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摘要：為分析幕墻面板及連接結構設計（詞條“結構設計”由行業大百科提供）要素，作者運用現有建筑結構分析理論，結合現行有關標準規范，對常見幕墻面板及連接結構設計計算分析思路進行梳理，在幕墻結構設計基準期、幕墻結構設計使用年限、荷載取值、支承結構設計、面板與連接設計等方面提出了系統的方法。結論將為幕墻面板及連接結構計算分析設計提供參考。
關鍵詞：安全等級; 可靠度; 極限狀態設計方法; 結構設計工作年限; 面板與連接結構設計
建筑幕墻面板及連接結構設計時考慮到的因素很多，如建筑設計的要求、荷載及作用等，通常選用相應的面板材（詞條“板材”由行業大百科提供）料、構造形式、與支承結構的連接等。
幕墻按照面板材料可分為玻璃幕墻、金屬板幕墻、石材幕墻、人造板材幕墻;按照板塊制作安裝方式可分為構件式幕墻、單元式幕墻;按照面板連接方式可分為點支式幕墻、框支承幕墻等。
建筑幕墻結構設計應規定建筑幕墻結構的設計工作年限，宜不小于50年，不得小于25年。
幕墻結構的設計基準期應為50年。
本文對幕墻面板及連接結構設計的幾個要素：安全等級、極限狀態設計方法、可靠度水平、設計基準期、設計工作年限、面板及連接結構設計等進行分析，明確了以上幾個結構概念。
1 幕墻結構安全等級及設計工作年限
1.1. 幕墻結構安全等級
幕墻結構是建筑幕墻中能承受作用并具有適度剛度的由各連接部件有機組合而成的系統。幕墻結構構件是幕墻結構在物理上可以區分出的部件。幕墻結構體系是幕墻結構中所有構件及其共同工作的方式。幕墻結構模型是用于幕墻結構分析及設計的理想化幕墻結構體系。
同一建筑結構中的各種結構構件一般與整體結構采用相同的安全等級，可根據具體結構構件的重要程度和經濟效果進行適當調整。
1.2. 極限狀態設計方法及可靠度水平
幕墻結構極限狀態是整個結構或結構的一部分(如幕墻結構)超過某一特定狀態就不能滿足規定的某一功能要求，此特定狀態為該功能的極限狀態。
極限狀態設計方法是不使結構超越規定極限狀態的設計方法。
幕墻結構幕墻結構極限狀態分為承載能力極限狀態、正常使用極限狀態、耐久性極限狀態。
采用以概率理論為基礎的極限狀態設計方法，用分項系數設計表達式計算,分為承載能力極限狀態設計、正常使用極限狀態設計、耐久性極限狀態設計。
承載能力極限狀態是對應于幕墻結構或結構構件達到最大承載力或不適于繼續承載的變形（詞條“變形”由行業大百科提供）的狀態。當幕墻結構或結構構件出現下列狀態之一時，就認定超過承載能力極限狀態：幕墻結構構件或連接因應力超過材料強度而破壞，或應過度變形而不適于繼續承載(如幕墻鋼結構（詞條“鋼結構”由行業大百科提供）已經達到屈服強度，變形持續擴大，無法繼續承載);幕墻結構或結構構件喪失穩定(如幕墻空間結構已經喪失穩定，如超高全玻幕墻玻璃肋結構已經側向失去穩定，無法繼續承載);幕墻結構或結構構件疲勞破壞(如幕墻開啟窗結構及連接多次啟閉已經疲勞破壞，無法繼續承載)。
正常使用極限狀態是對應于幕墻結構或結構構件達到正常使用的某一項規定限值的狀態。當幕墻結構或結構構件出現下列狀態之一時，就認定超過正常使用極限狀態：影響幕墻正常使用或建筑外觀效果的變形(如玻璃幕墻變形過大);影響幕墻正常使用的局部損壞(如石材面板有個別裂縫)。
耐久性極限狀態是對應于幕墻結構或結構構件在環境影響下出現的劣化達到耐久性能的某一項規定限值或標志的狀態。當幕墻結構或結構構件出現下列狀態之一時，就認定超過耐久性極限狀態：影響幕墻承載能力和正常使用的材料性能劣化(如幕墻鋼結構防腐涂層已經喪失保護作用，密封膠老化);影響幕墻耐久性能的裂縫、變形、缺口、外觀、材料削弱(如石材面板有超過一定長度的裂縫)。
