建筑幕墻中抗震結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)解析

張文天 安徽省建筑設(shè)計(jì)研究總院股份有限公司

1 前言

在建筑幕墻設(shè)計(jì)的過程中，提升幕墻結(jié)構(gòu)的抗震設(shè)計(jì)水平，對提升幕墻結(jié)構(gòu)的安全性和穩(wěn)定性有積極作用。在實(shí)踐過程中，需要按照科學(xué)規(guī)劃原則進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，保證幕墻體系中抗震設(shè)計(jì)效果能夠體現(xiàn)出來，從而維護(hù)建筑幕墻體系的安全性。因此，對目前設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)內(nèi)容分析，探尋出有效的抗震設(shè)計(jì)手法意義重大。

2 現(xiàn)代建筑幕墻的主要特點(diǎn)

（1）幕墻結(jié)構(gòu)相比與其他建筑項(xiàng)目分項(xiàng)，其具備維護(hù)簡單、能源消耗少特征。

（2）幕墻結(jié)構(gòu)具備外觀輕盈通透，能夠減少結(jié)構(gòu)承重量，可以以多種構(gòu)造設(shè)計(jì)方式體現(xiàn)出結(jié)構(gòu)。

（3）在新工藝不斷發(fā)展的背景下，幕墻面板材料以及骨架的選擇具備多樣化。很多材料的可選參數(shù)均滿足節(jié)能設(shè)計(jì)要求。

由于存在多種優(yōu)勢，幕墻體系在大型商業(yè)廣場、建筑物等領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。而廣泛應(yīng)用的背后安全問題一直以來是該領(lǐng)域設(shè)計(jì)人員考慮的問題，在目前設(shè)計(jì)中采取何種有效的方式提升幕墻抗震性能，提升幕墻體系的安全穩(wěn)定系數(shù)尤為重要。

3 建筑幕墻設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)抗震的要求

通過抗震設(shè)計(jì)能夠切實(shí)的將幕墻結(jié)構(gòu)的抗震能力提升，滿足安全使用要求。因此，在該方面設(shè)計(jì)中要達(dá)到以下抗震設(shè)計(jì)要求。

3.1 安全要求

在幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段中安全一直以來是抗震設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。在操作極端當(dāng)獲取工程幕墻結(jié)構(gòu)參數(shù)后，將可行的抗震方案構(gòu)建，細(xì)部處理好抗震節(jié)點(diǎn)內(nèi)容提升幕墻的安全性意義重大。

因此，從安全性方面分析，針對選擇的構(gòu)件、材料等內(nèi)容，均需要驗(yàn)證各項(xiàng)材料的抗震能力，例如針對玻璃幕墻的密封性，要選擇具備密封性能力強(qiáng)的硅酮結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，該方式的應(yīng)用可以提升連接位置的結(jié)合能力，能夠強(qiáng)化幕墻構(gòu)件的抗震能力，在細(xì)節(jié)層面可以更好的給幕墻接頭提供保障，達(dá)到了安全的要求。

3.2 承載要求

承載力值大小直接影響到幕墻抗震能力，承載力達(dá)到設(shè)計(jì)要求時(shí)幕墻在處于地震作用下就能完好如初，若達(dá)不到承載力要求那么在地震作用下就會(huì)出現(xiàn)幕墻斷裂、墜落等情況。故而，在承載力設(shè)計(jì)上，要按照幕墻結(jié)構(gòu)抗震的要求，進(jìn)行組合驗(yàn)算做好幕墻構(gòu)件綜合性承載能力的評估，必要時(shí)對幕墻構(gòu)件的彈性變形情況進(jìn)行試驗(yàn)，以保證幕墻的承載能力滿足抗震設(shè)計(jì)要求。

3.3 抗震要求

在建筑幕墻體系設(shè)計(jì)的領(lǐng)域中，抗震要求屬于硬性要求，通過抗震設(shè)計(jì)方案的確定能夠保證幕墻在外界作用力不受影響。所以在具體設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需要全面性的分析抗震設(shè)防烈度的數(shù)值，并且處理好激振地震加速度值與抗震值的關(guān)系，而后在將科學(xué)、可行的抗震方案構(gòu)建出來。注意的是在抗震性能方面，還要保證幕墻有抗震變形的抗?fàn)幠芰p少地震出現(xiàn)異動(dòng)位產(chǎn)生的各種影響，具體參數(shù)見表1。

表1 抗震設(shè)防烈度與地震加速度值的對應(yīng)關(guān)系

4 建筑幕墻設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)抗震的設(shè)計(jì)

結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)是細(xì)致化的內(nèi)容，在建筑幕墻設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)過程中需要考慮到目前的建造造型以及形式同時(shí)對幕墻支撐結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，采取合理的抗?fàn)幨侄翁嵘w設(shè)計(jì)水平非常關(guān)鍵。

