幕墙竖向外装饰条结构分析与设计

幕墙竖向外装饰条结构分析与设计

邱奕文

邱奕文

深圳市三鑫科技发展有限公司北京公司100012

摘要:对常见幕墙竖向外装饰条进行结构与设计分析，分析装饰条连接方式对龙骨扭转、支座产生的影响，通过合理的内力布置图设计连接板的位置降低扭转区域，通过不同的结构计算模型及风压取值对支座进行分析对比，从而对实际工程中带竖向外装饰条的幕墙设计计算及构造提出一些合理建议。

关健词：幕墙；装饰条；风压；结构计算模型；内力图

引言

目前实际工程中越来越广泛的采用带竖向装饰条的单元体幕墙设计，在满足建筑外观要求的同时，也带来了一系列的安全问题。通常装饰条的连接安全主要靠设计师的过往经验以及简单理论计算来进行施工设计，存在不小的安全隐患。分析主要原因在于竖向装饰条在受到较大的侧向风压作用对单元体立柱产生扭转效应，如何分析扭转所带来的一系列的影响，是目前工程中较为棘手的问题。

装饰条由于其通常与立柱连接，在侧向风荷载作用下对幕墙的主龙骨以及支座都产生重要影响。在目前众多幕墙系统中，特别是单元体幕墙，竖向装饰条通常与立柱进行螺钉或机械连接，在考虑侧向风压作用下，立柱受扭，同时支座将受到侧向荷载作用，如何考虑此侧向荷载的影响，关系着幕墙的设计、构造及幕墙系统的安全。目前考虑侧向风压的作用，主要对于体型系数的选取及与正面风压的组合方式上有分歧，一种是按2.0体型系数同时和正面的风压进行组合，一种是低于2.0体型系数再与正面风压组合，还有就是单独计算，不与正面风压进行组合。对于计算模型的选取上，对立柱抗扭作用目前主要将装饰条按悬臂梁进行计算，是否考虑面板及龙骨整体性对立柱抗扭影响不大，但对于支座的计算，分析及如何考虑面板及龙骨对支座的影响上，还缺乏这方面的分析及论证。

本文将从风压的组合方式、风压的计算方式、模型的选取方式几方面对比分析竖向装饰条对幕墙主龙骨及支座的影响，以达到更加合理、经济的设计。

一、装饰条扭转分析

立柱受扭是装饰条对幕墙结构最重要的作用力之一，工程中必须保证扭转作用下立柱的承载力。下面将从宏观上对立柱这一构件做整体的内力分析，再从局部对立柱截面的受扭特性进行研究。

对按内力进行分析的结构，应该依据内力图进行计算分析，幕墙竖向装饰条对立柱产生的侧向扭转影响需进行扭矩图的绘制，扭矩大小与装饰条和立柱之间连接点的位置及数量有关，按照一跨立柱只连接2个转接件连接装饰条，常见的扭矩图如图1所示：

图1两个连接板对立柱产生的扭矩示意图

上图为侧向荷载作用下，按独立悬臂构件施加单位扭矩的立柱扭矩图分配情况，根据力学分配原则，从图中可以看出，立柱所受扭矩按装饰条连接件的位置及数量进行分配，对常见一层按2个连接件连接装饰条的幕墙系统，连接件最佳的布置方式应该是两个连接件处于立柱支座范围之内，而且对称布置。所有扭矩均往连接板附近支座传递，而立柱中部大部分范围将不受扭。因此，立柱扭转只发生在连接板至支座之间的局部范围，其余均未受到扭转影响。工程中大部分采用此类做法，但也有部分工程连接板设置不合理，应注意合理的构造设计措施将会大大降低结构安全的风险。

对于连接件在两个以上的连接方式，无论转接件位置怎么放置，扭矩大小不会进一步降低，因此一般不建议增加转接件数量。若装饰条变形实在过大，可酌情在立柱中部再加一个连接件，让扭矩均匀分摊到上下两个支座处，不得在立柱跨度范围随意添加连接件，导致扭矩分配不均。