幕墻結構設計應對幕墻結構各個的極限狀態分別進行分析計算，幕墻結構在正常情況下即持久設計狀況時，承載能力極限狀態或正常使用極限狀態的計算起控制作用。
1.3. 設計工作年限
幕墻結構的設計工作年限是設計規定的幕墻結構或幕墻結構構件不需大修即可按照預定目的使用的年限。
幕墻結構的可變作用可分為使用時推力、施工荷載、風荷載、雪荷載、撞擊荷載、地震作用、溫度作用。
當界定幕墻為易于替換的結構構件時，幕墻結構的設計使用年限為25年;當界定幕墻為普通房屋和構筑物的結構構件時，幕墻結構的設計使用年限為50年;當界定幕墻為標志性建筑和特別重要的建筑結構時，幕墻結構的設計使用年限為100年。
當建筑設計有特殊規定時，幕墻結構的設計使用年限按照規定確定且不得小于25年。
2 面板及連接結構設計
2.1. 面板及連接結構設計及結構分析原則和結構模型
幕墻支承結構設計應使幕墻結構在規定的設計使用年限內以規定的可靠度滿足規定的各項功能要求。功能要求包括安全性、適用性、耐久性。
2.2. 設計原則
根據建筑立面設計合理選擇幕墻面板的材料種類和構造形式。幕墻面板及其連接設計，應滿足承載能力極限狀態和正常使用極限狀態的要求。應能滿足荷載、地震和溫度作用所產生的幕墻平面內和平面外的變形要求，應符合性能設計、加工制作、運輸安裝、維護更換及信息化管理的要求。
面板厚度應經強度和剛度計算確定。不規則平面尺寸及彎曲（詞條“彎曲”由行業大百科提供）異型面板應按幾何非線性（詞條“非線性”由行業大百科提供）有限元方法計算。面板受各種荷載和作用應按本標準的規定組合，最大應力設計值不超過面板強度設計值。面板及其連接設計應滿足拆卸時不損壞其相鄰部位構件和結構的要求。面板及其連接設計應符合信息化管理規定，在幕墻工作年限內均可溯源。
幕墻采用的玻璃面板（詞條“玻璃面板”由行業大百科提供）可選用鋼化玻璃、半鋼化玻璃及以上玻璃組成的夾層玻璃（詞條“夾層玻璃”由行業大百科提供）、中空玻璃。幕墻用鋼化玻璃應經均質處理。點支承玻璃幕墻的面板應選用鋼化玻璃。玻璃肋應選用夾層（詞條“夾層”由行業大百科提供）鋼化玻璃或夾層半鋼化玻璃，有鉆孔的玻璃肋應選用夾層鋼化玻璃。玻璃面板應有防墜落的措施。高度4米以上部位不宜采用全隱框玻璃幕墻，外傾式的斜幕墻不得采用全隱框玻璃幕墻。
2.3. 風荷載計算及地震作用
面板屬于建筑外圍護結構構件，風荷載根據廣東省標準《建筑結構荷載規范》DBJ15-101-2014規定取值。地震作用計算根據行業標準《玻璃幕墻工程計算規范》JGJ102-2003規定取值：動力放大系數按5.0，水平地震影響系數最大值按相應抗震設防烈度和設計基本地震加速度取0.10。
2.4. 作用及效應計算
幕墻結構采用以概率理論為基礎的極限狀態設計方法，用分項系數設計表達式計算,按承載能力極限狀態和正常使用極限狀態設計應符合下列規定：
幕墻結構應按各效應組合中的最不利組合設計。建筑物轉角部位、平面或立面突變部位的構件和連接應作專項驗算。
幕墻結構計算模型應與結構的工況相一致。采用彈性方法計算幕墻結構時，先計算各荷載與作用的效應，然后將荷載與作用效應組合。考慮幾何非線性影響計算幕墻結構時，應將荷載與作用組合后計算組合荷載與作用的效應。
規則構件可按解析或近似公式計算作用效應。具有復雜邊界或荷載的構件，可采用有限元方法計算作用效應。采用有限元方法作結構驗算時，應明確計算的邊界條件、模型的結構形式、截面（詞條“截面”由行業大百科提供）特征、材料特性、荷載加載情況等信息。轉角部位的幕墻結構應考慮不同方向的風荷載組合（詞條“荷載組合”由行業大百科提供）。
