對如何設計好構件式幕牆的探索 上

2021-09-23 13:25:05 字數 4677 閱讀 8225

隱框幕牆按附框與幕牆主桿件的安裝方法分為內嵌式、外扣式、外掛程式內裝式、全外裝式、外掛程式外裝式、外頓外裝式、小單元式。隱框中前3種為室內側安裝,其餘為室外側安裝(如圖2所示)。由於室內側安裝需要一定的室內空間,將來更換面板時需破壞內裝修,並且存在玻璃和鋁板的組合幕牆,鋁面板不好安裝的問題,所以本文的所有結構和節點均以室外側安裝來進行考慮和設計的。

圖2三. 幕牆主桿件與建築主體的連線設計

幕牆桿件與建築主體的連線結構一般為隱蔽工程,有時不是很引人注意,但實際上它對整個幕牆的安全性、可靠性以及幕牆的整體優化設計起著舉足輕重的作用。我們往往通過連線件把幕牆主受力桿件與主體結構上布置合理的埋件,用適合的方法進行連線。

1. 幕牆主受力桿件

通常情況下都選用立柱做幕牆主受力桿件,但實際上如果建築主體結構合適的情況下也可採用橫樑做主受力桿件(如圖3所示)。橫樑做主受力桿件,受力比較合理,防震效果更佳。並可以按多跨超靜定梁進行計算,這樣橫樑和立柱的截面相對比較小,經濟性比較好。

圖32. 埋件

埋件按其在主體結構上的位置劃分,可分為上埋式、側埋式和下埋式(如圖4所示),其中下埋式受力較為不利,應謹慎使用;按其安裝時間分為預埋式埋件和後補式埋件。後補式埋件只能通過膨脹螺栓和化學錨栓和主體結構進行連線。由於後補式埋件的安裝質量受現場施工的條件和人員操作水平的影響非常大,不容易控制,經常達不到設計指標,尤其是國家已明文規定受拉部位不允許使用膨脹螺栓,所以如非必要盡量不採用後補式埋件。

預埋式埋件根據埋件形狀分為槽形埋件(如圖5所示)和爪形埋件 (a~f為幾種常見型別,如圖6所示)。

圖4圖5

圖6埋件與主體的連線強度直接決定了整個幕牆的安全,必須嚴格控制。在埋件設計時應注意以下幾點:

(1).預埋式埋件錨筋與埋板的尺寸和位置在設計時應嚴格依據《玻璃幕牆工程規範》(jgj102-2003)及《混凝土結構設計規範》(gb50010-2002)進行設計。

(2).注意錨筋的長度不要超過結構尺寸(如梁厚度),避免錨筋露出結構外。

(3). 爪形埋件中a、b兩型錨筋宜採用螺紋鋼。c、d型的錨筋在設計時應考慮錨筋間的干涉及錨筋在安裝時與結構配筋之間的干涉問題。e、f型埋件適合於需要進行防雷的部位。

(4).埋板的大小在設計時應考慮幕牆的結構形式的需要。

3. 連線件

幕牆主受力桿件與埋件通過連線件進行連線。機械加工的幕牆桿件精度高,而隨建築土建施工的埋件誤差非常大,所以要求連線件有足夠的調節能力適應這種差異。連線件根據其可調節方式可分為普通連線件、三維連線件(如圖7所示) 和四維連線件。

連線件材料較為常用的是q235鋼板和型鋼,6063-t5擠壓鋁型材。四維連線件和鋁連線件由於成本較高,一般多應用於單元幕牆。

連線件的形式多種多樣,限於篇幅不能一一列出,應根據工程實際需求,進行選擇和設計。為了適應土建誤差和施工方便,幕牆主桿件與主體結構之間理論上應留有不小於50mm的間隙,並在三個方向上留有調節餘地:前後不小於±30mm,左右不小於±20mm,上下不小於±15mm。

雖然普通連線件只有乙個方向可以調節,但它可以與埋件進行點焊,如位置不合適,很容易拆下重新安裝。三維連線件為了實現三維調整,一般通過兩個連線件進行轉接,並需要在埋板上有調節螺栓。調節螺栓可以用栽焊的辦法安裝在埋板上或選擇帶有滑槽的埋件。

