关于某地建筑幕墙地标的几点探讨

2022-08-08朱平

中国建筑金属结构 2022年7期

朱平

0 引言

某地建筑幕墙地标正式发布实施以来，在国内幕墙工程界获得了广泛关注，甚至被直接借鉴和引用，为规范和发展幕墙工程技术做出了一定贡献。但以下条文或许值得深入探讨或商榷。

1 关于“消防救援窗的应急击碎玻璃应采用厚度不大于8mm 的单片钢化玻璃或中空钢化玻璃”相关条文的探讨

应急击碎玻璃应采用厚度不大于8mm 的单片钢化玻璃或中空钢化玻璃，此条过于严苛。理由如下：消防救援时几乎都是专业的消防人员执行任务，考虑消防作业时的内外客观干扰因素，训练有素的专业消防队员在全力一击时，挥消防斧敲击玻璃的速度应该在10m/s 左右。消防救援作业时，消防斧一般为标准配置，查询国家标准GA 138-2010《消防斧》可知，最轻的消防尖斧715 型质量约2kg 左右，斧头尖接触面直径φ约1mm，敲击接触面积A 约0.785mm左右。消防斧敲击玻璃时，从斧尖接触玻璃到玻璃破碎前瞬间的变形时间不超过0.1s。依据冲击力计算公式（1）：

：冲击力，单位N；

：冲击物质量，单位kg；

：速度，单位m/s；

：冲击接触时间，单位s。

经过计算可得出F=200N，则敲击玻璃造成的瞬间应力为：

A：斧头尖接触面积，单位mm

经计算σ ≈255N/mm，依据JGJ 113-2015《建筑玻璃应用技术规程》可知，12mm 钢化玻璃中部强度为84 N/mm，即使考虑实际偏差范围，极限强度≤110 N/mm，通过上述模拟推导可知，消防救援时消防员用消防斧足以轻松击碎12mm的钢化玻璃。当然，上述推导仅为理论研究，还应辅以大量的试验验证，通过试验数据佐证上述推导的正确性。

2 关于“四边支承的隐框、半隐框玻璃幕墙中，玻璃和铝框之间硅酮结构密封胶的粘接宽度Cs，应根据受力情况分别按公式10.6.3-1、10.6.3-2 计算，取计算结果的较大值” 相关条文的探讨研究

该条文公式仅适用于四边支撑的情况，其它边支撑情况没有给出表达式，建议采用通用表达式（3），以满足所有边支撑形式：

公式（3）中设置荷载类型调整系数，理由是一般可变荷载持续作用时间不长，同时支撑黏胶边为三角形线荷载，取峰值计算结果过于保守。当然是否设置荷载类型调整系数，调整系数取值多少，可以通过试验验证，以试验结果为依据。

3 关于“明框幕墙中空玻璃面板、中空夹层玻璃面板与型材槽口的配合尺寸应符合表11.2.17 的规定”相关条文的探讨

表11.2.17 中空玻璃、中空夹层玻璃与槽口的配合尺寸（mm）

玻璃在荷载作用下从型材槽口脱槽，主要有以下三点：玻璃平面外变形过大、玻璃入槽深度b 严重不足、型材槽口支撑边（图1 绿色线框标识处）刚度或强度过低而发生过大变形。即使以目前的工程制造技术水平，玻璃短边最大做到3 000mm，挠度变形按1/60 控制，玻璃平面外变形值仅50mm。依据几何推导可知，当50mm 平面外变形时，玻璃面板支撑边平面内移动不超过2.3mm。显然，“玻璃平面外变形过大、玻璃入槽深度b 严重不足”仅为玻璃脱槽的次要因素，主要因素应为型材槽口支撑边（图1 绿色线框标识处）刚度或强度过低而发生过大变形。36mm（图1 红色线框标识处）及以上厚度的玻璃入槽深度要求25mm（图1 红色线框标识处）及以上深度，反而会加大槽口支撑边悬臂长度（c+b 尺寸变大，图1 蓝色圆圈至黑色圆圈距离），结构承载更危险。因此，不同厚度玻璃要求入槽深度20mm，已可确保工程安全可靠，一味加大入槽深度没有必要且不合理。

