幕墙结构设计中若干问题的探讨

刘嘉慧 何 鑫

(中信建筑设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430014)



幕墙结构设计中若干问题的探讨

刘嘉慧 何 鑫

(中信建筑设计研究总院有限公司，湖北 武汉 430014)

结合工程实际，分析了幕墙结构设计中存在的一些不明确、易混淆的问题，从规范规定、概念设计、力学计算等方面进行了探讨，找到了解决问题的方法思路，达到幕墙设计安全、经济、适用的效果。

幕墙结构，风荷载效应，后补锚栓，锚固承载力

随着我国社会主义市场经济的不断发展和城市化进程的快速推进，建筑幕墙因具有自重较轻、装饰性强、性能优良、施工周期短、便于安装施工等特点，在城市建筑设计中得到了广泛的应用，并相继建设完成了一批规模大、难度高、技术领先的幕墙工程。在幕墙结构设计中，一些看似简单的问题，却关系着整个幕墙体系的安全可靠性和经济适用性。只有充分地理解、分析、解决这些问题，继而进行合理的设计和应用，建筑幕墙才会产生预期的效果与效益。

1 风荷载效应的计算

对于常见的垂直玻璃幕墙和斜玻璃幕墙，在承载能力极限状态和正常使用极限状态计算中，风荷载一般在荷载组合中起到控制作用，因此风荷载效应的计算就显得尤为重要。风荷载效应的计算，将直接影响到面板、横梁、立柱乃至埋件的计算及选型。对于风荷载比较敏感的高层建筑(一般情况下，指房屋高度大于60 m的高层建筑)，主体结构承载力设计时应按基本风压的1.1倍采用；而幕墙作为建筑外围护结构，其重要性与主体结构相比要低些，可仍取50年重现期的基本风压，不需按基本风压的1.1倍采用，也不需采用100年重现期的基本风压。对于重要的大型铁路站房、会展建筑，也可适当提高幕墙设计的基本风压以保证整个结构体系的安全度统一。《玻璃幕墙工程技术规范》规定，玻璃幕墙的风荷载标准值除按公式计算外，并且不应小于1 kN/m2。对于位于室内的受风荷载作用很小的幕墙，按风荷载标准值不小于1 kN/m2设计有时会显得保守而造成不必要的浪费，此时如无特殊要求可按实际情况选用。

2 上、下立柱的连接

上、下立柱之间应留有不小于15 mm的缝隙，且应满足立柱温度变形以及安装施工的需要，可按以下公式计算：

d=αΔtL+d1+d2。

其中，d为上、下立柱之间伸缩缝的计算值；α为立柱材料的线膨胀系数；Δt为温度变化值；L为立柱跨度；d1为施工误差，取3 mm；d2为考虑其他作用的预留量，取2 mm。

闭口铝合金型材可采用长度不小于250 mm的芯柱连接，芯柱与立柱应紧密配合；用于钢型材立柱连接的芯柱总长度不应小于400 mm，芯柱与立柱应紧密接触，芯柱与下柱之间应采用不锈钢螺栓固定。因型钢规格固定，若挑选热轧型钢表中现有类型作为芯柱，则芯柱与立柱空隙较大无法有效传递剪力，此时芯柱需采用焊接型钢才能保证两者紧密接触。在设计过程中，也可用型钢或钢板作为上、下立柱连接件，连接件与下立柱焊接或标准圆孔螺栓连接，连接件与上立柱长圆孔螺栓连接。

3 预埋件锚筋的锚固长度

《玻璃幕墙工程技术规范》C.0.5.3规定，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倍锚固钢筋直径。因锚筋的实际设计配筋量总大于计算值，一些设计人看到规范此条款，不假思索地把预埋件锚筋长度定为15d(d为锚固钢筋直径)，有时就会留下不安全的隐患。《建筑抗震设计规范》要求幕墙的预埋件、锚固件，应采取加强措施，以承受建筑非结构构件传给主体结构的地震作用。为安全计，此时修正系数可取锚筋设计计算面积与实际配筋面积的比值。当设计配筋量略大于计算值时，修正系数可取1.0。若梁宽较小不能实现锚筋直锚，可将锚筋弯折锚入混凝土梁内。

4 后补锚栓的选用

幕墙立柱与主体混凝土结构应通过预埋件连接，预埋件应在主体结构混凝土施工时埋入，预埋件应定位准确。在设计施工过程中，预埋件多存在以下问题：1)施工进度较快，有些工程没有及时进行预埋件埋设；2)预埋件埋设不牢靠，施工时钢筋绑扎及混凝土浇捣造成预埋件位移、偏斜；3)后期因幕墙设计分格的改变，造成已留置的预埋件不能使用。因此，幕墙预埋件的设计和施工应引起足够的重视，切实做到设计精准、施工准确，才能发挥预埋件造价成本低和安全可靠性高的优势。

