浅谈幕墙中的钢结构设计

浅谈幕墙中的钢结构设计

李冬杰

南京三惠建设工程股份有限公司江苏省南京市210000

摘要：幕墙是建筑的外墙围护，兼具装饰与保温节能功能，通常由面材与支承结构组成。面材主要包括玻璃、石材、铝板等，支承结构主要是铝龙骨与钢结构。而又因轻质、高强、易加工等优点，钢结构在大跨度幕墙，采光顶，雨篷等幕墙工程中得到了极为广泛的应用。因此，钢结构设计对于幕墙的实现具有重要意义。

关键词：钢结构幕墙设计

幕墙是建筑穿上的一件“外衣”，不仅需要满足保温、节能、采光等实际使用功能要求，同时还需实现建筑的美学价值。这等等的功能要求，都是通过特种玻璃，或是石材、铝板配合保温棉等面材得以实现的。而将这些面材安全地、完美地安装至建筑主体上，则是支承结构体系设计所需要考虑的。

本文以某商业广场玻璃采光顶设计过程为例，简单阐述下幕墙中，钢结构设计需要考虑的重点以及可能遇到的难点。

1、工程概况

本工程为某商业广场屋面玻璃采光顶，位于江苏省扬州市。采光顶形状为斜平顶的锥体（类似圆锥体在腰部位置斜切），底部圆直径约20m，最高点至屋面高度约6.9m，最高点标高为34m。其他要求:采光顶屋面需设置轨道式的电动开启窗；采光顶范围内有8个不大于250kg的装修吊点。

2、结构选型

本工程为采光顶，及在满足结构强度要求的情况下，最大限度的满足采光要求是重点，故钢构件选型不可过于厚重，布置不可过于紧密。结合采光顶跨度，高度，以及玻璃面板的铺设要求，最终决定在每道玻璃分缝位置设置钢龙骨，形成单层钢龙骨网格。通过对《空间网格结构技术规程》JGJ7-2010的解读，虽然本工程结构体系并非常用的网架或网壳形式，但其符合单层网壳的受力特点，故以单层网壳的规范条例进行结构计算与验算。

钢结构轴测图

3、结构计算

3.1荷载分析、取值

荷载的分析与取值是结构计算的基础，也是关键。荷载取值是否正确、严谨直接影响工程的安全性与经济性。根据《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102―2003的规定，幕墙设计使用年限为25年，本工程在基本风压和基本雪压取值时，按50年一遇考虑。

3.1.1恒荷载

恒荷载分为两个部分：普通玻璃面板位置，以及顶部轨道式的电动开启窗的位置。普通玻璃面板位置需考虑玻璃及其连接件的荷载；顶部开启窗位置则需询问生产厂家，得到准确的荷载取值。

3.1.2活荷载

采光顶按不上人屋面进行活荷载取值，根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2012的规定，取值为0.5kN/m2。除此之外，还需考虑八个固定位置的吊点荷载。

3.1.3雪荷载

扬州地区基本雪压为0.35N/m2；分析采光顶与周围建筑的情况，屋面积雪分布系数取1。故雪荷载标准值为0.35N/m2。

在实际工程中，雪荷载与活荷载通常不同时考虑。

3.1.4风荷载

风荷载标准值计算公式为：wk=βgzμzμsw0。扬州地区基本需要风压为0.35N/m2；在规范中找到对应标高位置的风压高度变化系数和阵风系数。

本工程建筑体型不规则，《建筑结构荷载规范》GB50009-2012的表8.3.3中并无此种体型的体型系数取值。在对规范的解读后，结合表8.3.3-1中第2项与表8.3.3-1第36项，发现结构顶面体型系数范围为-1.2~+0.4。故规定体型系数取值如下：

1、结构顶面（包括顶部及环形面）负风位置取-1.2，正风位置取0.6；

2、迎风墙面取1，墙侧面取-1，背风墙面取-0.6。

通过公式计算得到风荷载标准值，需根据《采光顶与金属屋面技术规程》JGJ255-2012第5.3.1条规定：采光顶及金属屋面的风荷载标准值，负压不得小于1kN/m2，正压不得小于0.5kN/m2。

同时，风荷载考虑两种工况：

“风荷载a”：顶面（包括顶部及环形面）均按负风取值；

“风荷载b”：在最不利环形面位置按正风取值，其余顶面位置按负风取值。

3.1.5地震作用

根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010附录A：扬州地区抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.15g，第一组。

3.2荷载组合、工况

荷载工况是在荷载分析的基础上，结合规范以及实际情况，对各个荷载进行组合，以达到对结构构件强度和刚度的分析验算。具体工况如下：

A.强度验算时结构的荷载组合：

工况11.35恒载+1.4x（0.7）活荷载

工况21.2恒载+1.4活荷载

工况41.2恒载+1.4风荷载a

工况51.2恒载+1.4风荷载b

工况61.0恒载+1.4风荷载a

工况71.0恒载+1.4风荷载b

工况81.2恒载+1.4活荷载+1.4x（0.6）风荷载a

工况91.2恒载+1.4活荷载+1.4x（0.6）风荷载b

工况101.2恒载+1.4x（0.7）活荷载+1.4风荷载a

工况111.2恒载+1.4x（0.7）活荷载+1.4风荷载b

工况121.2恒载+1.3地震作用

工况131.2恒载+1.4x(0.2)风荷载a+1.3地震作用

工况141.2恒载+1.4x(0.2)风荷载b+1.3地震作用

B．变形验算时结构的荷载组合：

工况31.0恒载+1.0活载

工况151.0恒载+1.0风荷载a

工况161.0恒载+1.0风荷载b

注：括号内为该工况下，对应荷载的组合系数。

3.3结构模型分析验算

在各工况下，构件的强度应力比不得大于1；构件的挠度，变形不得大于1/250；整体结构位移不得大于1/400。

4、节点设计

节点设计需要满足自身的设计强度要求，还需施工方便，同时作为采光顶的钢结构设计，因其是暴露在外的，还需保证美观。

结语

幕墙有行业规范和标准，对此需要充分了解，尤其在荷载取值、构件刚度控制等方面。刚度控制不到位，可能造成面材破坏，影响使用；若导致面材脱落，可能引起安全事故，造成不可挽回的损失。幕墙面材均有严格的安装工艺，配套钢结构在设计时，需与幕墙设计师进行良好的沟通，注意关键位置的合理设计，保证面材顺利安装。

幕墙具有提升建筑美学价值的作用，而钢结构设计师们，也可在进行设计时，对结构布置、选型作出优化，在满足幕墙安装，保证整体效果的

前提下，拥有自身的美学价值，提升建筑整体美感。

参考文献：

[1]GB50017-2003，钢结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2003.

[2]JGJ7-2010，空间网格结构技术规程[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[3]JGJ102-2003，玻璃幕墙工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[4]GB50009-2012，建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012

[5]GB50011-2010，建筑抗震设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.