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玻璃幕墙结构计算一

1．前言

随着建筑业的发展，玻璃幕墙得到了广泛使用，修订版《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ 102-2003)的发布，标志我国幕墙行业的技术标准跨上了新台阶。为助于幕墙行业工程技术人员理解、应用此规范，确保幕墙结构的安全性、可靠性，特撰写此文。本文包括结构设计基本规定、幕墙所受荷载及作用、玻璃计算、结构胶计算、横梁计算、立柱计算、连接计算等内容。

2．结构设计基本规定

2.1幕墙结构设计方法
　　 幕墙的结构计算，采用以概率论为基础的极限状态设计方法，用分项系数设计表达式进行计算。极限状态包括两种：

　 a．承载能力极限状态：主要指强度破坏、丧失稳定。{TodayHot}

　　 b．正常使用极限状态：主要指产生影响正常使用或外观的变形。

　　 2.2设计验算基本过程
　　 设计验算基本过程分以下三步：
　　 a．根据实际情况进行荷载及作用计算。
　　 b．根据构件所受荷载及作用计算荷载效应及组合。
　　 c．根据验算公式进行设计验算。

　　 2.3验算公式
　　 2.3.1承载力验算：
　　 S≤R
　　 S：荷载效应按基本组合的设计值，可以是内力或应力。
　　 具体到幕墙构件：
　　 S=γgSgk+ψwγwSwk+ψeγeSek
　　 其中：
　　 Sgk———永久荷载效应标准值；
　　 Swk———风荷载效应标准值；
　　 Sek———地震作用效应标准值；
　　 γg———永久荷载分项系数，取γg=1.2；
　　 γw———风荷载分项系数，取γw=1.4；{HotTag}
　　 γe———地震作用分项系数，取γe=1.3；
　　 ψw———风荷载组合值系数，取ψw=1.0；
　　 ψe———地震作用组合值系数，取ψe=0.5。
　　 R：抗力设计值，可以是构件的承载力设计值或强度设计值。



　　 ①如果已知承载力设计值或强度设计值，可直接引用。见《玻璃幕墙工程技术规范(JGJ 102-2003)》P20§5.2“材料力学性能”。

　　 ②如果已知承载力标准值或强度标准值，则需除以材料分项系数K2，得到承载力设计值或强度设计值，举例如下：

　　 石材，已知其弯曲强度平均值fgm= 8MPa，则其抗弯强度设计值fg1=fgm/K2=fgm/2.15=3.72(MPa)；锚栓，已知其极限抗拉力为50kN，则其抗拉力设计值F=50/K2=50/2=50/2=25(kN)。

　　 不同材料的材料分项系数K1是由其总安全系数K及荷载分项系数K2决定的。其数学关系为K=K1K2。不同材料的总安全系数K举例如下：石材K=3，连接K=2.8，玻璃K=2.5。而起主要控制作用的风荷载的荷载分项系数K1=1.4。所以可换算得到：石材的材料分项系数K2=K/K1=3/1.4=2.15，连接的材料分项系数K2=K/K1=2.8/1.4=2，玻璃的材料分项系数K2=K/K1=2.5/1.4=1.785。

　　 2.3.2挠度验算
　　 df≤df·lim
　　 df：构件在风荷载标准值或永久荷载标准值作用下产生的挠度值。
　　 df·lim：构件挠度限值。

　　 在钢结构计算中，挠度验算应考虑不同作用效应的组合。但在幕墙计算中，出于简化考虑，不考虑不同作用效应的组合，仅须分别单独计算风荷载或永久荷载标准值作用下的挠度。

　　 具体到下列幕墙构件：
　　 铝横梁、立柱：df·lim=l/180，l为支点间距离。
　　 钢横梁、立柱：df·lim=l/250，l为支点间距离。
　　 四边支承玻璃：df·lim=短边边长/60
　　 四点支承玻璃：df·lim=支承点间长边边长/60
　　 玻璃肋对边支承玻璃：df·lim =跨度/60
　　 玻璃肋：df·lim=计算跨度/200
3．幕墙所受荷载及作用

　　 3.1永久荷载
　　 永久荷载即重力荷载，根据材料的重力密度及具体尺寸计算。
　　 例如，计算规格为6+0.76PVB+6(mm)钢化夹胶玻璃的永久荷载标准值：
　　 qgk0=t0×γg/1000=12×25.6/1000=0.307(kPa)
　　 其中：
　　 t0—玻璃片总厚度，t0=12(mm)；
　　 γg—玻璃重力密度，γg=25.6(kN/m3)。
　　 如考虑玻璃上铝粘接框重量，假设铝粘接框重量为玻璃重量的20%，则玻璃与铝框永久荷载标准值：
　　 qgk=(1+20%)qgk0=(1+20%)×0.307=0.368(kPa)

　　 3.2风荷载
　　 幕墙的风荷载标准值按下式计算，且不应小于1.0kPa。
　　 wk=βgzμsμzw0
　　 其中：
　　 wk———风荷载标准值；
　　 βgz———阵风系数，按幕墙距地面高度、地面粗糙度查表；
　　 μs———风荷载体形系数；
　　 对于负压区墙面，取-1.2(外压-1.0，再考虑内压-0.2)
　　 对于负压区墙角边，取-2.0(外压-1.8，再考虑内压-0.2)
　　 对于雨蓬，取-2.0
　　 μz———风压高度变化系数，按幕墙距地面高度、地面粗糙度查表；
　　 w0———基本风压，取50年一遇基本风压。
　　 例如，已知w0=0.75kPa，地面粗糙度为C类，幕墙最高80m，求墙面风荷载标准值：
　　 wk=βgzμsμzw0=1.64×1.2×1.538×0.75=2.27(kPa)

