design

Liu Jiahui He Xin

(CITIC General Institute of Architectural Design and Research Co., Ltd, Wuhan 430014, China)

Combining with the engineering facts, the paper analyzes some indefinite and confusing problems in the curtain wall structural design, explores from the regulations, concept design, and dynamic calculation, and finds the methods for the solutions, so as to achieve the safe, economical and applicable effect of the curtain wall design.

curtain wall structure, wind loading effect， anchor bolt, anchor loading capacity

1009-6825(2016)12-0030-03

2016-02-16

劉嘉慧(1985- )，男，工程師，一級注冊結構工程師； 何 鑫(1983- )，男，工程師

TU318

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