幕墙设计中三支点连续梁的运用分析

2021-08-24杨阳

建材与装饰 2021年24期

杨阳

（广东省建筑设计研究院有限公司，广东广州 510010）

1 建筑幕墙的概念

通常情况下建筑幕墙是由铝梁柱、玻璃肋等结构组成的，有的地区人们也称其为悬墙。因为建筑幕墙的质量较轻装饰效果较好，所以在现代建筑的建设装修中被广泛应用。一般建筑幕墙按是否密闭可分为封闭形式和开放形式，若按照支撑结构形式可以将建筑幕墙分为单元式、点支撑式、构件式、全玻璃、智能呼吸式等。而近几年随着建筑行业的快速发展，建筑幕墙的形式也有了很多方面的突破，可以从不同角度满足建设方的使用和审美需求。根据建设方的相关要求合理选择幕墙的形式，例如最常见的构件式幕墙，它具有施工方式灵活、技术成熟的优点；支点式幕墙能够构造出更好的建筑结构立面效果；全玻璃式幕墙能够更好的表现建筑装饰艺术性、层次感、立体感；而智能呼吸幕墙可以更好的实现绿色环保理念，降低建筑的整体能耗，符合当今社会绿色环保的理念。

2 三支点连续梁在建筑幕墙应用的优势

2.1 轻量级

和其他类型的墙体相比，建筑幕墙的质量较轻，以常见的玻璃幕墙为例，同面积的玻璃幕墙质量为砖墙漆质量的1/10左右，为混凝土挂板的1/6左右，是干挂大理石的1/15左右。

2.2 快速安装

我们常见的建筑幕墙使用的材料主要包括各类的型材和板材，而且材料的规格也在设计时就进行了明确，加之这些材料的施工方式较为简单，不需要复杂的操作工序等，使得幕墙的施工速度更快。

2.3 艺术效果好

建筑幕墙的使用使得建筑外立面不再局限于传统意义上窗和墙的界限，将窗和墙通过巧妙的方式结合起来，创造出更多的艺术效果。通过不同的技术手段选择幕墙的形式，使幕墙呈现不同的色调，增加建筑的整体美感，给人更好的视觉享受。除此之外，这种新颖的手段可以让建筑与周围环境更好地融合在一起，做到建筑内外及环境的有机统一，全方位展现建筑的美感。

2.4 易于更新和维护

因为建筑幕墙材料统一且质量相对较轻，其安装不仅方便，在后期建筑外立面受到损毁需要进行更换或者维修时也较为简单。

2.5 结构模型计算简单

在进行幕墙设计的三支点连续梁应用时，通过使用理论力学和材料力学的相关知识就可以构建三支点连续梁的计算模型。计算得来的力学参数可以对比以往工程的相关经验来验证其是否处于合理区间，所以使用的力学参数不仅是对设计结果的验证，而且是基于计算的。因此，进一步优化设计以达到最佳设计目标。

3 三支点连续梁介绍

3.1 三支连续梁概念

三支连续梁是典型的多跨静定结构，当柱间距离确定后，柱点之间的距离直接影响柱的强度。三支连续梁的另一个优点是能够以理论计算的方式进行分析验证，以此来保证设计的合理，并且经过计算得来的数据精准度较高，符合三支点连续梁的设计要求，三支点连续梁具体示意图如图1所示。

图1 三支点连续梁

在幕墙的设计中使用三支点连续梁可以将柱的水平方向的载荷转化为线性分布载荷，之后通过明确三支点连续梁的作用方式和约束条件就可以计算出设计的建筑幕墙各阶段的最大变形、最大弯矩和挠度，充分了解建筑幕墙材料特性的基础并进行定量分析。另一方面，在设计三轴连续梁建筑幕墙时，要充分考虑立柱所承受的荷载，不仅是建筑幕墙在地球重力作用下的重力系数[1]，还需要仔细考虑风荷载、地震荷载和温差等因素。不仅如此，想要三支点连续梁在建筑幕墙的应用中达到更好的应用效果，需要根据建筑特点对柱和其他受力点进行调整优化。

3.2 三支连续梁在幕墙结构细节中应注意的设计要点

（1）幕墙构件四边弹性空间要求：幕墙结构应具有相当的适应性和吸收位移的能力。幕墙构件与构件之间，特别是板的四个边与柱、梁构件之间应留有一定的空间，以适应主体结构的位移能力。