　　3.3地震作用
　　垂直于玻璃幕墙平面的分布水平地震作用标准值按下式计算：
　　qek=βeαmaxGk/A
　　其中：
　　qek———垂直于玻璃幕墙平面的分布水平地震作用标准值；
　　βe———地震动力放大系数，取5.0(为使脆性材料在设防烈度下不破损伤人而考虑)；
　　αmax———水平地震影响系数最大值，按抗震设防烈度和设计基本地震加速度查表；
　　Gk———幕墙构件(包括玻璃面板和铝粘接框)的永久荷载标准值；
　　A———幕墙面积，Gk/A即为玻璃与铝框永久荷载标准值qgk。

　　例如，已知深圳地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g，玻璃为6+0.76PVB+6(mm)钢化夹胶玻璃，求分布水平地震作用标准值：
　　 qek=βeαmaxGk/A=βeαmaxqgk=5×0.08×0.368=0.147(kPa)



4．玻璃计算

　　 4.1玻璃最大应力标准值
　　 玻璃面板为四边支承板，其最大应力标准值按下式计算：σk=η(6mqka2/t2)
　　 其中：
　　 σk———玻璃在荷载作用下的最大应力标准值；
　　 qk———垂直作用在玻璃幕墙平面上的荷载或作用标准值；
　　 a———矩形玻璃板短边边长；
　　 t———玻璃厚度；
　　 m———弯矩系数，按玻璃板短边与长边边长之比a/b查表；
　　 η———考虑玻璃板在外荷载作用下大挠度变形影响的应力折减系数。
　　 按θ=(wk+0.5qek)a4/(Egt4)查表，Eg为玻璃的弹性模量。

　　4.2玻璃跨中挠度
　　玻璃跨中挠度按下式计算：df=η(μwka4)/D
　　其中：
　　df———玻璃在风荷载标准值作用下的挠度最大值；
　　wk———风荷载标准值；
　　D———玻璃刚度，D=Egt3/[12×(1-ν2)]，t为玻璃厚度，ν为玻璃泊松比；
　　μ———挠度系数，按玻璃板短边与长边边长之比a/b查表；
　　η———挠度折减系数，按θ=wka4/(Egt4)查表。
4.3计算夹胶玻璃的特别规定

　　 4.3.1应力计算
　　 计算夹胶玻璃应力时，作用于夹胶玻璃上的荷载及作用按下式分配到两片玻璃上：
　　 qk1=qkt13/(t13+t23)
　　 qk2=qkt23/(t13+t23)
　　其中：
　　 qk———垂直作用在玻璃幕墙平面上的荷载或作用标准值；
　　 qk1、qk2———分别为分配到各单片玻璃的荷载或作用标准值；
　　 t1、t2———分别为各单片玻璃的厚度。
　　推导：不考虑夹胶层的粘接作用，偏安全地认为内外片玻璃板叠置。夹胶玻璃内外片玻璃板在板面均布荷载qk作用下，虽然各自弯曲，但其曲率和挠度相同。设内、外片玻璃板的厚度分别为t1、t2，弯曲刚度分别为D1、D2，分担荷载分别为qk1、qk2。根据弹性力学推导，每片玻璃分担的荷载按各自弯曲刚度的比例分配，即：
　　 qk1=qkD1/(D1+D2)
　　 qk2=qkD2/(D1+D2)
　　 由于玻璃板弯曲刚度D=Egt3/[12×(1-ν2)]，所以分担荷载按其厚度立方的比例分配，即：
　　 qk1=qkt13/(t13+t23)
　　 qk2=qkt23/(t13+t23)
　　 4.3.2挠度计算
　　 玻璃跨中挠度仍按下式计算：
　　 df=η(μwka4)/D
　　 但在计算玻璃刚度D时，应采用等效厚度te。
　　 推导：偏安全地认为内外片玻璃板叠置，并忽略夹胶层的抗弯贡献，则夹胶玻璃的等效刚度为两片玻璃弯曲刚度之和，即：D=D1+D2。由于刚度D与其玻璃厚度的立方成正比，所以计算挠度时的等效厚度te按两片玻璃厚度立方和的立方根取用。

　　 4.4计算中空玻璃的特别规定

　　 4.4.1应力计算
　　 计算中空玻璃应力时，作用于夹胶玻璃上的风荷载标准值按下式分配到两片玻璃上：
　　 wk1=1.1wkt13/(t13+t23)
　　 wk2=wkt23/(t13+t23)
　　其中：
　　 wk———垂直作用在玻璃幕墙平面上的风荷载标准值；
　　 wk1、wk2———分别为分配到外片玻璃、内片玻璃的风荷载标准值；
　　 t1、t2———分别为外片玻璃、内片玻璃的厚度。
　　由于地震作用相对于风荷载，其值较小，不足以使中空玻璃的内外片玻璃板产生相同的挠度，所以地震作用不按内外片玻璃的刚度分配，而按各自板块的自重分配，即按内外片玻璃板的厚度分配，其公式为：
　　 qek1=qekt1/(t1+t2)
　　 qek2=qekt2/(t1+t2)

　　 4.3.2挠度计算
　　 玻璃跨中挠度仍按下式计算：
　　 df=η(μwka4)/D
　　 但在计算玻璃刚度D时，应采用等效厚度te。te按下式计算：
　　 te=0.95×
　　 由于中空玻璃的两片玻璃之间有气体层，直接承受荷载的外片玻璃的挠度要略大于间接承受荷载的内片玻璃的挠度，分配的荷载相应也略大一些。故将外片玻璃分配的荷载加大10%，同时将中空玻璃的等效厚度te减小5%，这样计算出的结果与试验结果相近。

　　 4.5玻璃计算实例

　　 4.5.1玻璃强度计算
　　 玻璃所受荷载及作用按本文“3．幕墙所受荷载及作用”一章中计算实例取值。玻璃为四边支承板，玻璃短边a=1.2m，长边b=2.0m。玻璃规格为6+0.76PVB+6(mm)钢化夹胶玻璃。

