建筑幕墙构件的力学性能分析

赵敬义，卢启财，向 宇

(1.济南历下控股集团有限公司，山东济南 250000；2.中国建筑西南设计研究院有限公司，四川成都 610042)

建筑幕墙作为建筑外围护结构和装饰结构，将抗风、防水、保温、隔热等使用功能与建筑装饰功能融合为一体，深受业主、建筑师的青睐[1]。随着国民经济的持续快速发展和城市化进程的加快，建筑技术飞速进步。各种先进的生产工艺、加工工艺不断迭代，各种新型材料不停涌现，使得建筑幕墙的应用更加广泛。

长期以来，幕墙工程常与一般建筑装饰工程一概而论，在设计、施工和验收过程中对幕墙的构造和力学性能不够重视。幕墙在实际使用过程中，承受着自身结构自重、风荷载、地震作用、温度变化等，正确评估和计算幕墙承受的作用和作用组合、准确分析各种作用和作用组合下的幕墙结构效应非常重要。随着建筑幕墙应用范围的不断扩大，幕墙构造向着大空间、大跨度方向发展，幕墙力学计算模型越来越复杂，忽视幕墙构造和力学性能会导致严重的问题。这些问题有的影响建筑效果、使用功能，例如玻璃平整度不够、幕墙局部渗漏[2]；有的还可能造成安全事故，例如玻璃破碎、窗扇脱落。

本文通过对建筑幕墙面板、支承结构体系及连接构件力学计算模型的分析，为正确进行幕墙的设计、施工提供参考。

1 面板

幕墙的面板直接承受重力荷载、风荷载和地震作用，在垂直于玻璃平面的风荷载和地震作用下，面板截面最大应力可按照考虑几何非线性的有限元方法计算，也可通过规范所列公式进行计算。矩形板常采用四边支承、对边支承或多点支承的连接形式[3]。设置合理的支承形式，可以提高面板的承载力和变形能力，减小设计厚度，降低幕墙自重。例如一块宽1.5 m，高5.0 m的点支承式玻璃，采用八点支承连接形式，不仅保证了通透简洁的建筑效果，同时也将玻璃的厚度和自重控制在了可实施的范围内(图1)。

图1 八点支承玻璃计算简图

相反，过大的幕墙分格尺寸则会增大幕墙面板厚度、增加面板连接的复杂程度。从而影响面板的加工、运输和安装。因此，在确定幕墙分格大小时，需要综合考虑建筑效果和面板受力的合理性，采用经济合理、安全可行的分格尺寸，降低成本、提升幕墙连接的可靠性。

2 立柱

由于幕墙体系可相对主体结构有一定位移能力且不分担主体结构所受作用，因此作为幕墙主要受力构件的立柱，不仅需要保证在荷载、地震和温度作用下有足够的承载力，同时要求其支承条件有一定的变形能力以适应主体结构的位移。

立柱通过螺栓与转接件和主体结构连接，可以简化为一端为固定铰支座、另一端为滑动铰支座的简支梁力学模型(图2)。幕墙立柱一般采用截面较小的铝合金型材和钢型材，在偏心受压时容易失稳，设计中宜将立柱上端设置为固定支座，下端通过长条孔或芯筒设置为滑动支座，以保证立柱在自重作用下为受拉构件[4]。根据简支梁在均布荷载下的挠度计算公式，简支梁的最大挠度与梁跨度的四次方成正比。

其中：l为建筑层高。

随着层高l增加，需要采用大截面尺寸的型材或桁架作为幕墙龙骨来保证计算挠度满足设计要求，但这种大型材或大桁架会影响建筑立面效果和建筑的使用空间。

为减小幕墙立柱的挠度，可采用双跨连续梁计算模型(图3)。对比跨度相同的简支梁和双跨梁模型，立柱计算挠度显著减小。但双跨梁中第三支点的加入，使立柱最大剪力和最大弯矩增大，支点反力也会增大，在设计中应引起重视。此外，采用双跨梁模型，短跨的长度不应小于总跨度的1/10，因此当主体结构梁高较小时应谨慎采用双跨梁模型。

图2 简支梁计算模型

图3 双跨梁计算模型

当建筑上下层有进出关系时，幕墙布置在上下两层的楼板之间，幕墙立柱为上顶下座构造(图4)，结构楼板将承受一层幕墙的自重和水平荷载，如果楼板的受力不能满足要求，可增加结构次梁或钢梁为幕墙提供连接。建筑出屋面的部分设置幕墙遮挡屋面设备时，超出屋面部分的幕墙立柱为悬臂梁计算模型，其强度和刚度都不易控制。若幕墙悬挑尺寸较大，还需复核女儿墙或屋面楼板承载力能否满足要求。一般来说，女儿墙压顶很难承受悬挑幕墙的反力，建议将砖砌的女儿墙改为结构反梁。为避免出现大悬挑立柱，可增加主体结构花架梁或为幕墙设置斜撑或钢桁架(图5)。

图4 上顶下坐构造

图5 出屋面斜撑构造

3 连接构件

幕墙的面板与立柱横梁之间、立柱与主体结构之间通过连接构件连接并传递荷载。

3.1 隐框玻璃幕墙硅酮结构胶

隐框玻璃幕墙的玻璃通过结构胶与副框连接，确定硅酮结构胶的宽度和厚度在隐框玻璃幕墙设计中尤为关键。硅酮结构胶胶体的宽度和长度主要用作抵抗玻璃面板传递来的平面外风荷载、地震作用和重力荷载；胶体的厚度主要用来消化主体结构层间变形对隐框玻璃幕墙的不利影响。