圖7連線件調整到位後,需在合適的時候將連線件與埋件、連線件之間、連線件與螺栓墊片(厚度≥3mm)進行焊接處理或採用其他措施保證牢固不鬆動。如使用鋁連線件,因其難以在現場焊接,也應採用有效措施保證連線部位牢固不鬆動。螺栓需與螺栓墊片點焊或有其他防鬆脫措施。

所有焊接部位均需要進行防腐處理。所有不同金屬接觸部位均應放置絕緣墊片,其中以尼龍墊片(2mm)最為合適,抗老化性好,有較好的硬度的同時又有一定的彈性。普通連線件在焊接時很容易將尼龍墊片燒化,所以有用1mm石棉墊片來替代的。

但石棉墊易吸水,失去絕緣作用,所以本著質量第一的精神,宜採用三維連線件。

由於所有的荷載最終都要通過連線件傳遞給主體,所以不管用什麼方法,幕牆主桿件與主體必須連線牢固,不宜採用彈性活動連線,不宜使用材質較軟的彈性墊片,不應產生相對滑移。

4. 合理設定埋件,選擇有利計算力學模型

不同的埋件設定,決定了不同的受力方式和計算力學模型,對優化設計,節約成本很關鍵,以下是幾種幕牆安裝方式及受力模型,如圖8所示。

圖8圖8的模型均是以上端懸掛為例,拉彎桿件要比下端支撐的壓彎構件受力好的多,不需計算失穩問題,所以實際設計中如無特殊情況,桿件均應採用上端懸掛。在相同的桿件和層高的情況下,這幾種計算模型裡,簡支梁受力最為不利,對立柱的慣性矩和抵抗矩的要求最大,但簡支梁安裝簡單,適應性強,有無窗台牆均可,對插芯的要求不高。外伸梁和雙跨樑受力較簡支梁有利的多,較為節約立柱材料,但對主體結構和設計均有要求。

外伸梁尤其是雙跨外伸梁,需要有窗台牆遮擋幕牆立柱接縫,並且插芯要有相當的強度來抵禦所受彎矩。雙跨樑則需要下返梁有足夠的空間來安裝第二個埋件,並且下支撐點應為長圓孔。在條件允許的情況下,雙跨樑可以選擇上埋和下埋的組合,這樣中間支點最接近梁中間,受力最為有利。

另外,一般情況下構件式幕牆和單元式幕牆均不宜簡化為連續梁,因為這樣做弊病較大。

四. 幕牆主桿件之間的連線設計

幕牆主桿件之間的連線設計包括立柱與立柱的連線設計和立柱與橫樑的連線設計。

1. 立柱與立柱的連線設計(橫樑與橫樑的連線)

立柱與立柱之間應預留不小於20mm的間隙,以適應和吸收主體沉降、溫差變形、**作用和施工誤差。立柱與立柱連線一般都通過乙個插芯(一端固定,一端自由)來實現的。插芯設計應注意以下幾點:

(1). 插芯應有合適的強度

當插芯位於支點附近,按簡支梁進行計算時,其所受彎矩接近於零,所受剪力接近最大。當插芯離支點較遠,按外伸梁進行計算時,其所受彎矩和剪力都比較大。往往立柱外伸部分受窗台牆的影響,一般不會太長,所以插芯所受彎矩遠遠小於立柱所受彎矩。

但本著安全的原則,插芯的安全係數應大於立柱,具體要求如下:

1 為了增加插芯的抗剪能力和慣性矩,插芯的壁厚應滿足t≥4mm(實際應用中為了經濟省料,一般以t=4mm居多)。

2 插芯的慣性矩一般可以小於立柱慣性矩,但其最小慣性矩應滿足icx≥50cm4。

3 當鉸點螺栓貫穿插芯按簡支梁計算時,插芯的慣性矩icx應大於立柱慣性矩ilz的八分之一。

4 當按外伸梁計算時,插芯的慣性矩icx應大於立柱慣性矩ilz的二分之一,在必要時可以等於或大於立柱慣性矩。

(2).插芯與立柱連線應採用線接觸

由於型材在擠壓時,必然會產生彎曲、扭擰變形,而插芯必須要插入立柱一定深度(102-2003規定插芯長度≥250mm),如採用四周面接觸,勢必會造成很難安裝進去。所以插芯與立柱連線應採用線接觸,以下是幾種常見的設計方法(如圖9)