　　 4.5.1.1风荷载标准值产生的应力
　　 已知wk=2.27(kPa)，外片玻璃所受的风荷载标准值：
　　 wk1=wkt13/(t13+t23)=2.27×63/(63+63)=1.14(kPa)
　　 内片玻璃所受的风荷载标准值：
　　 wk2=wkt23/(t13+t23)=2.27×63/(63+63)=1.14(kPa)
　　 按a/b=0.6，查得四边简支玻璃板的弯矩系数m=0.0868
　　 所以外片玻璃板最大应力(暂未考虑折减系数η)：
　　 σwk1=6mwk1a2/t12=6×0.0868×1.14×12002/62=23.75(MPa)
　　 内片玻璃板最大应力(暂未考虑折减系数η)：
　　 σwk2=6mwk2a2/t22=6×0.0868×1.14×12002/62=23.75(MPa)

地震作用标准值产生的应力
　　 已知qek=0.147(kPa)，
　　 外片玻璃所受的地震作用标准值：
　　 qek1=qekt13/(t13+t23)=0.147×63/(63+63)=0.07(kPa)
　　 内片玻璃所受的地震作用标准值：
　　 qek2=qekt23/(t13+t23)=0.147×63/(63+63)=0.07(kPa)
　　 所以外片玻璃板最大应力(暂未考虑折减系数η)：
　　 σek1=6mqek1a2/t12=6×0.0868×0.07×12002/62=1.46(MPa)
　　 内片玻璃板最大应力(暂未考虑折减系数η)：
　　 σek2=6mqek2a2/t22=6×0.0868×0.07×12002/62=1.46(MPa){TodayHot}

4.5.1.3应力折减系数
　　 θ1=(wk1+0.5qek1)a4/(Egt14)=(1.14+0.5×0.07)×10-3×12004/(7.2×104×64)=26.1
　　 θ2=(wk2+0.5qek2)a4/(Egt24)=(1.14+0.5×0.07)×10-3×12004/(7.2×104×64)=26.1
　　 查表得：应力折减系数η1=η2=0.896
4.5.1.4应力组合设计值
　　 外片玻璃板最大组合应力(考虑折减系数)：
　　 σ1=η1(ψwγwσwk1+ψeγeσek1)=0.896×(1.0×1.4×23.75+0.5×1.3×1.46)=30.64(MPa) 　　 内片玻璃板最大组合应力(考虑折减系数)：
　　
σ2=η2(ψwγwσwk2+ψeγeσek2) =0.896×(1.0×1.4×23.75+0.5×1.3×1.46)=30.64(MPa)
　　
4.5.2玻璃刚度计算

4.5.2.1玻璃等效厚度
　　 te==7.56(mm){HotTag}

4.5.2.2玻璃刚度
　　 D=Egte3/[12×(1-ν2)]=7.2×104×7.563/[12×(1-0.22)]=2700508(N·mm)

4.5.2.3挠度折减系数
　　 θ=wka4/(Egte4)=2.27×10-3×12004/(7.2×104×7.564)=20
　　 查表得：挠度折减系数η=0.92

4.5.2.4挠度系数
　　 按a/b=0.6，查得四边简支玻璃板的挠度系数μ=0.00867

4.5.2.5跨中挠度
　　 在风荷载标准值作用下，玻璃板跨中挠度：
　　 df=η(μwka4)/D=0.92×(0.00867×2.27×10-3×12004)/2700508=13.9(mm)
5．结构胶计算

5.1结构胶尺寸构造要求
　　 粘接宽度cs≥7mm，粘接厚度ts≥6mm，且2ts≥cs≥ts。
5.2结构胶强度设计值
　　 结构胶在风荷载或地震作用下的强度设计值：f1=0.2(MPa)
　　 结构胶在永久荷载作用下的强度设计值：f2=0.01(MPa)

5.3结构胶粘接宽度计算
　　 结构胶粘接宽度CS取以下两种情况的较大值：
　　 在风荷载和水平地震作用下，结构胶粘接宽度
　　 cs1=(w+0.5qe)a/(2000f1)
　　 在玻璃永久荷载作用下，结构胶粘接宽度cs2=qgab/[2000(a+b)f2]
　　其中：
　　 w———风荷载设计值；
　　 qe———地震作用设计值；
　　 qg———玻璃重力荷载设计值；
　　 a、b———分别为矩形玻璃板短边和长边边长。
　　 推导：幕墙玻璃在风荷载和水平地震作用下的受力状态相当于承受均布面荷载的四边支承板，其荷载传递如图5.1所示。玻璃板块在支承边缘的最大线均布拉力为(w+0.5qe)a/2，由结构胶的粘接力承受，即：
　　 f1cs=(w+0.5qe)a/2
　　 故cs=(w+0.5qe)a/(2f1)
　　 在重力荷载设计值作用下，竖向玻璃幕墙的结构胶缝均匀承受长期剪应力。胶缝长度为玻璃边长之和，即2(a+b)。胶缝宽度为cs。重力集中荷载设计值为qgab。故：
　　 f1cs×2(a+b)=qgab
　　 cs=qgab/[2(a+b)f1]
　　 当w+0.5qe采用kPa为单位时，须除以1000予以换算。
5.4结构胶计算实例

5.4.1结构胶粘接宽度计算
　　 玻璃所受荷载及作用按本文“3．幕墙所受荷载及作用”一章中计算实例取值。已知qgk0=0.307kPa，wk=2.27kPa，qek=0.147kPa。主体结构的结构类型为钢筋混凝土框架结构。玻璃为四边支承板，玻璃短边a=1.2m，长边b=高度hk=2.0m。
　　
5.4.1.1在风荷载和水平地震作用下，结构胶粘接宽度
　　 cs1=(w+0.5qe)a/(2000f1)=(1.4wk+0.5×1.3qek)a/(2000f1)=(1.4×2.27+0.5×1.3×0.147)×1200/(2000×0.2)=9.8(mm)