進(jìn)行標(biāo)貫試驗(yàn)8次，實(shí)測錘擊數(shù)N’=10.0～12.0擊，平均為10.7擊；經(jīng)桿長修正后N=8.8～10.5擊，平均為9.4擊；取樣11組，共6件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。建議其承載力特征值的經(jīng)驗(yàn)值為fak=130kPa。

4.1 合理選擇建筑造型和幕墻形式

就目前現(xiàn)狀而言，采用凹凸面、曲面以及大懸挑的構(gòu)造提升建筑設(shè)計(jì)效果是很多建筑師采用的手法。所以，在幕墻設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師可以按照建筑設(shè)計(jì)構(gòu)造方式對對幕墻的形式進(jìn)行選擇。這主要是這種構(gòu)造形式無論是在效果或是抗震能力上體現(xiàn)出來的結(jié)果是非常顯著的。需要注意的是無論選擇荷載幕墻形式，其都需要按照抗震原則的要求開展工作，同時(shí)更加重視平面規(guī)劃的要求，做好功能區(qū)的劃分，保證幕墻相鄰結(jié)構(gòu)的布置均勻，各項(xiàng)系數(shù)指標(biāo)滿足要求。

4.2 幕墻支承的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)幕墻做好設(shè)計(jì)溝通工作非常重要，幕墻設(shè)計(jì)師應(yīng)該與建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師進(jìn)行綜合溝通。在滿足建筑結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)的同時(shí)，幕墻設(shè)計(jì)師還需要充分考慮結(jié)構(gòu)體系中是否具備支撐能力支撐起幕墻體系能力。比如，針對大型跨度幕墻項(xiàng)目，在設(shè)計(jì)上要考慮到支點(diǎn)增加提升承載能力，但是結(jié)果中現(xiàn)有的混凝土框架僅僅作為支撐點(diǎn)，一些大雨棚難以尋找到結(jié)構(gòu)位置的支撐點(diǎn)，這就導(dǎo)致支撐點(diǎn)不足引起的振動(dòng)問題。同時(shí)在一些高抗震設(shè)防烈度強(qiáng)的區(qū)域，若沒有明確的項(xiàng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師提出要求，那么在幕墻設(shè)計(jì)時(shí)就會(huì)導(dǎo)致支撐結(jié)構(gòu)體系不足，出現(xiàn)的各種問題是的幕墻抗震效果下降，引發(fā)安全、質(zhì)量問題。

4.3 幕墻結(jié)構(gòu)框架和主體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

幕墻層間出現(xiàn)變形的情況會(huì)幕墻的整體性失效，引起這種問題的主要原因來自于板層之間位移變化出現(xiàn)的，由于位移產(chǎn)生是的幕墻結(jié)構(gòu)與連接位置上的功能受到破壞。所以在抗震設(shè)計(jì)過程中需要保證幕墻主框架的抗震性能與鋁合金的構(gòu)造承載能力滿足實(shí)際要求。在抗震設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，幕墻抗震能力指標(biāo)的選擇需要綜合考慮抗震強(qiáng)度情況選擇，常規(guī)選擇控制值是大于主體結(jié)構(gòu)彈性層的3 倍。在具體操作中還需要選擇不利位置作為基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行幕墻的四性檢驗(yàn)，試驗(yàn)中要保證幕墻平面變形結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)。幕墻平面變形能力其余結(jié)構(gòu)類型的關(guān)系密切，主要體現(xiàn)在框架、剪力墻結(jié)構(gòu)與框架結(jié)構(gòu)等范圍內(nèi)，所以按照結(jié)構(gòu)類型的具體情況，合理的選擇不同平面變形的幕墻，從而保證整體抗震能力得到加強(qiáng)。

4.4 連接部位構(gòu)造設(shè)計(jì)

連接部位設(shè)計(jì)是幕墻結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)中非常重要的一項(xiàng)內(nèi)容，在具體設(shè)計(jì)過程中要對以下內(nèi)容把握：

（1）針對立柱上下端的連接，選擇伸縮縫連接方式進(jìn)行，伸縮縫的活動(dòng)控制距離設(shè)計(jì)為15mm～20mm。在連接處理中，考慮立柱的穩(wěn)定性要使其與芯柱聯(lián)合到一起。

（2）橫梁和立柱之間的連接。該位置的連接選擇螺栓進(jìn)與角碼進(jìn)行，在恰當(dāng)位置處設(shè)置墊片，并且做好角碼厚度設(shè)計(jì)使其能承擔(dān)衡梁產(chǎn)生的剪力。

（3）針對于明框玻璃幕墻的間隙處理，需要在鋁合金框架位置處選擇具備彈性功能的材料填充處理，減少相互間的硬性接觸問題產(chǎn)生。

（5）設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)嚴(yán)格控制幕墻面板與鋼槽的距離，一般間隔距離≥8mm，且減少相互的剛性碰觸；對于全玻璃幕墻面＞4m的材料而言，需要選擇吊裝的方式使其掛在結(jié)構(gòu)中，不能選擇下端支撐的方式進(jìn)行。

