康定之珠文化旅游產(chǎn)業(yè)園建筑幕墻設(shè)計(jì)淺析

摘? ? 要：本文主要針對(duì)康定之珠文化旅游產(chǎn)業(yè)園幕墻設(shè)計(jì)進(jìn)行介紹，并對(duì)該工程中的石材幕墻超限情況、超限設(shè)計(jì)方案及其在設(shè)計(jì)方面的措施做了介紹。

關(guān)鍵詞：石材幕墻;設(shè)計(jì)計(jì)算;超限設(shè)計(jì)

1? 工程概況

康定之珠文化旅游產(chǎn)業(yè)園位于甘孜州康定市榆林新區(qū)，距離康定市中心1.5km，距離甘孜藏族自治州政府4.3km。

其中計(jì)容建筑面積115264m2（其中地上99001m2，地下16263m2），不計(jì)容建筑面積54390m2。主要功能包括文化旅游步行街、文化主題酒店、文化創(chuàng)意孵化中心、干部樓、酒店式公寓、文化體驗(yàn)中心以及民俗文化展覽館。

飾墻石材幕墻面積約12200m2;其完成最大高度約16.3m。

本工程抗震設(shè)防烈度為9度。

根據(jù)JGJ 133—2001《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》中總則第1.0.2條規(guī)定，本規(guī)范適用于“建筑高度不大于100m、設(shè)防烈度不大于8 度的民用建筑石材幕墻工程”。

本工程的石材幕墻超過(guò)了規(guī)范規(guī)定的抗震設(shè)防烈度的限值，需進(jìn)行超限的專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

2? 超限幕墻采用面材可行性分析

2.1? 石材面材可行性分析

石材廣泛地應(yīng)用于幕墻領(lǐng)域，在外立面設(shè)計(jì)中，石材應(yīng)用相當(dāng)廣泛;對(duì)于自石材幕墻有規(guī)可依以來(lái)，國(guó)內(nèi)外有大量經(jīng)典的成熟案例;相對(duì)于其他類型面材，具有以下特點(diǎn)。

（1）天然材質(zhì)、光亮晶瑩、堅(jiān)硬、典雅;（2）干掛安全可靠度較高，不容易墜落;（3）經(jīng)表面處理后，耐久性和耐腐蝕性更強(qiáng);（4）石材在潮濕狀態(tài)下，能抵抗凍融而不發(fā)生顯著破壞，耐凍性好;（5）施工工藝成熟，安裝施工快捷;（6）造型能力強(qiáng)，可適用于實(shí)現(xiàn)各類造型。

缺點(diǎn)：天然材料存在色差，屬于不可再生資源。

3? 幕墻設(shè)計(jì)方案

3.1? 設(shè)計(jì)定案

（1）石材厚度按照J(rèn)GJ 133—2001《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》要求的上限厚度取值 ，即采用30mm基板;背部粘貼玻璃纖維布，防破碎下墜，提高面材的安全性;（2）石材面板計(jì)算時(shí)的總安全系數(shù)K=3.5;在進(jìn)行石材幕墻荷載計(jì)算時(shí)，考慮提高系數(shù)1.1;（3）石材龍骨之間連接采用螺栓連接，提高抗震性能;石材幕墻系統(tǒng)采用背栓構(gòu)造，提高抗震性能;（4）結(jié)合建筑立面裝飾風(fēng)格的需要，采用小規(guī)格，小板塊石材（單個(gè)板塊最大分格不超過(guò)（600mm×565mm），減少單個(gè)板塊的荷載作用;（5）石材橫豎框、連接件與主龍骨采用彈性連接并預(yù)留不小于4mm的間隙;增大石材膠縫，由常規(guī)6mm～8mm調(diào)整為10mm。

3.2? 設(shè)計(jì)構(gòu)造做法

（1）本工程中石材幕墻位于整個(gè)建筑的外立面;石材幕墻位于整個(gè)建筑外立面，最不利位于標(biāo)高16.3m處，石材板規(guī)格為600mm（寬）×515（高）;（2）石材幕墻的系統(tǒng)組成：面材采用30mm花崗巖石材，其彎曲強(qiáng)度不應(yīng)小于8.0MP石材吸水率應(yīng)小于0.8%。背襯玻纖網(wǎng)格布;立柱采用□150[×]75[×]5mmQ235B方鋼管;橫梁采用L63[×]5mmQ235B角鋼;橫豎框連接角碼采用L50×5mmQ235B角鋼;所有構(gòu)件均熱浸鍍鋅處理;橫豎框間預(yù)留10mm間隙，連接方式采用：“螺栓+長(zhǎng)條孔”方式連接;石材板塊間預(yù)留10mm間隙，間隙采用石材專用耐候密封膠密封以滿足極端工況下的位移需要;石材采用小單元背栓形式，并在板塊一端加設(shè)必要的限位構(gòu)件，以滿足石材位移時(shí)同側(cè)移動(dòng)的需要。其典型節(jié)點(diǎn)如圖1所示。