5.4.1.2在玻璃永久荷载作用下，结构胶粘接宽度
　　 cs2=qgab/[2000(a+b)f2]=1.2qgk0ab/[2000(a+b)f2]=1.2×0.307×1200×2000/[2000×(1200+2000)×0.01]=13.9(mm)

5.4.1.3由前二式计算结果，结构胶粘接宽度cs应≥13.9(mm)

5.4.2结构胶粘接厚度计算
　　 根据主体结构的结构类型-钢筋混凝土框架结构，查得风荷载作用下主体结构楼层弹性层间位移角限值θ=1/550rad。玻璃高度hk=2.0m。故相对位移us=θhk=1/550×2000=3.64(mm)。按结构胶生产厂家提供，结构胶变位承受能力δ=0.125。所以结构胶粘接厚度：
　　 ts≥us/[δ(δ+2)]1/2=3.64/[0.125×(0.125+2)]1/2=7.1(mm)
　　 由上式计算结果，结构胶粘接厚度ts应≥7.1(mm)

　　
6．横梁计算

6.1厚度规定
　　
6.6.1宽厚比
　　 横梁截面自由挑出部位和双侧加劲部位的宽厚比bO/t应符合表6.1的要求。

6.6.2厚度
　　 横梁截面主要受力部位厚度t应符合表6.2的要求。

6.2受弯承载力验算公式
　　 Mx/(γWnx)+My/(γWny)≤f
　　其中：
　　 Mx———横梁绕截面x轴(幕墙平面内方向)的弯矩组合设计值；
　　 My———横梁绕截面y轴(幕墙平面外方向)的弯矩组合设计值；
　　 Wnx———横梁截面绕截面x轴(幕墙平面内方向)的净截面抵抗矩；
　　 Wny———横梁截面绕截面y轴(幕墙平面外方向)的净截面抵抗矩；
　　 γ——塑性发展系数，取γ=1.05；
　　 f———型材抗弯强度设计值。

6.3受剪承载力验算公式
　　 VySx/(Ixtx)≤f
　　 VxSy/(Iyty)≤f
　　其中： Vx———横梁水平方向(x轴)的剪力设计值；
　　 Vy———横梁竖直方向(y轴)的剪力设计值；
　　 Sx———横梁在中性轴x轴一侧的部分截面绕x轴的毛截面面积矩；
　　 Sy———横梁在中性轴y轴一侧的部分截面绕y轴的毛截面面积矩；
　　 Ix———横梁截面绕x轴的毛截面惯性矩；
　　 Iy———横梁截面绕y轴的毛截面惯性矩；
　　 tx———横梁截面垂直于x轴腹板的截面总厚度；
　　 ty———横梁截面垂直于y轴腹板的截面总厚度。
　　 f———型材抗剪强度设计值。

6.4横梁计算实例
　　 幕墙所受荷载及作用按本文“3．幕墙所受荷载及作用”一章中计算实例取值。已知qgk=0.368kPa，wk=2.27kPa，qek=0.147kPa。玻璃短边a=横梁跨度a=1.2m，长边b=2.0m。
　　 横梁截面如图6.1所示。横梁截面参数取值如下：
　　 毛截面惯性矩：Ix=736492(mm4)Iy=468972(mm4)
　　 净截面抵抗矩：Wx=18412(mm3)Wy=15632(mm3)

6.4.1在荷载标准值作用下，横梁的内力及挠度
6.4.1.1在风荷载标准值作用下，横梁的内力及挠度
　　 在风荷载标准值作用下，横梁的计算简图如图6.2所示。
　　 线荷载：qwk=2×(wka/2)=2×(2.27×1.2/2)=2.724(kN/m)
　　 (wka/2乘2倍系因为横梁上、下三角形荷载叠加) 跨中最大弯矩：
　　 Mwk=qwka2/12=2.724×1.22/12=0.33(kN·m)
　　 跨内最大剪力：
　　 Vwk=qwka/4=2.724×1.2/4=0.82(kN)
　　 跨中最大挠度：
　　 uwk=qwka4/(120EIy)=2.724×12004/(120×7.0×104×468972)=1.43(mm)
6.4.1.2在地震作用标准值作用下，横梁的内力
　　 在地震作用标准值作用下，横梁的计算简图如图6.2所示。
　　 线荷载：
　　 qxek=2×(qeka/2)=2×(0.147×1.2/2)=0.176(kN/m)
　　 跨中最大弯矩：
　　 Mek=qxeka2/12=0.176×1.22/12=0.021(kN·m)
　　 跨内最大剪力：
　　 Vek=qxeka/4=0.176×1.2/4=0.05(kN)

6.4.1.3在重力荷载标准值作用下，横梁的内力及挠度
　　 在重力荷载标准值作用下，横梁的计算简图如图6.3所示。
　　 集中荷载：
　　 Pgk=qgkab/2=0.368×1.2×2.0/2=0.442(kN)
　　 跨中最大弯矩：
　　 Mgk=Pgkn=0.442×0.25=0.111(kN·m)
　　 (n为玻璃垫块至横梁端部的距离，按实际取n=0.25m)
　　 跨内最大剪力：
　　 Vgk=Pgk=0.442(kN)
　　 跨中最大挠度：
　　 ugk=Pgkαa3(3-4α2)/(24EIx)=0.442×103×0.208×12003×(3-4×0.2082)/(24×7.0×104×736492)=0.36(mm)
　　 （α=n/a=0.25/1.2=0.208）

6.4.2横梁验算
　　 横梁材质为铝合金6063-T5，抗弯强度设计值f=85.5MPa，抗剪强度设计值f=49.6MPa。

6.4.2.1受弯承载力验算
　　 绕x轴(幕墙平面内方向)的弯矩组合设计值：
　　 Mx=γgMgk=1.2×0.111=0.13(kN·m)
　　 绕y轴(幕墙平面外方向)的弯矩组合设计值：
　　 My=ψwγwMwk+ψeγeMek=1.0×1.4×0.33+0.5×1.3×0.021=0.48(kN·m)
　　 受弯承载力验算：
　　 Mx/(γWnx)+My/(γWny) =0.13×106/(1.05×18412)+0.48×106/(1.05×15632)=36.00(MPa)≤f=85.5(MPa)(满足)