主體結構應能有效承受幕墻傳遞的荷載和作用。幕墻結構連接件與主體結構的錨固承載力設計值應大于連接件的實際承載力設計值。幕墻和主體結構的連接應滿足幕墻的荷載傳遞，適應主體結構和幕墻間的相互變形，消減主體結構變形對幕墻體系的影響。異型空間結構及索結構應考慮主體結構和幕墻支承結構的協同作用，應會同主體結構設計對主體結構和幕墻結構整體計算分析。
計算幕墻構件承載力極限狀態時，其作用的組合應符合下列規定：
2.5. 強度設計值
玻璃的強度設計值應按《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ102-2003及《建筑玻璃應用技術規程》JGJ113-2015的規定采用。
金屬與石材幕墻的強度設計值應按《金屬與石材幕墻工程技術規范》JGJ133的規定采用。人造板材板的強度設計值應按《人造板材幕墻工程技術規范》JGJ336的規定采用。
五金件、連接構件承載力設計值應按其產品標準或產品檢測報告提供的承載力標準值除以相應的抗力（詞條“抗力”由行業大百科提供）分項系數(γR)或材料性能分項系數(γf)確定，如建筑設計無特殊要求，總安全系數K取2.0，則γR、γf取1.4。
2.6. 玻璃面板及連接結構設計
玻璃幕墻設計撓度限值應符合《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ102及《建筑玻璃（詞條“建筑玻璃”由行業大百科提供）應用技術規程》JGJ113的規定。
玻璃面板應采用安全玻璃，四邊支承玻璃在垂直于玻璃幕墻平面的風荷載和地震作用下的最大應力及撓度計算應符合《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ102及《建筑玻璃應用技術規程》JGJ113的規定。幕墻中空玻璃的硅酮結構密封膠應能承受外側面板傳遞的荷載和作用，有效寬度應符合《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ102的規定經計算確定。
在垂直于幕墻平面的風荷載和地震作用下，四點支承玻璃面板應力和撓度計算應符合《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ102及《點支式玻璃幕墻工程技術規程》CECS127的規定。非四點支承的點支承玻璃面板應力和撓度計算應符合《點支式玻璃幕墻工程技術規程》CECS127的規定，可采用有限單元法分析計算。
隱框或橫隱半隱框玻璃面板的承托件應驗算強度和撓度。每塊面板不少于兩個承托件，承托件應同時承接組成面板的所有玻璃，局部受彎、受剪的有效長度不大于其上墊塊長度的2倍，必要時可加長承托件和墊塊。承托件可用鋁合金或不銹鋼材料。承托件尚應驗算其支承處的連接強度。隱框幕墻硅酮結構密封膠（詞條“結構密封膠”由行業大百科提供）的粘接寬度和粘接厚度應符合《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ102的規定經計算確定。
明框玻璃面板應通過定位承托膠墊將玻璃重量傳遞給支承構件。膠墊數量不少于2塊，厚度不小于5mm，長度不小于100mm，寬度與玻璃面板厚度相等，滿足承載要求。
點支承裝置設計應符合《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ102、《點支式玻璃幕墻工程技術規程》CECS127及《建筑玻璃點支承裝置》JG/T 138的規定。支承裝置應能適應玻璃面板在支承點處的轉動變形，其承受玻璃面板所傳遞的荷載或作用，不應在支承裝置上附加其他設備和重物。
2.7. 金屬面板及其連接設計