图1 玻璃入槽示意图

4 关于“锁点应根据计算确定，且锁点间距不宜大于600mm，边距不应大于300mm”相关条文的探讨

通过计算分析来优化确定锁点最合理布点位置及数量，多锁点相互之间承受的剪力分布相对均衡，锁点之间窗扇与窗框型材的相对变形基本一致。每个锁点承受的剪力值可以精确地计算分析锁点强度承载能力，确保各种工况荷载作用下锁点不至于剪切破坏以及便于锁点的选型。锁点之间窗扇与窗框型材的相对变形值可以定量分析窗扇与窗框之间防水密封性能，密封胶条在荷载作用下还能维持多大压缩量。

锁点分布及受力计算分析相对来说实现比较容易，这里不再赘述。下面通过SAP2000 来简单示例分析，如何计算锁点间窗扇与窗框的相对变形值。假定计算条件如下：立柱间距1 500mm、立柱跨度4 200mm（简支梁力学模型）、窗间墙高度1 200mm、窗下框高度900mm、窗高1 000mm；风载标准值为2.5kN/m、地震荷载标准值0.2 kN/m；立柱型材规格185mm×80mm×3mm（自重程序自动加载）、横梁型材规格140mm×80mm×3mm（自重程序自动加载）、窗扇型材规格70mm×45mm×3mm（自重程序自动加载，窗框省略，利用横梁代替）、玻璃面板规格12mm（实际用无平面外刚度的虚拟面板代替传力，面板自重手动点荷载加载）；组合标准1.0 风载+1.0 自重荷载，用于计算锁点间相对变形值。窗扇与窗框相对变形通过锁点处偶合协同变形来实现，侧及下窗扇与窗框间锁点处偶合全局坐标系Y方向的变形（图2中红色线框标识处），顶部窗扇与窗框间锁点处偶合全局坐标系Y、Z 方向的变形（图2 中绿色线框标识处）。分析结果如下（分析过程略）：窗扇与窗框侧边框最大相对变形D=0.893mm、窗扇与窗框下边框最大相对变形D=0.349mm。窗扇与窗框之间密封胶条设计时应考虑在荷载作用下的窗与框相对变形余量Max（D、D）+防水密封需求压缩量+窗扇与窗框胶条位置间隙。

图2 模型约束示意图

5 关于“钢铝共同工作的组合截面按刚度分配时，铝材部分荷载分配时增加调整系数”相关条文的探讨

如果铝材部分荷载分配时增加调整系数，则可以推导出铝材部分挠度变形值必然大于钢材部分挠度变形值，这显然与钢铝共同工作的组合截面按刚度分配原理不一致。另外，即使钢铝共同工作时横截面两个方向约束，垂直于横截面的轴向不约束，而导致铝材和钢材轴向变形不同步。铝材与钢材垂直于轴向方向的相对变形仍然会一致，也仅会出现铝材变形值和应力值比轴向约束时偏大而钢材应力值偏小的问题。因此，不存在钢铝相对变形不一致的情况。即使是钢铝共同工作时，施加的各向约束没有计算模型那么理想，从而导致实际承载的铝材应力值和变形值大于理论计算值而需设置调整系数，则钢铝杆件也应共同设置调整系统，同比例放大，以确保钢铝杆件相对变形一致。

下面通过公式计算和SAP2000 模拟分析两种情况：第一种为钢铝共同工作时，严格按刚度分配完全协同变形（公式计算）；第二种为钢铝共同工作时，除了轴向变形不协同外，耦合点间距为250mm，其它方向协同变形（SAP2000 分析）。计算假定条件：立柱分格间距为1 500mm，立柱跨度5 500mm，立柱为简支梁力学模型；铝立柱截面规格为180mm×100mm×3mm、钢立柱截面规格为160mm×80mm×6mm；风载标准值为2.5kN/m、地震荷载标准值0.2 kN/m、自重程序自动加载；组合设计值1.5 风载+1.3自重荷+0.65 地震荷载、组合标准值1.0 风载+1.0 自重荷载。分析结果如下：第一种情况（仅提供结果，计算过程略），铝材应力为59.442772N/mm、钢材应力为155.676152N/mm、挠度变形值为18.978473mm;第二种情况（仅提供结果截图，计算过程略），铝材应力为60.828N/mm（详见图3）、钢材应力为154.571N/mm（详见图4）、挠度变形值为19.057262mm（详见图5）。两种情况下：铝材强度比值约为1.023、钢材强度比值约为0.993，挠度变形比值约为1.004151。如果强度利用率按≤85%、挠度利用率按≤90%来控制，则完全不用考虑调整系数，但如果钢铝横截面非轴向相对位移不加约束，则结构承载安全风险较高，增加调整系统也解决不了问题。

