双层玻璃幕墙荷载效应分析

管 继 纲

(中车置业(太原)有限公司，山西 太原　030002)



双层玻璃幕墙荷载效应分析

管 继 纲

(中车置业(太原)有限公司，山西 太原030002)

介绍了双层玻璃幕墙的类型，分析了双层玻璃幕墙内、外层玻璃所受风荷载的效应，阐述了双层玻璃幕墙的荷载计算方法，指出双层玻璃幕墙具有良好的隔热、隔声、通风性能。

双层玻璃幕墙，风荷载，风压，抗震计算

0　引言

随着科技的发展，玻璃幕墙在建筑中的应用也逐渐增多，尤其是既有建筑进行玻璃幕墙改造的工程案例越来越多。新建建筑在进行安装玻璃幕墙前均进行了相应荷载效应计算，而既有建筑在进行玻璃幕墙改造时较少对玻璃幕墙的荷载效应进行分析。由于受篇幅限制，本文仅对双层玻璃幕墙的荷载效应进行分析。

1　双层玻璃幕墙概况

双层玻璃幕墙由于具有较好的通风性能、节能效果、热通道效果，因此在玻璃幕墙实际应用中双层玻璃幕墙使用量最广。双层玻璃幕墙是由内外两层立面玻璃构造而成，内外玻璃构造间存在一定距离的间隙，形成一个室内外空气缓冲层，从而使得双层玻璃幕墙具有良好的隔热、隔声效果。双层玻璃幕墙的外层玻璃构造层由明框、隐框、点支式或可开启式扇窗连接而成；内层玻璃构造层由明框、隐框、可开启式扇窗或检修通道的门窗连接而成。

2　双层玻璃幕墙的分类

2.1外循环玻璃幕墙

外循环玻璃幕墙是玻璃幕墙外部玻璃上下部设置进风口，在其上部设置排风口，而内层玻璃采用中空型玻璃，并且内层玻璃可设置成开启的门或窗。外循环玻璃幕墙完全不需要机械设备进行操控，采用自然通风和太阳辐射原理将下部风通过上排风口排到幕墙外，采用自然通风和太阳能辐射可降低能源消耗和机械维修费用。采用这种外循环玻璃幕墙可起到冬暖夏凉的作用，具体构造见图1。

2.2内循环玻璃幕墙

1)内循环玻璃幕墙的最外层玻璃采用中空玻璃，并且中空玻璃采用绝热材料，内部形成封闭空间。而内循环玻璃幕墙内层玻璃制作成可开启式门窗。整个玻璃幕墙采用机械式通风，空气从下部进风口进入幕墙夹层中，从上部排风口排出，从而保证幕墙内空气流动。

图1　外循环玻璃幕墙构造图

2)采用内循环式玻璃幕墙时进入室内的空气为进风口进入室内，因此进入的空气温度应和室内温度一致，可在进风口处安装加热或制冷设备对进风口空气进行调温。由于内循环玻璃幕墙需要采用机械设备进行调温、遮阳、机械百叶窗等机械设施，因此建造成本和使用成本都将增加，并且需要较高的技术要求。

2.3综合式内外循环玻璃幕墙

综合式内外循环玻璃幕墙具有内循环和外循环两种玻璃幕墙的特点，可以适应外部天气变化和温度调整，具有较高的适用性。采用综合式内外循环玻璃幕墙可兼顾冬夏季节的交替，减少对能源和机械设施的依赖性，具有明显的节能效果。

综合式内外循环玻璃幕墙的通道一般只作为风道进行使用，通道宽度一般为100 mm～300 mm，如幕墙有清洗和维修要求时通道宽度一般为500 mm～900 mm。

3　双层玻璃幕墙的特点

双层玻璃幕墙的主要特点是具有较好的保温隔热效果，并且具有合理的采光设施，可根据用户的需求对光线进行调节，同时具有优越的降噪效果，为使用者提供舒适的工作和生活环境，但是采用双层玻璃幕墙也具有一些缺点，如：1)采用双层玻璃幕墙的工程造价是单层玻璃幕墙的2倍；2)夏季阳光强烈时玻璃幕墙夹层内温度过高，并且当夹层内空间较小、外层玻璃遮阳效果较差时夹层内温度往往高于室外温度，并且由于双层玻璃幕墙的外层玻璃无法打开，不能实现自然通风，最终导致室内温度过高；3)采用双层玻璃幕墙时清扫难度和费用也高于单层玻璃幕墙。

4　双层玻璃幕墙的风荷载特征

相关研究表明，玻璃幕墙的设计风荷载对3 s风速进行设计。风在进风口进入玻璃幕墙夹层，由于进风口的阻力作用和进风口与排风口的距离差距使得出风口的风压也有较大差别，因此通常情况下3 s内风从进风口进入并不能从排风口排出，导致内层玻璃幕墙受到风压作用而受力，但是内层玻璃幕墙的风压是外层玻璃幕墙的70%～80%，背风时内层玻璃幕墙的吸力压力是外层玻璃的60%～70%。大量试验表明，通过对玻璃幕墙内风洞进行采样分析得到，当试验时间为15 s时外层玻璃幕墙的内侧玻璃所受风压和内层玻璃幕墙的外侧玻璃一致。若将双层玻璃幕墙外部的通风口都开启时，内层玻璃所受风压和通风口关闭情况下外层玻璃的风压荷载基本一致，因此若对内层玻璃幕墙的外侧玻璃进行风荷载设计时还应进行吸力作用下的风荷载试验，最后通过分析处理进行设计。

