幕墙结构优化设计

幕墙结构优化设计

林峰

深圳市国腾建筑设计咨询有限公司

摘要：近年幕墙行业在国内得到了飞速发展，为了保证幕墙结构设计不仅能够满足国家规范要求，同时又能让材料使用经济合理，幕墙结构优化便变得很有必要，本文浅谈几种立柱模型的优化设计。

关键词：幕墙；中挺；立柱；龙骨优化

自从上世纪八十年代玻璃幕墙引入中国，由于它的明亮美观和质量很轻等特点，很快得到了国内建筑师的青睐，在短短三十多年里，幕墙在国内大小城市已经是随处可见了。

本人认为幕墙龙骨计算首先要明确两个问题：其一是龙骨的简化模型，只有当理论模型与实际模型一致或者接近时，才能确保幕墙龙骨计算结果的准确性，幕墙立柱计算型主要分为简支梁、悬臂梁、外伸梁、双跨梁及多跨铰接连续梁；其二是要弄清楚幕墙龙骨受荷载的从属面积，主要分为矩形线荷载，三角形线荷载，梯形线荷载。下面将对这几种常见力学模型逐一展开讨论。

1.简支梁模型

简支梁模型主要体现在门窗中挺，或者是简支跨度在4.5m以内的幕墙龙骨。

（1）由于门窗洞口四边龙骨设计都会连续固定（一般@300）在结构上，所以门窗边框龙骨设计一般只要满足JGJ214-2010《铝合金门窗工程技术规范》中的3.1.2条规定就好，即门用主型材主要受力部位基材截面最小实测壁厚不应小于2.0mm，窗用主型材主要受力部位基材截面最小实测壁厚不应小于1.4mm的规定。

门窗中立柱的实际受力从属面积应该是由三角形或者梯形组成，而一般计算人员贪于方便，会把门窗竖向中挺计算模型简化成矩形作用的线荷载，这样就可以把龙骨利用率降低。

从上表1中可以看出，当立柱受力为左右三角形的线性荷载时，会比矩形线性荷载的计算结果小20~30%，当立柱受力为左右梯形的线性荷载时，会比矩形线性荷载的计算结果小5%左右。

（2）简支梁合理截面选取的讨论

从上表2中可以看出两种钢通的明显对比，钢通截面积相差不大，但在相同的计算条件下，龙骨的强度利用率相差10%左右，挠度相差30%左右，足以说明选择钢通截面的重要性。

结论：首先要使立柱型材截面壁厚设计宽厚比满足钢结构设计规范或铝合金结构设计规范，当幕墙进出位置允许的条件下，尽量选择进出位尺寸大的，必要时适当前后增加壁厚，这样才能使横截面积一定的情况下，得到最合理的截面参数（惯性矩I和抵抗矩W）。

2.双跨梁模型

双跨梁模型较多使用在裙楼层高在4500~6000mm之间情况，一般梁高≥800mm时比较容易实现双跨梁，以下是深圳某个工程的石材幕墙，计算标高20m，基本风压0.75kPa，地面粗糙度C类时的计算统计表：

从上表3中可以分析出以下几种特征：

（1）当双跨梁的两跨等长时，对龙骨计算是最有利的

（2）随着短跨与总跨的比值不断减小，强度利用率、挠度利用率和支座反力都在不断加大；

（3）当短跨长度与总跨长度比值超过1/10，此时即使龙骨强度和挠度满足设计要求，还要充分考虑支座反力，因为当短跨越短时，支座反力会迅速增大，要充分考虑埋件是否以承受；

结论：①使用双跨梁时尽量控制短跨与总跨比值≥1/10；

②双跨梁主要考虑强度控制（即材料的应力比）。

3.多跨铰接连续梁模型

多跨铰接连续梁模型较多使用在塔楼位置，尤其是高层单元式幕墙立柱，一般都采用此种计算模型，以下是深圳某个工程的玻璃幕墙，计算标高100m，基本风压0.75kPa，地面粗糙度C类时的计算统计表：

此表主要从铰接点（套芯位置）到支座位置的不同来分析铝立柱的强度和挠度及支座反力的变化情况，从上表4中可以分析出以下几种特征：

（1）当铰接点到支座距离控制在单跨长度1/10以内时，随着铰接点到支座距离变小，强度利用率慢慢变大；

（2）当铰接点到支座距离控制在单跨长度1/10以内时，随着铰接点到支座距离变小，支座反力虽然在逐渐减小，但变化幅度非常小，可以忽略不计；

（3）当铰接点到支座距离控制在单跨长度1/10以内时，随着铰接点到支座距离变小，挠度利用率在迅速增大；

（4）相同条件下，多跨铰接连续梁比简支梁的设计要好很多。

结论：①多跨铰接连续梁的铰接点（套芯位置）到支座位置的距离对立柱挠度利用影响非常大；

②建议铰接点（套芯位置）到支座位置的距离≥200mm。

综上所述可以看出，合理的幕墙设计不仅能保证结构设计的安全性，同时也能大大减少型材用量，即为工程节省了成本，又为国家节省了资源。

参考文献：

[1]《玻璃幕墙工程技术规范JGJ102-2003》

[2]《建筑幕墙GBT21086-2007》

[3]《建筑结构荷载规范GB50009-2001》

[4]《铝合金结构设计规范GB50429-2007》

[5]《钢结构设计规范GB50017》