（6）采用柔性墊片放置于玻璃孔與駁接頭以及點(diǎn)支承幕墻位置中。

（7）對于石材幕墻掛件的設(shè)計(jì)，需要考慮掛件的振動(dòng)性在設(shè)計(jì)上可采用防脫限制裝置實(shí)施該項(xiàng)功能。在設(shè)計(jì)上要選擇彈性膠填充到開槽位置，使其穩(wěn)定性得到提升。

（8）在幕墻變形節(jié)點(diǎn)處理的過程中，一般情況下面板材料選擇的是鋁合金材料進(jìn)行搭接，搭接中兩者并無實(shí)質(zhì)性的接觸都存在獨(dú)立面積。通過該搭接方式達(dá)到里面構(gòu)造體系的要求與防水性要求。所以在具體設(shè)計(jì)過程中，可以將橡膠風(fēng)琴板在面板結(jié)構(gòu)中設(shè)置，使其能夠和主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行位移。此外，在幕墻變形節(jié)點(diǎn)處理環(huán)節(jié)過程中還需要考慮幕墻整體的抗震性能系數(shù)是否滿足實(shí)際要求一般而言，在變形結(jié)構(gòu)件出來以提高幕墻抗震能力。

4.5 幕墻墻體抗震設(shè)計(jì)

對于幕墻抗震體系設(shè)計(jì)而言，在《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中有個(gè)明確的規(guī)定，即：“結(jié)構(gòu)體系的地震效應(yīng)與相關(guān)合作效應(yīng)是基本組合狀態(tài)的……所以在風(fēng)荷載系數(shù)確定上結(jié)構(gòu)取值參數(shù)一般為0.0，而在控制作用荷載系數(shù)確定上選擇0.2”因此，在幕墻行業(yè)領(lǐng)域中涌現(xiàn)出這種思路“在幕墻設(shè)計(jì)中處于風(fēng)荷載控制作用中，地震作用是不參與其中組合的”。

因此在抗震設(shè)計(jì)過程中，按照上述組合系數(shù)的要求取值0.2即可，此類設(shè)計(jì)手段顛覆了傳統(tǒng)幕墻設(shè)計(jì)荷載計(jì)算的取值方法，不利于提升幕墻的安全性性使得抗震設(shè)計(jì)效果下降。

在新規(guī)的《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》中，對于主題結(jié)構(gòu)的安全性非常關(guān)注，但是由于幕墻主主體結(jié)構(gòu)很大，在外界作用下會(huì)出現(xiàn)巨大的破壞。所以，在抗震設(shè)計(jì)過程中，需要將荷載組合的值提升，保證處于高度地震位置時(shí)能夠?qū)⒔Y(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性提高。并且針對于一些抗震設(shè)防在9°以上的區(qū)域，需要選擇烈度9°的數(shù)據(jù)要求進(jìn)行選擇，通過將風(fēng)荷載系數(shù)處理后，結(jié)合《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》的要求，組合值系數(shù)選擇0.6 進(jìn)行設(shè)計(jì)。另外，在幕墻墻體抗震設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，對墻體結(jié)構(gòu)柱的承載力進(jìn)行計(jì)算，推算出主體周邊的承載能力有利于提升抗震設(shè)計(jì)質(zhì)量。

5 建筑幕墻設(shè)計(jì)中結(jié)構(gòu)抗震的建議

注重抗震方案的實(shí)用性是結(jié)構(gòu)抗震過程中非常關(guān)鍵的一項(xiàng)內(nèi)容，所以在進(jìn)行設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，需要嚴(yán)格的按照目前體系的要求將針對性的結(jié)構(gòu)抗震方案制定出來，從而保證抗震設(shè)計(jì)要求能夠精確的應(yīng)用于建筑幕墻項(xiàng)目當(dāng)中。需要注意的是，在進(jìn)行相關(guān)抗震設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，還需要嚴(yán)格的按照建筑幕墻體系的設(shè)計(jì)原則，對目前的狀態(tài)分析之后，合理的采用抗震設(shè)計(jì)手法，以提高整體幕墻結(jié)構(gòu)的安全性與穩(wěn)定性。

6 結(jié)束語

在新時(shí)期背景下，我國建筑行業(yè)的發(fā)展不斷取得的進(jìn)步，正是由于我國建筑行業(yè)發(fā)展進(jìn)步，目前結(jié)構(gòu)的應(yīng)用范圍也越來越廣泛。所以在建筑幕墻設(shè)計(jì)過程中提升幕墻結(jié)構(gòu)在建筑項(xiàng)目中的安全性，采取有效的結(jié)構(gòu)抗震策略，提高建筑幕墻的設(shè)計(jì)水平是非常關(guān)鍵的一項(xiàng)內(nèi)容。所以在以上分析中對結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計(jì)的要點(diǎn)進(jìn)行分析，總結(jié)出建筑幕墻設(shè)計(jì)的抗震思路，對促進(jìn)項(xiàng)目的開展意義重大。