中国建筑工程行业标准JGJ 102-2003《玻璃幕墙工程技术规范》中规定，硅酮结构密封胶的粘接厚度ts(图6)应符合下式的要求。

1.玻璃；2.垫条；3.硅酮结构密封胶；4.铝合金框图6 硅酮结构密封胶粘接厚度示意

其中：ts为硅酮结构密封胶的粘接厚度(mm)；us为玻璃幕墙的相对于铝合金框的位移(mm)，由主体结构侧移产生的相对位移可按us=θhg计算，必要时还应考虑温度变化产生的相对位移；θ为风荷载标准值作用下主体结构的楼层弹性层间位移角限值(rad)；hg为玻璃面板高度(mm)，取其边长a或b；δ为硅酮结构密封胶的变位承受能力，取对应于其受拉应力为0.14N/mm2时的伸长率。

根据以上公式可以看出，在选择相同硅酮结构密封胶的情况下，胶体厚度主要受玻璃面板高度hg和主体结构形式的影响。刘军进等人[5]对硅酮结构密封胶粘接厚度的设计方法进行了系统研究。

3.2 幕墙与主体结构的连接

立柱通过转接件与主体结构连接，转接件悬臂端承受幕墙的自重荷载和水平荷载(图7)。转接件的长度越短，其根部承受的弯矩就越小，对于转接件和埋件就越安全。设计中应在保证幕墙构造厚度要求的情况下，尽量减小幕墙与主体结构之间的间距。悬挑较长的转接件应增加斜撑(图8)。

图7 连接件受力示意

4 埋件

幕墙埋件按形式时序可分为预埋件和后补埋件，无论预埋件还是后补埋件，应能够承受幕墙传递来的剪力、压力、弯矩的共同作用。连接件与主题结构的锚固承载力设计值应大于连接件本身的承载力设计值。埋件与建筑主体结构连接的可靠性和耐久性将直接影响幕墙结构的安全与使用寿命。

4.1 平板预埋件

平板预埋件的构造要求：受力直锚筋不小于4根且不宜多于4层；锚筋直径不小于8 mm且不宜大于25 mm。为了保证焊接转接件方便，锚板的尺寸不宜太小，通常采用200X250X8锚板(图9)，锚筋采用4根φ12HRB400钢筋。由于锚筋距离构件边缘的距离不应小于6倍锚筋直径(6×12=72 mm)，因此需要埋置预埋件的梁宽不应小于250 mm，压顶过梁也应该满足这个尺寸要求。

图9 平板预埋件

4.2 槽式预埋件

槽式预埋件由特殊形状槽钢和锚筋组成[6](图10)。金属槽可由钢板折弯、铸件、锻件制成。锚筋通过焊接或铆接形式同槽钢连接。相比于平板预埋件，槽式预埋件加工工艺简单，质量检验方便，体积小施工方便。但承载力略逊与平板埋件，不适用与大跨度和大悬挑的幕墙。

图10 槽式预埋件

4.3 后补埋件

当没有条件采用预埋件连接时，可采用后补埋件。后补埋件采用扩底型机械锚栓或化学锚栓与主体结构连接。但由于后补埋件的安装质量受现场施工条件和人员水平的影响非常大，后补埋件承载力和构造尺寸经常达不到设计要求，所以在设计阶段和施工配合阶段，应该尽量保证幕墙对主体结构反力较大的部位采用预埋件。

5 雨篷

根据受力形式的不同，雨篷常分为悬挑雨篷(图11)、拉杆雨篷(图12)。

图11 悬挑雨蓬

图12 拉杆雨蓬

5.1 悬挑雨篷

悬挑雨篷的主受力杆件为悬臂梁，杆件根部有较大的竖向剪力和弯矩，雨蓬杆件应与主体结构可靠连接。为了满足根部的刚接条件，悬挑雨篷的根部焊缝是需要重点计算复核的地方，当根部弯矩较大时，也可以通过增加加劲肋保证雨篷杆件根部的强度，并应尽量避免使用后补埋件。但在工程实践中，常会遇到雨篷不在结构梁标高的位置的情况，如此雨蓬杆件只能连接在幕墙立柱上，由于立柱变形和雨篷龙骨变形的叠加，会使得雨篷的挠度很大，在设计中应尽量减小雨篷悬挑尺寸并加大幕墙立柱和雨篷龙骨来保证雨篷的变形满足要求。

5.2 拉杆雨蓬

当雨篷尺寸过大，主体结构可能无法承受其产生的根端弯矩。可以采用拉杆雨篷。通过拉杆，雨蓬主龙骨由悬挑构件变为简支构件，雨蓬根端弯矩被转化成杆件的轴力，对埋件和主体结构的受力都更加有利。根据GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》8.3.3第2条，雨篷等突出构件，局部体形系数取-2.0。因此，雨蓬的负风压一般较大，当雨篷自重不足以平衡负风作用时，雨篷将会受到竖直向上的合力作用，在设计拉杆雨篷时应注意拉杆的受压稳定。

6 结束语

本文分析了建筑幕墙主要构件的受力性能和计算模型，给出了幕墙主要构件计算的适用公式和设计步骤，列出了在幕墙设计和施工中经常被忽视的力学和构造问题并提出了解决思路，适用于工程中各种幕墙的结构分析和计算。