幕墙设计中结构计算的实现和理解

吕静品 中建八局装饰设计研究院设计师

建筑幕墙作为一种新的独立的围护结构，有其自身的优势，同时也有一些问题需要建筑设计师们通过反复努力解决。本文从以下几个方面简要分析幕墙设计中结构计算的几点理解，通过对结果的分析、比较，以期达到更深层次的理解和应用。

一、计算模型选取（以立柱为例简要分析三种计算模型）

选取正确合理的计算模型，是幕墙设计成败的关键。以下以框支撑玻璃幕墙立柱为例进行分析。根据《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003 第6.3.6 条规定，幕墙立柱设计可分别按单跨梁、双跨梁或多跨铰接梁计算由风荷载或地震作用产生的弯矩，并按其支承条件计算轴向力。

1、采用单跨梁计算模型

采用单跨梁计算模型进行抗风压计算时对立柱进行简化，取简支梁计算简图。假定立柱是以连接件为支座的单跨梁。图1 为按单跨梁计算立柱的弯矩、剪力。

根据《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003 第6.3.7 条规定，承受轴力和弯矩作用的立柱，其承载力应符合下式要求：

N/An+M/γWn ≤f

单跨梁的跨中弯矩最大为0.13ql2，跨中剪力为零；而支座剪力最大为0.5ql，支座弯矩为零，即弯矩控制截面无剪力，而剪力控制截面无弯矩，因此只需分别按弯矩效应和剪力效应进行抗风压设计计算。

采用此种力学模型，立柱简化为支承在楼层上的简支梁，以层高作为计算跨度。这种简化基本反映了立柱受力情况，计算也相当简单，但从理论和现场实践经验来看，此种力学模型与实际受力情况有一定的差异。计算结果偏于安全，浪费材料，不够经济。因此单跨梁计算模型适用于初步选取立柱截面大小，和概算阶段的材料估量。

图2 双跨梁计算模型

2、采用双跨梁计算模型

每层楼板边梁位置设置两个支座，上端的第一支座设置为固定铰支座，紧邻的第二支座设置为滑动铰支座，假定第一支座与第二支座距离为0.125L 。立柱悬挂在主体结构之上，下端通过插芯与下层立柱相连，形成第三个支座。图2 为按双跨梁计算立柱的弯矩、剪力。

双跨梁的弯矩最大值为0.08ql2，而支座剪力最大值为0.73ql， 最大弯矩较之简支梁减小了约38.5%，最大剪力较之简支梁增加了46%左右。

通过对比，在其他条件相同的情况下，当立柱设计为拉弯构件时，可以明显看到双跨梁模型较之简支梁模型能够大幅度节省立柱的材料用量，但是会增加一套埋件和转接件的用量，因此并不是所有的幕墙立柱都可以选择双跨梁计算模型。根据理论分析和大多的实际工程经验，选择双跨梁计算模型应具备一下条件：

（1）幕墙的跨度较大，分格宽度较宽时采用；

（2）幕墙立柱的短跨跨度与总跨度的比值大于等于0.1 时采用。

因此在低层裙房中较多的采用双跨梁计算模型。

3、采用多跨铰接梁的计算模型

计算时取单支点多跨铰接梁（多跨静定梁）计算简图，实际上立柱结构是一段带悬挑的简支梁用铰连接成多跨梁。这种计算模型对比简支梁与实际情况更为接近。图3 为按多跨铰接梁计算立柱的弯矩、剪力。

每层楼板边梁位置设置一个支座，假定立柱距支座向上悬挑段长度为0.125L，用插芯与上层立柱相连，形成铰连接。此处立柱水平活动受到限制，而竖向可以自由伸缩，依次重复，形成多跨铰接连续静定梁。

多跨铰接梁的弯矩最大值为0.07ql2，而支座剪力最大值为0.50ql， 最大弯矩较之简支梁减小了约46.2%，与双跨梁相差不大，最大剪力与简支梁相差不大，与双跨梁相比，减少了31.5%左右。

图3 多跨铰接梁的计算模型

通过对比，在其他条件相同的情况下，当立柱设计为拉弯构件时，可以明显看到多跨铰接梁模型较之简支梁模型能够大幅度节省立柱的材料用量；较之双跨梁模型能减少一套埋件和转接件的用量，并且更符合实际受力情况，因此在一般的高层或超高层塔楼设计时可采用多跨铰接梁模型。

因此，应根据实际情况选取合理的受力模型，通过计算对比确定最终的方案。

二、荷载取值及荷载组合确定

荷载取值与组合是否正确合理是保障结构安全的根本，同时也是节省材料、节约成本的前提。

1、风荷载取值确定及计算

根据《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003 第5.3.2 条规定，玻璃幕墙的风荷载标准值应按下式计算，并且不应小于1.0KN/m2。

第5.3.3 条规定，玻璃幕墙的风荷载标准值可按风洞实验结果确定；玻璃幕墙高度大于200m 或体型、风荷载环境复杂时，宜进行风洞实验确定风荷载。

2、地震作用取值确定及计算

根据《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003 第5.3.4 条规定，垂直于玻璃幕墙平面的分布水平地震作用标准值可按下式计算：