图3 铝立柱应力示意图

图4 钢立柱应力示意图

图5 钢、铝立柱挠度示意图

6 关于幕墙室内侧相关条文的探讨

幕墙室内侧的相关条文“具备以下条件之一可不设护栏：在应设置护栏高度位置设有幕墙横梁，且横梁与立柱经抗冲击专项验算，满足可能发生的冲击力。冲击力标准值取1.2kN，应计入冲击系数1.50、荷载分项系数1.40。玻璃厚度、面积及防护措施符合《建筑玻璃应用技术规程》JGJ 113-2015 规定；中空玻璃的内片选用钢化玻璃，单块玻璃面积不大于3.0m，厚度不小于8mm；中空玻璃的内片选用夹层玻璃，单块玻璃面积不大于4.5m，厚度不小于12.76mm；单块玻璃面积大于4.5m，中空玻璃的内片采用夹层玻璃，厚度经专项计算确定，计算时荷载作用于玻璃板块中央，冲击力标准值1.5kN，冲击系数1.50，荷载分项系数1.40，且厚度不小于12.76mm。”

幕墙室内侧设置护栏最主要一点就是防止人员的临空坠落，既需有一定的防护高度，又需有一定抗冲击能力。因此，幕墙室内侧如不设置护栏，要从以下两个方面加以考虑：一是要有一定防护高度，二是各构件要有一定抗冲击能力。对于幕墙来说，具备一定的防护高度比较容易实现，抗冲击能力的验证则分为两种情况。一种情况：在1.1（1.2）m 防护高度设置幕墙横梁充当护栏的扶手，可假定该横梁、幕墙立柱、幕墙面板均直接承受冲击荷载作用，其它构件间接承受冲击荷载作用，具体如下：冲击荷载作用该横梁跨中及端部连接位置，冲击荷载作用立柱距可踏面0.8m、1.2m 两个高度的位置，冲击荷载作用幕墙面板左右跨中且高度0.8m 位置，其它间接承受冲击荷载构件依据力传导复核；另一种情况：防护高度不设置幕墙横梁，可假定幕墙立柱、幕墙面板均直接承受冲击荷载作用，其它构件间接承受冲击荷载作用，具体如下：冲击荷载作用立柱距可踏面0.8m、1.2m 两个高度的位置，冲击荷载作用幕墙面板左右跨中且高度0.8m、1.2m 的两个位置，其它间接承受冲击荷载构件依据力传导复核。上述两种情况，作用幕墙面板上的冲击荷载，受荷面积可按直径150mm 范围考虑。并应依据《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）、《建筑用玻璃与金属护栏》（JG/T 342-2012）、《建筑防护栏杆技术标准》（JGJ/T 470-2019）、《建筑幕墙耐撞击性能分级及检测方法》（GB/T 38264-2019）中关于护栏承受的荷载、冲击能量值和试验方法，在直接承受荷载构件上施加静荷载和冲击荷载，来从理论上分析验证幕墙各构件是否满足规范要求。理论分析计算的同时，还应进行耐撞击试验验证，两种方式都验证通过后方能认定安全可靠。

冲击力模拟分析过程如下：依据文献[6]，室内2 级软重物体冲击能量为980J、室内1 级硬重物体冲击能量为10.2J。依据文献[4]附录D、附录E，软重物质量45kg,硬重物质量1.04kg。假定，软体冲击时的接触时间t 为0.5s，硬体冲击时的接触时间t 为0.05s。假定，按可变动荷载考虑，动载系数为2，分项系数为1.5。依据力学知识可知，冲击力公式详见前文公式（1）及公式（4）（5）：

：冲击力标准值，单位N；

F：冲击力设计值，单位N；

：冲击能量，单位N.m；

：冲击物质量，单位kg；

：自由落体时速度，单位m/s；

g：加速度，9.8N/kg；

：自由落地高度，单位m；

：冲击接触时间，单位s。

将已知条件代入上述公式可得：M=45kg、M=1.04kg、E=980J、E=10.2J、t=0.5s、t=0.05s、H=2.2m、H=1m、V=6.6m/s、V=4.43m/s、F=594N、F=1782N、F=92N、F=276N。通过模拟分析可知，上述分析得出的冲击力标准值仅为该地标冲击力标准值1.5kN 的40%左右，该地标冲击力标准值过于保守，经济安全性比值偏低，不合理。因此，建议该地标后续修订时明确直接或间接承受冲击荷载的构件，明确面板承受冲击荷载时的受荷面积，确保实施时的可操作性。