4.1风荷载标准值

对玻璃幕墙进行风荷载设计时根据下式进行计算：

Wk=βgzμsμzWo。

其中，Wk为风荷载标准值，N/m2；βgz为标高z处的阵风系数；μs为体型系数；μz为风荷载沿建筑高度变化系数；Wo为基本风压，N/m2。

1)风荷载的基本风压应以空旷地面10 m以上位置统计近50年平均最大风速为风压值。2)风荷载沿建筑高度变化系数是指风速随着高度的增加而增加，当气压场不变时风速随着高度的不同而变化主要取决于地面的粗糙度和温度影响。通常300 m～500 m高空的风速不随地面的粗糙度而发生变化，此高度为梯度风高度。3)体型系数是建筑物表面风作用下的实际压力与来流风压力比值，表明建筑物表面的分压力分布规律，体型系数主要和建筑物的高度、宽度和周围地面粗糙度有关。

4.2双层玻璃幕墙风压取值

由于风速的时间变化，并且风速随着空间的不同也产生变化，同时根据相关研究表明风压由动态风压和静态风压组成。其中动态风压是由阵风产生，静态风压是由大规模的空气流动产生。双层玻璃幕墙的外层玻璃幕墙由于风脉冲而产生“防浪效应”，减小越过防波堤的脉冲。

其中防波堤可划分为两个子区域：Ω1和Ω2。两个子区域通过重叠带衔接。子区域中Ω1是由幕墙和墙体的近场组合而成，运动时由Reynolds方程控制，在近壁区的运动以壁面函数理论控制。并且由于防波堤产生的“防浪效应”使得外层风速减小，导致内外风压差别较大。

外层玻璃幕墙所承受的风荷载也是由动态和静态风压形成，而内层玻璃幕墙承受的风荷载是由静态风压形成，并且内层玻璃幕墙的静态风压和外层玻璃幕墙的静态风压相同，由于外层玻璃幕墙的“防浪效应”使得内层玻璃幕墙所受动荷载压力降低。

双层玻璃幕墙中的内侧玻璃幕墙与单层玻璃幕墙类似，都只有一个受风面，因此双层玻璃幕墙内侧玻璃幕墙的风压取值可参照单层玻璃幕墙。但是在实际使用中由于双层玻璃幕墙具有外侧玻璃幕墙因此内墙风压取值时又有别于单层玻璃幕墙，因此又不能完全采用单层玻璃幕墙的风压值应用到内侧玻璃幕墙。因为单层玻璃幕墙进行风压计算时通常需要考虑到结构体型系数、阵风荷载因子和阵风系数等，而内侧玻璃幕墙则不需考虑结构体型系数等因素。

我国现行规范对于阵风系数的判断有两种方式，一种为经验判断，采用平均时距为1 s～2 s的放大系数，另一种根据风压脉动系数进行计算。

双层玻璃幕墙和单层玻璃幕墙的区别在于双层玻璃幕墙的内外玻璃均受到风荷载效应，因此双层玻璃幕墙的风荷载情况较单层玻璃幕墙复杂的多，但是我国目前还没有相关规范对双层玻璃幕墙的风压取值进行规定，因此对双层玻璃幕墙的风荷载分布等进行研究具有重大意义。

5　双层玻璃幕墙荷载和作用要求

1)对玻璃幕墙进行设计时，可按照《建筑结构荷载规范》进行风荷载和其他荷载效应组合进行计算。

2)玻璃幕墙中使用的原材料可按《玻璃幕墙工程技术规范》进行确定。

3)双层玻璃幕墙的抗震计算应采用底部剪力法，垂直和平行于玻璃幕墙的地震力不用考虑。

6　结语

在对双层玻璃幕墙进行抗震计算和验算时，为保证玻璃幕墙的安全可靠性，进行设计时应考虑幕墙所受的各种荷载效应组合，提高玻璃幕墙的结构稳定性和安全可靠性。

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The load effect analysis of double deck glass curtain wall

Guan Jigang

(ChinaChariotRealEstate(Taiyuan)LimitedCompany,Taiyuan030002,China)

This paper introduced the types of double glass curtain wall, analyzed the wind load effect of inner and outer glass double glass curtain wall, elaborated the load calculation method of double glass curtain wall, pointed out that the double glass curtain wall had good heat insulation, sound insulation, ventilation performance.

double layer glass curtain wall, wind load, wind pressure, seismic calculation

1009-6825(2016)21-0048-02

2016-05-17

管继纲(1978- )，男，工程师，一级注册结构工程师

TU312.1

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