金屬面板的應力和撓度計算應符合《金屬與石材幕墻工程技術規范》JGJ133的規定。金屬面板應根據受力需要設置加勁肋。應采用周邊折邊，沿周邊設置固定（詞條“固定”由行業大百科提供）耳子。面板、加勁肋、固定耳子、連接螺釘尺寸及數量應滿足經結構分析計算確定。鋁合金型材框架其連接處的局部型材壁厚應不小于連接螺釘公稱直徑。金屬面板加勁肋宜采用鋁合金（詞條“合金”由行業大百科提供）擠壓型材或經表面鍍鋅處理后的鋼型材（詞條“鋼型材”由行業大百科提供），鋁合金擠壓型材壁厚不小于2.5mm，鋼型材壁厚不小于2mm，壁厚不小于面板壁厚，加勁肋與面板邊緣折邊處以及加勁肋縱橫交叉處應采用角碼（詞條“角碼”由行業大百科提供）可靠連接。
金屬面板板縫寬度的設置按結構分析計算確定。注膠式板縫宜不小于10mm，板縫內底部應墊嵌聚乙烯泡沫條填充材料，其直徑宜大于板縫寬度20%，硅酮建筑密封膠注膠前應經相容性試驗，注膠厚度應不小于3.5mm，且寬度不小于厚度的2倍;嵌條式板縫宜不小于20mm，可采用金屬嵌條或橡膠嵌條等形式，應有防松脫構造措施，膠條（詞條“膠條”由行業大百科提供）拼縫處及十字交叉拼縫處應有粘結材料粘結，防止雨水滲漏;開放式板縫應設置導排水構造。
2.8. 石材面板及其連接設計
石材面板應選用花崗石，彎曲強度應經法定檢測機構檢測確定，其彎曲強度不應小于8.0MPa。面板設計、計算應符合《金屬與石材幕墻工程技術規范》JGJ133的規定。石材面板厚度應經面板抗彎及抗剪設計計算確定。磨光面板厚度應不小于25mm，火燒石板厚度取計算厚度加3mm;高層建筑及臨街建筑，花崗石面板厚度應不小于30 mm。石材面板應作六面防護處理。面板邊緣宜經磨邊和倒棱，倒棱寬度宜不小于2mm。建筑設計水平倒掛外墻、斜幕墻選用石材效果時，應采用仿石鋁板。石材面板應有防墜落設計。板塊的連接和支承不應采用鋼銷、T形連接件、蝴蝶碼和角形傾斜連接件。石材面板采用短槽支承、背栓支承連接時，應按點支承板計算。石材面板采用對邊通槽連接時，按對邊簡支板計算，面板跨度為兩支承邊之間的距離。
2.9. 人造板材面板及其連接計算
人造板材面板可選用微晶玻璃、瓷板、陶板（詞條“陶板”由行業大百科提供）、玻璃纖維增強水泥外墻板(GRC板)等多種材質，按《人造板材幕墻工程技術規范》JGJ 336和《玻璃纖維增強水泥(GRC)建筑應用技術標（詞條“技術標”由行業大百科提供）準》JGJ/T423的規定設計。人造板材面板承載力計算應符合《人造板材幕墻工程技術規范》JGJ 336的規定。人造板材面板的連接設計應符合《人造板材幕墻工程技術規范》JGJ 336的規定，構造上應有防滑移防脫落措施。人造板材面板的板縫設計應符合《人造板材幕墻工程技術規范》JGJ 336的規定。
3 有關設計使用年限和結構分析方法的建議
3.1 幕墻結構設計使用年限的確定非常重要，應在設計中規定。宜不小于50年，不得小于25年。
3.2 對于特殊結構幕墻面板及連接，一般的力學分析方法很難真正反映實際，而有限元分析模擬的邊界條件也會很大程度地影響計算結果，本文特別希望能通過結合專門的結構試驗方法進行模擬，得到一定數量的數據，最終能夠證明貼合實際的特殊幕墻結構計算經驗公式，方便廣大設計人員使用。
4 結論
針對幕墻面板及連接結構設計的幾個要素：安全等級、極限狀態設計方法、可靠度水平、設計基準期、設計使用年限、支承結構設計、面板及連接設計等進行分析，本文進行了其內在本質的邏輯關系，明確了以上幾個結構概念，為理清幕墻結構設計思路建立了良好的理論基礎。提出主要的觀點：幕墻結構設計工作年限應在設計中規定;會通過結構試驗方法來證明計算經驗公式。
作者單位：廣東世紀達建設集團有限公司