6.4.2.2受弯承载力验算
　　 横梁水平方向(x轴)的剪力设计值：
　　 Vx=ψwγwVwk+ψeγeVek=1.0×1.4×0.82+0.5×1.3×0.05=1.18(kN)
　　 横梁竖直方向(y轴)的剪力组合设计值：
　　 Vy=γgVgk=1.2×0.442=0.53(kN)
　　 横梁在中性轴x轴一侧的部分截面绕x轴的毛截面面积矩(按图6.1所示)：
　　 Sx=(60-6)×3×38.5+2×40×3×20=11037(mm3)
　　 横梁在中性轴y轴一侧的部分截面绕y轴的毛截面面积矩：
　　 Sy=(80-6)×3×28.5+2×30×3×15=9027(mm3)
　　 受剪承载力验算：
　　 VySx/(Ixtx)=0.53×103×11037/[800000×(3+3)]=1.22(MPa)≤f=49.6(MPa)(满足)
　　 VxSy/(Iyty)=1.18×103×9027/[500000×(3+3)]=3.55(MPa)≤f=49.6(MPa)(满足)

6.4.2.3局部稳定验算
　　 横梁水平方向(x轴)腹板宽厚比b1/t1=(60-6)/3=18.0≤50(满足)
　　 横梁竖直方向(y轴)腹板宽厚比b2/t2=(80-6)/3=24.7≤50(满足)

6.4.2.4刚度验算
　　 由前计算，在风荷载标准值作用下，横梁挠度
　　 uwk=1.43(mm)≤a/180=1200/180=6.67(mm)(满足)
　　 由前计算，在重力荷载标准值作用下，横梁挠度
　　 ugk=0.36(mm)≤a/180=1200/180 =6.67(mm)(满足

论石材幕墙的深化设计

　 目前幕墙干挂石材设计，设计单位通常只提供立面分格形式和少量节点图，其细致程度无法达到依图施工
　 的程度，因此，石材板及相关的干挂体系的深化设计工作就非常必要，这项工作一般由挂板施工单位负责。
　 由于其技术水平的参差不齐，许多石材工程甚至没有相应的力学计算和现场试验验证，石材及干挂体系的
　 选择和确定均依据日常的施工经验进行，很有可能造成强度不足的危险隐患或强度过大的材料浪费。干挂
　 石材的设计必须按照相关规范，依严格的程序进行，其力学计算结论要与现场的力学性能试验结果相吻合。
　 本文根据石材幕墙工程施工及设计的工程实践，从石材、龙骨、挂件的材料的选择、物理实验性能、力学
　 计算、模拟实际情况的现场受力性能实验、施工图设计等各个阶段，介绍干挂石材的全过程设计。
总论：
　 石材幕墙的深化设计通常根据设计方提供的图纸确定石材的精确分格尺寸、颜色、材质、嵌缝材料等，
　 并绘出尺寸详尽的石材立面图及各复杂部位的节点详图，然后依各单块石材的重量、尺寸及抗震、抗风压
　 等各项要求，进行相关的力学计算，确定石材的干挂方式及龙骨体系、埋件、连接件等的尺寸规格。并在有
　 条件的情况下，对计算结果进行现场的力学性能试验，以确保石材幕墙的安全性。
1.石材的选择
　 对于深化设计而言，应配合设计单位和建设方的工作，根据设计方对幕墙分格形式及材质颜色等建筑效
　 果的要求，向建设方提供各种石材样本，以协助其尽快确定所用石材。通常要在对几种石材的选择中，应依
　 据所掌握的石材资料，重点考虑拟用石材的表面特征、颜色和纹理等技术性能指标。尽管石材供应商已给出
　 了石材的物理性能指标，但石材作为一种天然材料其物理性质变化很大，因此必须重新确认，以便为石材的
设计确立相应的设计指标。
2.干挂方式的选择
　 石材的干挂方式有钢销式、通槽式、短槽式、背栓式等几种形式，较常用的有短槽式和背栓式两种，其
悬挂方
　 式如图1所示，比较而言，短槽式成本较低但安全性不如背栓式，通常用于石材重量不太大或安全系数
　 要求不太高时；背栓式干挂牢靠稳定，但成本较高，用于较大块石材（厚度30㎜时石材面积大于1.5㎡）
或对石材安全性能要求较高时。
3.石材及干挂体系的力学计算
　 首先确定幕墙所受的荷载及作用形式，然后确定石材的干挂方式，进而确定石材板块的计算模型，进行受
　 力安全性计算，最后根据干挂体系所受荷载值确定干挂体系的构造形式和所用挂件、连接件、埋件及横竖
　 龙骨的规格尺寸。石材及其干挂体系的设计应符合国家行业标准《金属与石材幕墙工程技术规范》
JGJ133-2001的要求。
3.1荷载的确定
　 计算时通常考虑材料的自重、所受风荷载及地震荷载，并根据荷载作用方式对其进行组合。其相应分项系数
　 及组合系数都应严格按规范要求取用，对某些特殊的建筑物，设计说明书中对相应荷载计算取值会有特殊要
　 求，在计算时应和规范对照取其最大值。对干挂体系进行计算时，应根据刚体的力的传递的特性，确定其所
　 受荷载进行力学计算。有时。一些荷载不易确定时，可通过模拟试验来确定其大小。

