玻璃幕墻及其鋼結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)技術(shù)摘要幕墻結(jié)構(gòu)體系為一種典型的大變形結(jié)構(gòu)體系，本文介紹了*****機(jī)場擴(kuò)建航站樓工程在材料選用、連接件、幕墻龍骨架及玻璃安裝等方面，保證幕墻結(jié)構(gòu)與主體鋼結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)問題應(yīng)用的關(guān)健技術(shù)。關(guān)健詞鋼結(jié)構(gòu)幕墻結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)一、引言XXXXXX工程外立面采用了10+12A+10mmLow-E鋼化鍍膜中空玻璃幕墻、25mm厚干掛花崗巖幕墻（鋼龍骨骨架）、斷熱鋁合金窗（骨架為鋁合金型材，面層采用6+9A+6mmLow-E雙鋼化中空玻璃），收口采用3mm鋁單板（鋼龍骨骨架）。其中玻璃幕墻大部分用于航站樓4.000m以上位置，石材主要用于±0－7.2M部位，鋁合金窗用于首層窗，鋁板主要用于指廊天溝及人字柱位置。在大面積玻璃幕墻的建造中因其高通透性受到了人們的青睞，本工程主要外裝修為玻璃幕墻，幕墻的結(jié)構(gòu)體系為鋼結(jié)構(gòu)，并與主鋼結(jié)構(gòu)連接共同形成穩(wěn)定的鋼結(jié)構(gòu)體系。幕墻結(jié)構(gòu)體系為一種典型的大變形結(jié)構(gòu)體系，經(jīng)研究分析，本工程在材料選用、連接件、幕墻龍骨架及玻璃安裝等方面，采取措施保證幕墻結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)。二、材料選用考慮XX氣候環(huán)境、XX環(huán)境以及變形控制的要求，本工程采用10+12A+10mmLow-E鋼化鍍膜中空玻璃（如圖12-2）。因?yàn)閮?nèi)蒙冬季氣候寒冷，加之機(jī)場噪音較大，勢必要求所選的玻璃材料具有很好的隔音隔熱效果，中空鋼化玻璃的隔音效果好，而且相比普通玻璃，其對急冷急熱變化的適應(yīng)能力提高2～3倍，溫差適應(yīng)能力在150℃以上。同時，低反射率鋼化鍍膜中空玻璃可以較大程度地減輕玻璃幕墻的光污染，而且由于鋼化玻璃脆性低，破壞時呈無銳角小片，安全性較普通玻璃高。最重要的是鋼化玻璃的抗彎強(qiáng)度比普通玻璃高3～5倍，抗沖擊強(qiáng)度高5～10倍，且變形能力大大強(qiáng)于普通玻璃，因此其更適用于本工程大變形鋼結(jié)構(gòu)玻璃幕墻體系，提高了幕墻結(jié)構(gòu)體系適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)變形的能力。圖1中空鋼化玻璃三、連接件在地震和風(fēng)荷載水平力作用下，建筑物主體結(jié)構(gòu)之間將產(chǎn)生相對位移。由玻璃及金屬框架等組成的玻璃幕墻作為懸掛在主體結(jié)構(gòu)上的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在地震、風(fēng)荷載等水平力作用下不僅與主體結(jié)構(gòu)共同運(yùn)動，還有自身的運(yùn)動。由于玻璃幕墻的剛度與其所在的主體結(jié)構(gòu)相比很小，幕墻對于主體結(jié)構(gòu)的動力特性基本沒有什么影響，因此二者的共同運(yùn)動，實(shí)際上就是玻璃幕墻依附于主體結(jié)構(gòu)的運(yùn)動。在水平力作用下，玻璃幕墻的破壞表現(xiàn)為：①水平力直接作用于幕墻，使幕墻玻璃破碎，桿件變形或破壞、連接失效。②水平力作用于建筑物時，主體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)、變形等效應(yīng)，并強(qiáng)制幕墻同步運(yùn)動，對幕墻產(chǎn)生附加效應(yīng)，其中與幕墻平面平行方向的變形對幕墻的影響特別顯著，如果主體結(jié)構(gòu)的變形超過幕墻I臨界變形，幕墻就會破壞。本工程地處內(nèi)蒙古呼和浩特市，風(fēng)力大、抗震設(shè)防烈度大（8度）、冬夏及晝夜溫差大，因此風(fēng)、地震、溫度作用對于本工程結(jié)構(gòu)的變形影響都很大。而且幕墻結(jié)構(gòu)和主體鋼結(jié)構(gòu)涉及到鋼材、鋁材、玻璃三種不同材料的連接。如何在構(gòu)造上處理好連接件，使幕墻結(jié)構(gòu)與主體鋼結(jié)構(gòu)形成一個統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)體系并共同系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作是控制兩種不同結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)的關(guān)鍵?！