第5.3.5 条：平行与玻璃幕墙平面的集中水平地震作用标准值可按下式计算：

第5.3.6 条：幕墙的支承结构以及连接件、锚固件所承受的地震作用标准值，应包括玻璃幕墙构件传来的地震作用标准值和其自身重力荷载标准值产生的地震作用标准值。

3、荷载组合效应确定

幕墙设计中考虑两种极限受力状态，按承载能力极限状态和正常使用极限状态分别进行荷载组合，并应取各自的最不利的组合进行设计。

根据《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003 第5.4.1 条规定，幕墙构件承载力极限状态设计时，其作用效应的组合应符合下列规定：

表1 5.3.4 水平地震影响系数最大值αmax

无地震作用效应组合时，应按下式进行：

有地震作用效应组合时，应按下式进行：

根据《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003 第5.4.4 条规定，幕墙构件挠度计算时，风荷载分项系数和永久荷载分项系数均应取1.0，且可不考虑作用效应的组合。

三、方案选用原则及不满足承载力要求时处理的方法

在工程设计中应根据实际工程的需要，做到安全适用、技术先进、经济合理。因此，应在结合实际工程的前提下，综合比对不同计算模型在最不利荷载组合作用下，选取材料用量少、施工方便、缩短工期、工厂加工、节省人工的方案。

在实际工程中，当选取了既定的某种模型时，最终结果不能满足承载能力极限状态或正常使用极限状态的要求，可以考虑从以下几个方面采取处理措施：①改变受力模型、②改变材质、③局部加强措施。

四、幕墙结构概念设计

目前有很多幕墙设计存在缺陷，主要原因就在于总体方案和构造措施上为采取正确的构思，即未进行概念设计。

幕墙概念设计一般指不经计算，尤其在一些难以作出精确理性分析或在规范中难以规定的问题中，依据幕墙整体结构体系与分体系之间的力学关系、结构破坏机理、和工程经验所获得的基本设计原则和设计思想，从整体的角度来确定幕墙结构的总体布置和细部构造措施的宏观控制。运用概念性近似估算方法，可以在幕墙设计的方案阶段迅速、有效地对结构体系进行构思、比较与选择，易于手算。所得结构方案往往概念清晰、定性正确，避免后期设计阶段一些不必要的繁琐运算，具有较好的安全可靠和经济合理性。同时，也是判断计算机内力分析输出数据正确与否的主要依据。

幕墙结构概念设计主要从以下四个方面入手：①合理选择结构方案②选用恰当的计算简图③正确分析计算结果④采取相应的构造措施

五、对幕墙设计的正确理解

在进行幕墙设计中，应严格遵守现行规范，合理设计，确保安全，因此对规范条文的正确理解就是幕墙设计的前提和基础。现就对规范中的部分条文进行分析，阐明自己曾经的疑惑和如何正确理解运用。

1、预埋件锚筋的锚固长度的理解

《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003附录C 中，对预埋件锚筋的长度做出规定，但是如果机械的按规范采用，会造成不必要的浪费，以下对规范进行简单的理解概述：

规范中规定：受拉直锚筋和弯折锚筋的锚固长度应符合下列要求：

当计算中充分利用锚筋的抗拉强度时，其锚筋长度应按下式计算：

la=α fy/ftd

抗震设计的幕墙，钢筋锚固长度应按本规范公式计算值的1.1 倍采用；

当锚筋的拉应力设计值小于钢筋抗拉强度设计值fy 时，其锚固长度可适当减小，但不应小于15 倍锚固直径。

曾经对此条规范的取值，存在很多疑惑：

（1）工程实际情况中，用于幕墙预埋件连接的混凝土结构梁中有很多截面尺寸宽度为200mm、250mm、300mm 的，这在理论中，即使按60%la 采用，仍不能满足要求。

（2）如果按锚筋的拉应力设计值小于钢筋抗拉强度设计值fy，取15 倍锚固直径，虽然能满足构造锚固尺寸，但是钢筋的锚固长度是否满足规范中计算所需的长度，心里没有多大把握；

（3）许多设计师采取在工程允许的情况下在15 倍锚筋直接的基础上再适当加大锚筋长度，凭借工程经验，但是仍然缺乏数据支持。

对规范的正确理解

式中“la=α fy/ftd”为充分利用钢筋的抗拉强度，在实际幕墙预埋件中 ，几乎没有达到充分利用的情况，因此实际中应改为“la=α σs/ftd”，σs 为工程中预埋钢筋所受的实际拉应力。在此基础上适当的修订锚筋的长度才是合理的。

2、幕墙立柱受拉杆件设计

《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003第6.3 节对幕墙立柱设计做出了规定，由规范可知，幕墙立柱宜设计为拉弯构件，即采用上端悬挂方式。

（1） 当立柱设计为拉弯构件时，在满足构造要求的前体下，只需要考虑满足承载能力和挠度限制要求即可。

（2）当立柱设计为压弯构件时，还需满足截面宽厚比的强制性规定，在弯矩作用方向的稳定性以及长细比λ 不宜大于150 的要求。

（3）在满足承载力和挠度的前提下，对比拉弯构件和压弯构件的截面选取，说明立柱拉弯构件设计的重要意义。

五、结语

幕墙设计应从全局出发，从整体把握。而结构计算作为幕墙设计的根本支撑，其重要性不言而喻。从实际工程出发，以规范标准为依据，以安全适用为前提，综合考虑经济和社会效益。只有做好结构计算工作，才能结合相应的构造要求，使幕墙设计趋于完善，从而做到安全和经济并顾。