[在幕墙设计和材料的选择中，业主和有关技术人员应考虑到幕墙的物理耐用年限。在我们预计幕墙的物理耐用年限时，不能要求幕墙与主体结构具有相同的耐久性，也不能要求每种幕墙( 如铝合金玻璃幕墙、全玻璃幕墙、复合铝板幕墙、单层铝板幕墙、蜂窝铝板幕墙、干挂花岗岩幕墙、干挂大理石幕墙)具有相同的耐久性，这不仅是没有必要，也是不经济，而且难以达到。
。。影响幕墙耐久性的一些因素：
。。1、风荷载 、地震与温度的影响：幕墙在主体结构上不是静止的，而是处于不断地运动之中。温度可使幕墙伸缩缝不断变化，胶缝不断变位，风荷载能使高层建筑顶层位移达10cm之多，并使幕墙产生位移和变形；而地震的动力加速度施加于建筑物时，建筑结构产生剪切 、变位 、拉转、振动等效应，能够影响幕墙，这些都能明显地影响幕墙的耐久性。
。。2、大气作用的影响：
。。大气中的烟尘污染 、废气污染 、水分都可以造成幕墙的腐蚀或功能性减退，从而影响幕墙耐久性。如工业废气中的C02、S02、和N02，在大气中遇水会形成硫酸 、碳酸、硝酸，对铝合金及石材都有浸蚀作用。如石材含水率高时，受冻破坏的作用就大 。幕墙到底能用多少年?我们看到幕墙材料厂家的质保期为：
。。A．铝板表面的碳氟喷涂，喷涂厂方给予保用10年质量承诺。
。。B．镀膜玻璃的金属镀膜层，玻璃厂家给予10年期的质量保证。
。。C．建筑硅酮密封胶，其厂家提供10年的质保期。
。。为什么这些厂家都只提出10年保证期?是否这些产品的物理耐用年限只有10年?幕墙是否只能使用10年?
。。根据我们从资料上的信息， 氟碳喷涂的使用寿命在正常的环境中，可达20-30年；玻璃的镀膜层能到20余年；硅酮密封胶超过30年 。为什么他们都一致提出10年质保期呢?这是由于这些国家法律上的原因，通常各国在产品质量管理法上，都有一个质保期的规定，这个规定大都定为10年。我国的质量法第33条也规定了产品质保期为10年。要准确地预计幕墙物理耐用年限，不是一件容易的事，它明显地取决于同类材质的优劣，设计与施工是否规范，建筑周围环境条件以及业主维护管理的水平。物理耐用年限是从技术的角度出发，不可能是使用的极限年限。当然，超过了物理耐用年限仍可断续使用较长时间，如仍需要使用更长时间这就要增加维修费用，另外考虑到当时当事技术的发展，原先的幕墙其性能和水平已明显陈旧，这时就应该更新了，让建筑物再度唤发出青春，旧貌换新颜。
。。我们先了解一下组成幕墙主要材料的耐用年限估计值：
。。(1)幕墙内的钢件20年以上(取决于表面处理)；
。。(2)不锈钢50年以上(取决于材料的厚度)；
。。(3)铝合金50年以上(取决于材料的厚度)：
。。(4)复合铝板10年左右(主要取决于中间的聚乙烯芯材的老化程度和粘接牢固程度)；
。。(5)木制品15年以上；
。。(6)镀锌螺钉10年左右(取决于材料镀锌的厚度，和镀锌的质量)；
。。(7)不锈钢螺钉40年以上；
。。(8)名铆钉30年以上；
。。(9)聚硫橡胶15年左右；合成橡胶5～20年；天然橡胶5～10年；氯乙烯5～15年：
。。(10)普通玻璃基本不受外界的腐蚀 ，理论上其耐久性超过100年(不包括镀膜玻璃的镀膜层)，欧洲很多古典建筑上的玻璃至今完好如初；
。。(11)花岗岩有良好的抗风化稳定性、耐磨性、耐酸碱性、耐用年限为75年左右：
。。(12)大理石由于主要成分是碳酸钙 ，质脆、硬度低、抗冻性差，室外耐用年限仅10～20 年，室内可达40～100年；大理石在室外耐用年限较短的原因，是大气中的湿气与空中的SO2生成亚硫酸，亚硫酸再进一步变成硫酸 。硫酸与大理石中的碳酸硅(CaC03)作用，在石材表面生成二水石膏(CaS04．H2O)，二水石膏易溶于水，硬度低， 使大理石很快失去光泽，变成粗糙多孔而迅速破坏，出现退色、裂缝、麻点等质量通病。上海某百货商城，墙面采用了进口干挂大理石墙面，由于大气的腐蚀作用，不到三年，不但失去了往曰的光泽，加上壁厚较薄，又没有使用高强度化学锚固剂与不锈钢连接件固定，在97年台风中破裂了，业主为安全计，改为了铝板墙；
。。(13)关于建筑硅酮结构密封胶的物理耐用年限，至今人们还不能确切得到，我们只知道1966年国外开始由硅酮结构胶来对玻璃进行结构性的装置，至今已30多年了，未有硅酮结构胶老化的报道。
。。国内某研究所曾对国产的硅酮胶也作过老化试验，在不受力的状况下， 在试验箱中5000 小时，检查结果无异常。
。。根据我们多年的使用经验和国内外资料的判断，硅酮结构密封胶使用50年是没问题的。
。。必须指出：我们提出的物理耐用年限是指自然减耗、磨损和腐蚀。不包括由于工人失职而造成的某种特别缺陷，房屋使用者的责任造成使用的错误，也不包括由于不可抗拒的事故造成了破坏而使耐用年限显著缩短的情况在内。
。。根据以上材料分析，我们可以初步判定：
。。A．单层铝板幕墙、蜂窝铝板幕墙的物理耐用年限可达30-50年 。(取决于内部的钢质或铝质骨架材质和铝板的表面处理状况)；
。。B．复合铝板幕墙的物理耐用年限达10年左右。(低层)
。。C．隐框玻璃幕墙的物理耐用年限可在35年以上(根据现在实际使用过的年限)；
。。D．明框玻璃幕墙的物理耐用年限约为40年以上。
。。E．全玻璃幕墙的物理耐用年限可在40年以上。
。。F．干挂大理石幕墙的物理耐用年限约为10年左右。
。。G．干挂花岗石幕墙的物理耐用年限约为20年以上 （取决于内部钢质或铝合金骨架材质及设计施工水准)；
。。如果我们采用了高品位材质和高质量的工艺，定期进行维护，隐框玻璃幕墙、单层铝板幕墙、干挂花岗石幕墙的物理耐用年限还可增加一个档次，达到四、五十年问题不大。
。。幕墙的物理耐用年限到底设计选定到多少比较适宜，我们以为首先是依据建筑物的使用性质，来确定其耐久性，这要看建筑物的等级和档次 。对于使用期要求在100年以上的一级建筑( 如国家大会堂、伟人纪念堂、历史博物馆、超高层建筑…… )其相应的幕墙装修应要求在30年以上。对于主体结构耐久性在50年以上的二级建筑，其相应的幕墙装修可以略低一些。其次是维修更新的原则，由于幕墙要定期维修，幕墙的艺术风格和技术随着时代潮流在不断的变化，幕墙的物理耐用年限不是越长越好，不能要求与主体结构同寿命，要考虑到今后的维修更新。这样做对于降低投资，加快装修进度都是比较有利的。对于建筑物的幕墙装修，要采取区别对待的原则，如对超高层建筑的主楼和裙房，应按不同的部位，采取不同的耐用年限区别对待，这样可以解决主楼和裙房维修的难易。另外装饰能随时代的变化而更新，永远新颖美观，跟上时代的发展。