恫Ａ粔こ碳夹g(shù)規(guī)范》在條中規(guī)定：玻璃幕墻和建筑主體結(jié)構(gòu)連接的固定支座材料宜選用鋁合金、不銹鋼或鍍鋅處理的碳素結(jié)構(gòu)鋼，并應(yīng)具備調(diào)整范圍，其調(diào)整尺寸ax、ay、az不應(yīng)小于40mm。在5.1.2條中規(guī)定：玻璃幕墻及其連接件應(yīng)具有承載能力、剛度和相對于主體結(jié)構(gòu)的位移能力，并應(yīng)采用彈性活動連接，如圖12-3所示。圖2彈性連接本工程抗震設(shè)防烈度為8度，且大面積幕墻結(jié)構(gòu)中風(fēng)荷載的控制作用也很明顯，故不宜選用彈性活動連接，以防止動力效應(yīng)加大而破壞整個幕墻結(jié)構(gòu)。經(jīng)研究分析，選用剛性連接（如圖12-4所示），即連接件與主體結(jié)構(gòu)采用焊接連接。設(shè)置連接件時應(yīng)注意：⑴連接件采用120*60*6方鋼管加工成形，與主體結(jié)構(gòu)通過焊接連接。⑵在方鋼管連接件與幕墻龍骨架的豎桿間添加鋁連接件，鋁連接件通過不銹鋼內(nèi)對拉螺栓與方鋼管連接，這樣可使豎桿在垂直于幕墻平面的面內(nèi)有一定的轉(zhuǎn)動能力，緩解玻璃的平面內(nèi)變形。同時在鋁連接件和方鋼管間加2mm厚的橡膠墊片，使兩種不同材料在溫度變化時的變形得以協(xié)調(diào)，減少了溫度應(yīng)力，使幕墻結(jié)構(gòu)和主體鋼結(jié)構(gòu)的連接更加穩(wěn)定。⑶鋁連接件與幕墻龍骨架的豎桿通過不銹鋼內(nèi)六角機(jī)攻螺絲連接，使豎桿在幕墻玻璃平面內(nèi)具有一定的轉(zhuǎn)動能力，即允許橫梁在幕墻平面內(nèi)有一定的轉(zhuǎn)動能力。圖3連接件構(gòu)造圖⑷結(jié)點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在幕墻龍骨架的豎桿和橫梁交接處，以防止龍骨架和玻璃變形不協(xié)調(diào)而使幕墻結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。四、幕墻龍骨架安裝龍骨架是幕墻結(jié)構(gòu)的主要支撐結(jié)構(gòu)，主要由豎桿和橫梁組成（如圖12-5a所示）。為了使幕墻結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)，應(yīng)做好以下幾點(diǎn)：⑴豎桿通過連接件與主體結(jié)構(gòu)相連，起著將幕墻荷載傳遞給主體結(jié)構(gòu)的作用。若其發(fā)生破壞，部分甚至整個幕墻會發(fā)生破壞。失穩(wěn)常常起著控制作用，其應(yīng)具備一定的剛度，才能保證不發(fā)生失穩(wěn)破壞，是幕墻結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)工作的前提。本工程中通過在豎桿中添加鋁插芯或是鋼插芯來增大其剛度（如圖12-5b所示）。a龍骨架示意圖b鋁或鋼插芯平面圖圖4⑵豎桿通過套筒連接，須留有一定的空隙，以消除建筑撓度變形和溫度變形的影響。⑶橫梁是分段在豎桿間嵌入連接，橫梁兩端與豎桿連接處應(yīng)設(shè)置彈性橡膠墊，彈性橡膠墊應(yīng)有20%～35%的壓縮性，以適應(yīng)和消除橫向溫度變形的要求。⑷鋁封口材料間設(shè)置泡沫填充棒和耐候硅酮密封膠（如圖12-5所示），起到緩沖作用，使結(jié)構(gòu)不至于變形過于劇烈。⑸為使幕墻結(jié)構(gòu)和主體結(jié)構(gòu)能夠整體協(xié)調(diào)變形，兩種結(jié)構(gòu)留設(shè)溫度縫、抗震縫、沉降縫的位置應(yīng)該相同。圖5五、玻璃安裝幕墻結(jié)構(gòu)破壞，往往表現(xiàn)為玻璃變形超過限制而發(fā)生破壞，其中一部分原因是安裝不合理造成的。幕墻與主體結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)變形必須合理安裝玻璃，故在安裝時，應(yīng)注意如下幾點(diǎn)：⑴每塊玻璃之間應(yīng)留有足夠的空隙，以避免因玻璃間空隙過小而發(fā)生相互擠壓、碰撞，導(dǎo)致玻璃破壞。⑵通過硅酮結(jié)構(gòu)膠連接中空玻璃和鋁封口型材，鋁封口型材（如圖12-5所示）通過鋁合金附框與橫梁和豎桿連接。硅酮結(jié)構(gòu)膠可以防止玻璃因溫度變化引起的脹縮而導(dǎo)致的破壞，起到緩沖作用。同時硅酮膠連接可認(rèn)為是彈性連接，有利于中空玻璃的變形。⑶按常規(guī)做法，一般的隱框玻璃幕墻，每塊玻璃下端應(yīng)設(shè)置4個100mm長鋁合金或不銹鋼托條，用于承受玻璃的重力荷載作用，因?yàn)楣柰Y(jié)構(gòu)密封膠承受永久荷載能力差，其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值僅為0.01N/mm2，而且有明顯變形。但本工程玻璃面積大、自重大，為避免玻璃在自重作用下脫落，每塊玻璃四周用鋁封口型材封閉。