（2）幕墙立柱受力形式：立柱应设计为轴向受拉或偏心受拉构件。施工方法宜选择铰接节点挂在上端，下端选择上下收缩变形的节点形式，避免柱子在压力工作条件下不稳定。

（3）注意电化学腐蚀：不同金属部件之间必须有绝缘垫片，否则不同金属之间会发生电化学腐蚀，破坏材料的力学性能，影响结构的安全性。

（4）注意防噪设计：构件幕墙立柱与梁的连接处应设置柔性垫片或缝隙，避免刚性连接产生的噪声；隐框幕墙、石材幕墙、铝板幕墙等的挂钩连接件，其表面还应设置柔性垫片，以防止噪声。

（5）防雷设计要求：幕墙的防雷系统应严格按照防雷设计规范的要求制作。根据规范要求，幕墙主要是为了防止侧面雷击。幕墙本身必须形成固定的防雷网，与防雷环和主楼的引下线相连，将雷电流引导至大地。建筑设计时一般会考虑建筑物顶棚的防雷击，只要建筑物的防雷网高度设计为超过幕墙的高度即可。有时考虑到美观要求和工程条件允许，幕墙设计还可以考虑将建筑防雷与建筑幕墙屋盖边缘结合起来，即建筑幕墙屋面护栏墙压顶边盖设计是为了防雷。如采用3mm铝单板做盖板再将盖板与主楼避雷环和引下线连接，达到建筑物防雷的目的。

（6）防火设计要求：幕墙材料应采用防火等级为A级的材料，地板和门窗洞口的四个侧面应进行防火处理。特别注意建筑物的防火分区。防火隔间两侧，按建筑防火设计规范的要求，水平距离不应小于2m（内角为4m）。幕墙应设计为防火幕墙，尤其是玻璃幕墙，需使用防火玻璃和防火涂漆钢柱和横梁。

3.3 三支点连续梁在建筑幕墙中的优化设计

采用三点连续梁设计建筑幕墙时，需要准确计算柱的强度，保证建筑幕墙中柱的强度和挠度都符合设计要求，同时需要准确计算三支点连续梁柱的最大位移。在对柱的载荷计算时，需要充分考虑风荷载、玻璃自重荷载和地震荷载等因素，其中风载荷需要对水平和垂直方向的力进行分别计算。在对弯矩进行计算时，需要兼顾构件的轴向拉应力和水平方向的弯曲应力，这样计算出来的数据才能对其进行验证是否符合规范。除此之外，因为幕墙的支撑点同时受到主体结构高度和位置的影响，所以计算弯矩时理论值和实际值会有一定的偏差，在进行施工时需要灵活调整支点位置。

4 工程案例分析

以广州某城市广场写字楼幕墙装饰设计为例，此写字楼幕墙高度为229m，幕墙玻璃全部使用中空玻璃，立柱使用型材型号为6063-T6。进行单元的设计时，对柱较弱的截面进行计算，考虑水平载荷是均匀分布在截面上的。但实际工程建设时不允许柱截面尺寸过大，柱两端的强度和挠度无法满足要求，因此按照实际情况采用三支点连续梁的支撑方式。

4.1 立柱截面几何参数和物理特性

此项目立柱长为4000mm，跨度为L1=670mm和L2=3330mm，其风荷载设计值W=1.4Wk。

4.2 立柱荷载计算

按照相关规范可知，在对立柱进行水平方向变形的计算时，只需要考虑载荷产生的变形。对立柱强度进行计算时，尤其注意型材自身重量载荷以及地震载荷，其中型材自身重量的载荷标准为0.25kN/m2以下的需要分别计算沿立柱轴向集中载荷和作用于立柱上的线性载荷。

4.3 弯曲强度计算

部分立柱为弯曲构件，所以需要考虑构件的轴向拉应力与水平方向矩形分布的线荷载产生的弯曲应力的组合。水平方向载荷计算产生的最大弯矩为M=αM×Psly×L2=[1-3×（L2/L）+3×（L2/L）2]/8×Psly×L2=6973660.38Nmm，根据相关国家标准规定计算得出最大正应力为101.65MPa＜f=140.0MPa立柱的弯曲强度满足规范的要求。