圖91型不是乙個好方案,它的尖點在風荷載的作用下,很快發生較大的擠壓變形,造成插芯與立柱的配合間隙加大,對抵禦風荷載非常不利。這個方案在插芯上絕對不應當使用。

2型是乙個可以採用的方案,尖點雖然也會發生擠壓變形,但由於它的尖點是圓弧型的,變形較小,對插芯與立柱的配合影響不大。其設計值應滿足:a=2~3mm,h=1~4mm。

3型是乙個非常值得推薦和優先使用的方案。它的尖點是乙個1mm的平台,很難發生擠壓變形。在設計合理的情況下,它的防雷導通能力很好,插芯與立柱的接觸面積可滿足規範上防雷的要求,可以取消在立柱與立柱之間為防雷而設的連線片。

當然這樣也是有風險的,那就是如何與監理協調。其設計值應滿足:a=3~4mm,h=1~4mm。

h取1~4mm是較為合理的,太大這條筋的強度會拖累整個插芯的強度。

(3).插芯與立柱的配合設計

插芯與豎框的配合一般以豎框內腔為基準來進行插芯外廓尺寸的設計。為了有效抵抗風荷載,前後總間隙不宜太大,也不宜使用過盈和過渡配和造成安裝困難,綜合考慮取0~0.5mm為宜。

由於與主體結構連線處理牢固後,需在此處考慮減震,同時間隙不能太大,所以左右總間隙取0.5~1.0mm為宜。

圖10如圖10所示,按層間高3500mm,插芯插入深度為(250-20)/2=115mm進行計算,當插芯和立柱配合間隙為δ2=0.5~1.0時立柱所允許的的變形量為:

δ1=3500×δ2/115=15.22~30.44mm

而鋼筋混凝土框架的樓層彈性層間位移角限值θ=1/550,防震設計時的允許變形量為:

δdz=3500×3θ=19.09mm

兩值相比較δ=δ1-δdz=-3.87~11.35mm。

可以看出絕大部分情況都可以滿足防震設計的要求,當插芯和立柱間隙最小時,立柱的變形也才不到4mm,效果非常理想。按此間隙配合,還可以避免立柱與插芯之間的摩擦雜訊。

(4). 乙個錨點的立柱不能按連續梁進行計算

現在經常有一些專家把圖8前2種模型按連續梁進行計算,包括一些軟體也提供這種演算法,這是十分錯誤的。只有達到以下條件才能稱為連續梁:

1 插芯的慣性矩應大於與之相配的立柱的慣性矩。

2 在兩個方向上總間隙均不超過0.2mm。

3 插芯總長度應為立柱內腔對角線長度的4倍。

4 立柱為拉彎構件。

在這種情況下,不僅安裝困難,防震效果不好,而且讓較小尺寸的插芯慣性矩比大尺寸的立柱還要大,其壁厚需增加很多,再加上插芯總長度也加長了好多,基本和立柱上省下的料抵消了。所以實際中很少有人會這樣設計,如仍按連續梁進行計算,立柱將偏於不安全。實際上完全可以按外伸梁或雙跨樑來計算和設計,即節約鋁型材,又很安全。

2. 立柱與橫樑的連線設計

立柱與橫樑的連線設計是幕牆設計中的乙個難點。這是因為抵抗風荷載要求的是個「牢」字,而吸收**作用和溫差產生的熱應力則要求個「活」字。設計時只有把這兩個看似矛盾要求統一起來,才有可能是好的結構。

而玻璃對橫樑又是偏心壓力,容易造成橫樑偏轉,這又是乙個立柱與橫樑設計中很棘手的問題。所以儘管立柱與橫樑的連線的方法種類繁多,但好的設計很少。比較典型的結構有以下幾種:

橫豎插接式、角碼脹浮式、角碼插接式、通槽螺栓式、雙向鎖緊式等。

如何設計構件式幕牆

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