二、装饰条侧向荷载对支座反力分析

不同于上面单独构件的分析，支座反力涉及到整个单元体板块，因此传力较为复杂。而支座的安全性又十分重要，因此是结构、设计分析的重点。在侧向荷载作用下，首先单元体单个板块结构体系必须成立，在目前的实际工程设计中，当在挂接支座添加侧向约束时，整个板块体系成立，如图2所示：

图2单元板块侧向荷载作用下力学模型示意图

从上图中可以看出，单个块按类似于简支梁约束进行设计，上面两个挂接支座承受自重和垂直面板方向水平力，同时其中一个还承担侧向力，板块下面垂直于面板水平力传递到下一个板块支座。因此，在自重、侧向风压及正面风压作用下，此体系成立。同时在工程中还需注意，侧向约束会在装饰条左右风压的不断作用下产生滑动，得有可靠的固定约束，不能简单的在挂件侧边用螺钉顶住。

在侧向荷载作用下，支座受到侧向力及因悬挑偏心导致的一对拉压力，此拉压力将与正面风荷载产生力组合得到支座的最终受力。目前工程中挂接支座的设计难以准确把握侧向荷载产生的拉压力大小，原因如下：

（1）若单纯的根据装饰条悬挑偏心距求出支座弯矩再除以两个挂接支座之间距离得出一对拉压力大小，则公母立柱之间能否全部传递侧向荷载产生的拉压力，与正面风压组合时侧向体型系数是否都按2.0取值；

（2）若考虑板块整体平面内刚度作用，则玻璃、横梁参与侧向荷载分配的比重有多少，相对于（1）中的直接求解反力值能改变多少。

因此，在实际工程设计中，往往按第（1）方法时导致支座截面过大而过于保守，而某些时候又完全忽视侧向产生的反力，导致一定的安全隐患。当按第（2）种方法考虑时，又过于模糊，难以简单分析出结果。

笔者从众多工程设计施工及实验中建议单独考虑装饰条侧向反力时，按2.0体型系数进行计算；若与正面幕墙风压组合时候，都按正面的风压取值。计算方法都按外挑距离除以挂接支座之间距离来考虑支座反力。二者取包络值进行设计。

结论

（1）在侧向荷载作用下立柱受扭与装饰条布置的位置及数量有关，最合理的布置方式为立柱两支座中间布置一道连接件，此时最经济而且产生的扭矩最小。若布置2道，则需对称布置于两支座之间，以便支座平均分配扭矩。2道以上的连接件不建议采用，除非装饰条悬挑过大，必须通过增加连接件数量来满足装饰条自身的承载力，但2道以上也应该对称布置。

（2）当侧向荷载与正面荷载一起考虑计算支座反力时，从以往工程经验看，此时侧向的体型系数很难取到2.0，按公母立柱挂接支座距离进行计算，由于一般两个挂接支座距离较近，因此直接按装饰条侧向偏心除以支座距离来考虑反力导致支座反力会很大，如果再与正面风压产生的反力结合，进一步加大设计的难度。具体多大的荷载能通过平面内刚度传递，通过相关工程实验分建议：侧向风压与正面风压同时考虑时，侧向风压体型系数建议与正面计算的值一致（甚至对于非高层建筑可以适当降低），当单独计算装饰条产生的支座反力时，按2.0取，支座的反力取以上二者计算的较大值进设计。

（3）实际工程中应根据建筑物重要程度、建筑所处地区风压特点等方面综合考虑风压的计算组合方式。比如沿海台风高发区、超高层建筑对侧向风压应该严格按照规范结合风洞报告等进行设计计算，而一般建筑、市区密集区域及风压较小的内陆建筑，荷载可以适当折减，得出经济、安全的设计。

参考文献：

[1]《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-20032003北京中国建筑工业出版社2003

[2]《建筑结构载荷规范》GB50009-2012北京中国建筑工业出版社2012

[3]《钢结构规范》GB50017-2003北京中国计划出版社2003

[4]《铝合金结构设计规范》GB50429-2007北京中国计划出版社2007