幕墙工程合理使用年限
《建设工程质量管理条例》第21条规定："设计单位应当-----注明工程合理使用年限"。建筑物的合理使用年限与设计、施工、使用和维护有着密切的关系，建筑物合理使用年限实质上涉及两个问题：
　　⑴建筑物的合理使用年限不仅仅决定于设计的要求，它涉及到设计、施工、建筑材料的选用和使用环境等诸多因素。施工质量的好坏，直接影响建筑物的寿命，在一些工程质量事故中，也有少数是因设计质量有缺陷，但大多是施工质量低劣所造成的，近几年因施工质量低劣垮蹋的房屋已有不少。
　　⑵建筑的合理使用就是按照建筑物的功能特征正常使用它，在长期使用中要定期进行维护而不改变建筑物的使用性质。如办公楼不可作为图书馆来使用，一般民用建筑不可作为工业建筑来使用。当然，有些建筑物则有可能在一定范围内改变其使用性质，如集体宿舍可作为一般的办公室来使用等。也有把旧的工业厂房或仓库改为民用建筑。总之，建筑物在漫长的使用过程中有可能因为这样或那样的原因而改变其使用性质；当然，建筑物在使用过程中随意改变使用性质也会影响其耐久年限。
　　建筑物的合理使用年限就好像某些产品一样，从产品设计、制作加工到合理使用，应该是一个涉及到很多因素的系统工程。从设计来讲，应该给这种特殊"产品"出具一份通俗易懂的"产品"说明--建筑物使用说明书。就像我们曰常使用的电冰箱、电饭锅和洗衣机一样，给出建筑物使用范围和维护要求，以保证建筑物在正常使用情况下达到其预期的耐久年限。
　　要给建筑物出具一份内容详细的使用说明书并不是一件简单的事情。建筑物种类繁多用途各异，不同地区的气象条件又有较大的差异。这些对建筑物的使用寿命都有一定的影响。就我国目前有关建筑使用现状来看，解决此问题是有一定难度的。虽然问题比较复杂，但我们可以先从主要对象着手。从工程设计来讲，影响建筑物寿命的主要因素是建筑和结构，当然，对于建筑物的正常使用有时要涉及到其他方面。就大量民用建筑和一般工业建筑而言，影响其寿命的不外乎是结构体系的安全度和围护结构的完整性。围护结构的完整性对于建筑物的寿命是有直接关系的。如一幢钢筋混凝土建筑物的主体结构暴露在大气环境中，经常承受风吹雨打，它的耐久年限显然要低于相同情况下有较好的围护结构的建筑物。如果一幢建筑物没有很好的围护体系，那么它也无法正常使用。另外还有屋面防水工程。如果建筑物其它部位一切完好，就是屋面经常漏水，这也影响建筑物的正常使用。屋面经常漏水使得主体结构（不管是钢结构还是混凝土结构）经常处于干湿交替环境，这也会影响建筑物的寿命。除了建筑与结构影响建筑物的寿命外，建筑物在使用阶段，加大建筑物的使用荷载，较强的腐蚀介质经常侵蚀建筑物的重要部位等，这些都会影响建筑物的寿命。设计建筑的都是专业人员，而使用建筑物并非都是专业人员。对正确使用和维护建筑物并非人人都是内行。因此，给出建筑物的使用说明书，对确保正常使用和延长其耐久年限是相当必要的。就像我们在市场上购买一件新产品，如果不看说明书，就乱用一气，有可能使其立即损坏或缩短其使用寿命。建筑物虽然不是一般的产品，但在市场经济社会中已从非产品性质变为一种特殊的"产品"。如果有了这种"产品"的说明书，在建筑物使用过程中出现买卖易主、负债抵押、生产改造等情况，一般是不会出现因改变其使用性质，而损坏建筑物或使其寿命缩短现象。就是改变建筑物的使用性质，也是在原说明书中允许的范围内，一般不会影响建筑物寿命的。另外，如果有了这样的说明书，对建筑物的安全使用也是有保障的。现在有些单位或个人在对旧的房屋买卖交易过程中，根本不重视原有建筑物的使用性质，有少数业主为了自身的利益，随意改变建筑物的用途。这种做法弊多利少，轻则影响建筑物的使用寿命，重则会造成建筑物损坏倒塌，使用说明书无疑是给建筑物合理使用指明了方向。
　　鉴于编制建筑物的使用说明书的重要性和必要性，在住宅设计中已开始试行简单使用说明书。说明书主要是指导居民对建筑队（住宅）二次装修，以免损坏主体结构，影响建筑物的安全使用，同时对那些部位的墙体可以开设门、窗洞口给予了说明。有这样一份书面文件对居民装修房子起到了很好的指导作用，对预防因二次装修而引起的损坏建筑物的事故起到了一定的扼制作用，避免了因盲目装修而操作或毁坏建筑物的不良后果。但是，我国现在民用公共性建筑和工业建筑至今还没有这样简单的使用说明书。前面已经谈到了使用建筑物的人并非是像设计建筑物专业人员那样，他（她）们对建筑物的结构性能、交通疏散组织等是不了解的。前几年，有些地方和部门擅自改变建筑物的使用性质或在建筑物疏散通道上增设防盗门。如果建筑物在正常使用过程中有一份内容详细的说明书，指导业主对建筑物的正确使用，那么也就不会出现一些不必要的财产损失和人身伤亡事故了。由此可见，建筑物的使用说明书不但有经济意义，而且也有很好的社会意义。