3.3? 設(shè)計(jì)計(jì)算

為保證結(jié)構(gòu)的可靠性，我們計(jì)算如下：

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值 Wk據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》：

Wk=W0×μs1×μz×βgz

式中：

W0——基本風(fēng)壓，康定市50年設(shè)計(jì)周期取為：0.35kN/m2;

μs1——局部風(fēng)壓體形系數(shù)，構(gòu)件位于邊角位置，取：-1.4;

Μz——風(fēng)壓高度系數(shù)，康定市B類地區(qū)19.800m標(biāo)高，取為：1.227;

Βgz——陣風(fēng)系數(shù)，康定市B類地區(qū)19.800m標(biāo)高，取為：1.632。

3.3.1? 石材面材設(shè)計(jì)計(jì)算

①模型說(shuō)明。

②以幕墻板塊為計(jì)算對(duì)象在建筑中所處的位置，我們選取最不利的面材進(jìn)行計(jì)算。面材采用四點(diǎn)支撐的支撐形式。

面材最大分格尺寸為0.6m（長(zhǎng)邊Ba）×0.515（短邊Bb）m。

因此其最大跨度為0.35（長(zhǎng)跨La）×0.315 （短跨Lb）m。

面材采用30.0 mm花崗巖石材。該面材位于建筑物的邊角區(qū)域。此處面材主要承受作用于面板上的重力荷載、風(fēng)荷載和地震荷載。

①荷載工況組合。

②據(jù)JGJ 133—2001《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》

面板所受荷載為：

工況1：γ0×（1.2×重力荷載+1.4×風(fēng)荷載+1.3×0.6×地震荷載）

工況2：γ0×（1.2×重力荷載+1.3×地震荷載+1.4×0.2×風(fēng)荷載）

γ0——重要性系數(shù)，取1.1。

面材按照四點(diǎn)支撐（背栓結(jié)構(gòu)），承受法向面荷載建立模型。采用ANSYS有限元軟件，按照SHELL63單元進(jìn)行計(jì)算。

③計(jì)算結(jié)論：工況 1為強(qiáng)度計(jì)算時(shí)最不利工況，在面材強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，采用工況 1 中的面荷載加載到面材上進(jìn)行計(jì)算，其應(yīng)力云圖如圖2所示。

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，面材的最大應(yīng)力：

σ=0.423 N/mm2 [<]fg=3.2N/mm2

3.3.2? 橫梁設(shè)計(jì)計(jì)算

①模型說(shuō)明：選取最不利位置石材幕墻的支持橫梁作為計(jì)算對(duì)象。

根據(jù)幕墻分割為計(jì)算對(duì)象在建筑中所處的位置，我們選取了最不利的結(jié)構(gòu)位置進(jìn)行計(jì)算。此處橫梁選用鋼材，材質(zhì)為Q235B。橫梁通過(guò)托板和石材相連接，橫梁承受連接石材傳遞的荷載，橫梁的跨度為BL=1.200m，和石材分割等寬，石材分割為Ba×Bb=0.600×0.515m

②荷載工況組合：據(jù)JGJ 133—2001《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》。

工況1：γ0×（1.2×重力荷載+1.4×風(fēng)荷載+1.3×0.6×水平地震荷載）

工況2：γ0×（1.0×重力荷載+1.0×風(fēng)荷載+1.0×0.6×水平地震荷載）

工況3：γ0×（1.2×重力荷載+1.3×水平地震荷載+1.3×0.5×豎向地震荷載）

工況4：γ0×（1.0×重力荷載+1.0×水平地震荷載+1.0×0.5×豎向地震荷載）

工況5：γ0×（1.2×重力荷載+1.3×豎向地震荷載+1.3×0.5×水平地震荷載）

工況6：γ0×（1.0×重力荷載+1.0×豎向地震荷載+1.0×0.5×水平地震荷載）

γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù);在本工程中取1.1。

由上述工況組合的結(jié)果可知：

工況 1、3、5為強(qiáng)度計(jì)算時(shí)最不利工況，在立柱強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，采用工況 1、3、5 進(jìn)行計(jì)算。

工況 2、4、6為剛度計(jì)算時(shí)最不利工況，在立柱剛度計(jì)算時(shí)，采用工況 2 、4、6進(jìn)行計(jì)算。

按最不利荷載組合：

橫梁的強(qiáng)度應(yīng)力云圖，如圖3所示;剛度位移圖，如圖4所示。

③計(jì)算結(jié)論。橫梁在水平和豎直方向荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力為：