当土建施工中预埋件漏放、预埋件偏离设计位置太远、设计变更、旧建筑加装幕墙时，可采用后补锚栓，并通过试验确定其承载力。后补锚栓分为化学锚栓和机械锚栓。其中，化学锚栓分为特殊倒锥形胶粘型锚栓(又称为定型化学锚栓)和普通化学锚栓；机械锚栓，分为后扩底锚栓和膨胀锚栓。用于主体结构加固时，锚栓需选用特殊倒锥形胶粘型锚栓或后扩底锚栓,并采用开裂混凝土的假定；用于幕墙围护结构时，参考《混凝土结构后锚固技术规程》，可选用普通化学锚栓或扭矩控制式膨胀锚栓,并采用开裂混凝土的假定。

由于混凝土构件多为带裂缝工作状态，在后补锚栓的产品报告中应已标明可用于开裂混凝土，同时在后补锚栓的设计时应采用开裂混凝土的假定。不宜在与化学锚栓接触的连接件上进行焊接操作，当确实需要进行连续焊接作业时，应采取相应散热措施，或采用耐热化学锚栓。

后补满栓的选用，尚应符合地方技术要求，如浙江省《建筑幕墙安全技术要求》规定：“建筑幕墙的后置埋件应当根据设计要求选用后切(扩)底机械锚栓和定型化学锚栓等性能可靠的锚栓，不得使用普通化学锚栓。当采用定型化学锚栓时，供应商应当提供化学锚栓的耐高温测试报告”。

5 后补锚栓的计算

后补锚栓的计算，应遵循《混凝土结构加固设计规范》和《混凝土结构后锚固技术规程》的规定。但是前者明确给出了特殊倒锥形胶粘型锚栓和后扩底锚栓的承载力验算公式；而后者给出了化学锚栓和机械锚栓的承载力验算公式，可用于普通化学锚栓和膨胀锚栓的计算。

在设计中容易发现，通常是由基材混凝土抗剪承载力控制后补锚栓的数量和布置，可采用如下方法解决：1)增大锚栓平行于剪力方向的边距；2)由远离混凝土构件边缘的锚栓承受剪力，而靠近混凝土构件边缘的锚栓不承受剪力，为此可在锚板相应位置沿剪力方向开椭圆形孔(在靠近混凝土构件边缘锚栓处)。

对特殊倒锥形胶粘型锚栓和后扩底锚栓的基材混凝土进行承载力验算时，《混凝土结构加固设计规范》并没有给出混凝土剪撬破坏、混凝土劈裂破坏及特殊倒锥形胶粘锚栓的组合破坏，此时应通过采取构造措施予以防止。可通过调整锚栓的边距、间距及保证一定的基材厚度来避免此类破坏，不能既不验算这些承载力破坏又不采取相应的构造措施，不可在锚栓排布中过度缩小边距、间距或利用很薄的基材。设计人应首先根据构件的重要性程度、受力特点和混凝土基材状况等，确定具体的加固设计方案，并不是简单增加几个后补锚栓就能解决所有问题。

6 锚固承载力的现场检验

锚固承载力的现场检验，应根据工程特点和后补锚栓类型，按照《建筑结构加固工程质量验收规范》和《混凝土结构后锚固技术规程》提供的方法进行，并应注意两本规范对荷载检验值取值的不同。对承重结构加固工程的锚固质量检验，必须按《建筑结构加固工程质量验收规范》的规定执行。

现场检验分为非破损检验和破坏性检验。非破损检验的现场拉拔值，应由设计单位提供，检测单位及其他单位均无权自行确定。非破损检验的荷载检验值，按《建筑结构加固工程质量验收规范》，应取1.5Nt作为检验荷载；按《混凝土结构后锚固技术规程》，应取0.9fykAs和0.8NRk,*的较小值(NRk,*为非钢材破坏承载力标准值)。

7 结语

选择合理的结构方案，选用恰当的计算简图，正确分析计算结果，并采取相应的构造措施，是幕墙结构设计工作的必需。恰当正确地计算风荷载效应，选择合适的埋件型式并进行计算排布和验收检验，才可确保幕墙结构的安全与效益。

[1] JGJ 102—2003，玻璃幕墙工程技术规范[S].

[2] GB 50009—2012，建筑结构荷载规范[S].

[3] GB 50367—2013，混凝土结构加固设计规范[S].

[4] JGJ 145—2013，混凝土结构后锚固技术规程[S].

On some problems in curtain wall structural design

Liu Jiahui He Xin

(CITIC General Institute of Architectural Design and Research Co., Ltd, Wuhan 430014, China)

Combining with the engineering facts, the paper analyzes some indefinite and confusing problems in the curtain wall structural design, explores from the regulations, concept design, and dynamic calculation, and finds the methods for the solutions, so as to achieve the safe, economical and applicable effect of the curtain wall design.

curtain wall structure, wind loading effect， anchor bolt, anchor loading capacity

1009-6825(2016)12-0030-03

2016-02-16

刘嘉慧(1985- )，男，工程师，一级注册结构工程师； 何 鑫(1983- )，男，工程师

TU318

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