　　我国已经加入WTO，那么我们的一些技术管理工作，特别是要涉及经济的标准也应该适应新形势的需要。现在城市建筑中有量大面广的玻璃幕墙工程，我们可以从玻璃幕墙工程开始，给出如何正确使用玻璃幕墙工程的指导意见，在全国各地试行一段时间后，建设部和国家有关部门可以组织经验交流，对各地试行的情况进行一次总结和交流，在有一定经验的基础上再组织编制一部如何编制各类建筑物（和构筑物）使用说明书的行业标准。各设计单位可以按照这个标准编制各类建（构）筑物的使用说明书。
　　《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003规定："幕墙工程竣工验收时，承包商应向业主提供《幕墙使用维护说明书》"。
　　一、一般规定
　　1．《幕墙使用维护说明书》应包括下列内容：
　　1） 幕墙的设计依据、主要性能参数及幕墙结构的设计使用年限；
　　2） 使用注意事项；
　　3） 环境条件变化对幕墙工程的影响；
　　4） 曰常与定期的维护、保养要求；
　　5） 幕墙的主要结构特点及易损零部件更换方法；
　　6） 备品、备件清单及主要易损件的名称、规格；
　　7） 承包商的保修责任。
　　2．幕墙工程承包商在幕墙交付使用前应为业主培训幕墙维修、维护人员。
　　3．幕墙交付使用后，业主应根据《幕墙使用维护说明书》的相关要求及时制定幕墙的维修、保养计划与制度。
　　4．雨天或4级以上风力的天气情况下不宜使用开启窗；6级以上风力时，应全部关闭开启窗。
　　5．幕墙外表面的检查、清洗、保养与维修工作不得在4级以上风力和大雨（雪）天气下进行。
　　6．幕墙外表面的检查、清洗、保养与维修使用的作业机具方便、安全可靠；每次使用前都应进行安全装置的检查，确保设备与人员安全。
　　7．幕墙外表面的检查、清洗、保养与维修的作业中，凡属高空作业者，应符合现行行业标准《建筑施工高处作业安全技术规范》JGJ80的有关规定。
　　二．检查与维护
　　1．曰常维护和保养应符合下列规定：
　　1）应保持幕墙表面整洁，避免锐器及腐蚀性气体和液体与幕墙表面接触；
　　2）应保持幕墙排水系统的畅通，发现堵塞应及时疏通；
　　3）在使用过程中如发现门、窗启闭不灵或附件损坏等现象时，应及时修理或更换；
　　4）当发现密封胶或密封胶条脱落或损坏时，应及时进行修补与更换；
　　5）当发现幕墙构件或附件的螺栓、螺钉松动或锈蚀时，应及时拧紧或更换。
　　6）当发现幕墙构件锈蚀时，应及时除锈或采取其他防锈措施。
　　2．定期检查和维护应符合下列规定：
　　①在幕墙工程竣工验收后一年时，应对幕墙工程进行一次全面的检查，此后每五年应检查一次。检查项目应包括：
　　1） 幕墙整体有无变形、错位、松动，如有，则应对该部位对应的隐蔽结构进行进一步检查；幕墙的主要承力构件、连接构件和连接螺栓等是否损坏、连接是否可靠、有无锈蚀等；
　　2） 玻璃面板有无松动和损坏；
　　3） 密封胶有无脱胶、开裂、起泡，密封胶条有无脱落、老化等损坏现象；
　　4） 开启部分是否启闭灵活，五金附件是否有功能障碍或损坏，安装螺栓或螺钉是否松动和失效；
　　5） 幕墙排水系统是否通畅。
　　②应对第1款检查项目中不符合要求者进行维修或更换；
　　③施加预拉力的拉杆或拉索结构的幕墙工程在工程竣工验收后六个月时，必须对该工程进行一次全面的预拉力检查和调整，此后每三年应检查一次。
　　④幕墙工程使用十年后应对该工程不同部位的结构硅酮密封胶进行粘接性能的抽样检查；此后每三年宜检查一次。
　　3．灾后检查和修复应符合下列规定：
　　1）当幕墙遭遇强风袭击后，应及时对幕墙进行全面的检查，修复或更换损坏的构件。对施加预拉力的拉杆或拉索结构的幕墙工程，应进行一次全面的预拉力检查和调整。
　　2）当幕墙遭遇地震、火灾等灾害后，应由专业技术人员对幕墙进行全面的检查，并根据损坏程度制定处理方案，及时处理。
　　三．清洗
　　1．业主应根据幕墙表面的积灰污染程度，确定其清洗次数，但不应少于每年一次。
　　2．清洗幕墙应按《幕墙使用维护说明书》要求选用清洗液。
　　3．清洗幕墙过程中不得撞击和损伤幕墙