σ=81.879N/mm2[<]fy×0.85=215.0×0.85=182.75N/mm2

橫梁的剛度要求按照J(rèn)GJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》：

Def1=B×（1/300）=1.200×103/300=4.0mm

參考上述所有的剛度要求，橫梁的剛度限值為：

Dz=1.861[<]Def=4.0mm

豎向撓度按照GB/T 21086—2007《建筑幕墻》：

Dev1=B×（1/500）=1200.0/500=2.4mm

Dev2=3.0mm

Dev2=min（Dev1， Dev2）=2.4mm

參考上述所有的剛度要求，取最嚴(yán)格執(zhí)行，因此橫梁的剛度限值為：

Dv=1.555[<]Dev=2.4mm

3.3.3? 立柱設(shè)計(jì)計(jì)算

①模型說(shuō)明。根據(jù)幕墻分格及計(jì)算對(duì)象在建筑中所處的位置，我們選取了最不利層高（4.500m）立柱進(jìn)行計(jì)算。此處立柱選用鋼材，材質(zhì)為Q235B。立柱承受左側(cè)荷載分格寬度尺寸為Bl=1.200m;立柱承受右側(cè)荷載分格寬度尺寸為Br=1.200m。根據(jù)剖面圖立柱的計(jì)算跨度H=4.200m，采用單跨連接。豎向龍骨承受通過(guò)面材傳遞和產(chǎn)生的重力荷載、風(fēng)荷載和地震荷載。

法向荷載作用于豎向龍骨上可簡(jiǎn)化為等效集中荷載;而由面材及其連接附件產(chǎn)生的豎向荷載可簡(jiǎn)化為等效均布荷載作用于豎向龍骨上。

②荷載工況組合。其工況組合與橫梁一致，再此不現(xiàn)累述。按最不利荷載組合。

立柱的強(qiáng)度應(yīng)力云圖，如圖5所示;剛度位移圖，如圖6所示。

③計(jì)算結(jié)論。立柱在水平和豎直方向荷載作用下產(chǎn)生的應(yīng)力為：

σ=104.014 N/mm2[<]fy=215.0N/mm2

立柱的剛度要求按照J(rèn)GJ 133—2001 《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》。

Def=min[15.0mm，H×（1/300）]=min[15.0mm，4.2×103/300]=14.0mm

參考上述所有的剛度要求，取最嚴(yán)格執(zhí)行，因此立柱的剛度限值為：

ω=9.690[<]Def=14.0mm

設(shè)計(jì)結(jié)論：通過(guò)有效構(gòu)造，提高必要的安全裕量，本工程的設(shè)計(jì)完全滿足要求。

4? 超限石材板幕墻在構(gòu)造設(shè)計(jì)方面的其他加強(qiáng)措施

本工程中，最大石材板塊并不位于最不利的位置，為提高工程安全性，將最大分格尺寸考慮為位于最不利的位置，并且保證材料應(yīng)力與應(yīng)變有較大的富余度。保證了結(jié)構(gòu)的安全性;如最大板塊位于首層區(qū)域內(nèi)，石材幕墻完成標(biāo)高位于16.3m處;而設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)將最大板塊考慮為最高位置，計(jì)算高度取19.8m。

結(jié)構(gòu)驗(yàn)算時(shí)，荷載考慮擴(kuò)大1.1倍進(jìn)行取值驗(yàn)算，且不對(duì)風(fēng)荷載體形系數(shù)進(jìn)行折減。

超限的石材面板計(jì)算時(shí)的總安全系數(shù)取：K=3.5

設(shè)計(jì)中明確要求，采用工廠定制槽口板，嚴(yán)禁現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)槽、開(kāi)孔;基板進(jìn)行六面防水處理，防止雨水滲透使面材承載力降低。

5? 結(jié)論

幕墻設(shè)計(jì)的目的在于保證安全性的前提下，盡可能遵從原建筑方案，更好的體現(xiàn)建筑外立面效果，表達(dá)出建筑的設(shè)計(jì)理念。在本工程的設(shè)計(jì)過(guò)程中，我們主要從規(guī)范材料要求、提高計(jì)算參數(shù)和加強(qiáng)連接構(gòu)造三方面著手，采取了相應(yīng)的安全保障措施，并借助一些必要的計(jì)算軟件進(jìn)行精確分析。計(jì)算結(jié)果表明，對(duì)于超限部分的幕墻設(shè)計(jì)完全能滿足安全性的要求。這次實(shí)踐給我們帶來(lái)許多寶貴的經(jīng)驗(yàn)，為后續(xù)開(kāi)展類似工作提供了必要的幫助。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：

陳學(xué)鵬（1981—）性別：男，民族：漢族，職稱：工程師 學(xué)歷：大學(xué)本科，寫作方向：建筑幕墻設(shè)計(jì)。