六、玻璃大撓度分析本工程玻璃塊的最大尺寸為3.6×4.0m，現(xiàn)按照《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102－2003和加拿大規(guī)范，跨中撓度進(jìn)行校合：⑴按照《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102－2003風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算：本工程地面粗糙度為B類。其中，－陣風(fēng)系數(shù)，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009得1.64；－風(fēng)荷載體型系數(shù)，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009得0.8；－風(fēng)壓高度變化系數(shù)，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009得1.42；－基本風(fēng)壓（KN/mm2），內(nèi)蒙基本風(fēng)壓=0.55kN/m2（n=50年）。則，＝1.64×0.8×1.42×0.55＝1.024672KN/m22）中空玻璃剛度計(jì)算：其中，D－玻璃剛度（Nmm）；t－玻璃厚度（mm），計(jì)算中空玻璃時＝12.0mm；－泊松比，玻璃的泊松比取0.2。E－玻璃的彈性膜量，取0.72×105N/mm2則，D＝0.72×105×123/[12（1-0.22）]=1.08×1073）玻璃跨中撓度計(jì)算：作用于中空玻璃上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值可按下列公式分配到兩片玻璃上：直接承受風(fēng)荷載作用的單片玻璃：＝0.56357KN/m2不直接承受風(fēng)荷載作用的單片玻璃：＝0.51234KN/m2由此可知，則直接承受風(fēng)荷載作用的單片玻璃為控制因素，在計(jì)算玻璃跨中撓度時采用。玻璃跨中撓度可按考慮幾何非線性的有限元方法計(jì)算，也可按下式計(jì)算：其中，－在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下?lián)隙茸畲笾担╩m）；－垂直于玻璃幕墻平面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（N/mm2）－撓度系數(shù)，按表得＝0.00496；－折減系數(shù)，查表得0.635。則，＝0.00469×0.00056357×36004×0.635/1.08×107=27.6mm<60mm=a/60=3600/60滿足變形要求⑵按照加拿大規(guī)范校合對板可根據(jù)板所受的壓力荷載和玻璃的尺寸通過非線性的方法計(jì)算玻璃的撓度，板的中心撓度w(mm)近似于:這里：x=a=玻璃短邊長度(m)；b=玻璃長邊長度(m)；h＝玻璃厚度(mm)，中空玻璃的玻璃計(jì)算厚度取單片玻璃的1.2倍；P=荷載和作用，這里取風(fēng)荷載的標(biāo)準(zhǔn)值0.56357KN/m2；E=玻璃的彈性模量(0.72x105KN/m2)；r0，r1，r2是僅與b和a的比值有關(guān)的系數(shù)。該計(jì)算公式是根據(jù)數(shù)據(jù)采用曲線擬合的方法獲得的反映玻璃的最大撓度與其幾何參數(shù)和荷載的函數(shù)關(guān)系的多項(xiàng)式方程。本工程最大玻璃塊的尺寸為：3.6×4.0m，則X＝1.47252；r0＝-2.06554；r1＝1.34998；r3＝0.36803滿足變形要求綜上所述，本工程所設(shè)計(jì)的玻璃尺寸按照兩種不同的規(guī)范計(jì)算均符合變形限值要求，且兩中規(guī)范計(jì)算結(jié)果僅差10.5％，按我國的規(guī)范計(jì)算較安全。七、幕墻結(jié)構(gòu)與主鋼結(jié)構(gòu)變形協(xié)調(diào)幕墻結(jié)構(gòu)體系這一典型的大變形結(jié)構(gòu)體系，其變形極限狀態(tài)的確定是新的研究課題。另外玻璃材料的應(yīng)用領(lǐng)域出現(xiàn)單塊玻璃的大型化趨勢，由于玻璃厚度很薄，彈性模量較低（E=0.72×105MPa，只有鋼材的三分之一），玻璃在荷載作用下變形十分敏感。技術(shù)的發(fā)展，新結(jié)構(gòu)、新材料的不斷推出，使結(jié)構(gòu)在變形控制方面出現(xiàn)了一些新情況和新問題，建立在小變形理論基礎(chǔ)上的現(xiàn)行結(jié)構(gòu)體系在某些方面已不適應(yīng)技術(shù)發(fā)展的需要，應(yīng)進(jìn)行新的研究。大變形結(jié)構(gòu)的變形控制完全不同于小變形結(jié)構(gòu)，它不僅關(guān)系到結(jié)構(gòu)的正常使用，而且還關(guān)系到結(jié)構(gòu)本身承載能力的發(fā)揮和周邊結(jié)構(gòu)的安全，是涉及全局性的一個結(jié)構(gòu)問題。本課題經(jīng)過幕墻鋼結(jié)構(gòu)與主體鋼結(jié)構(gòu)的變形協(xié)調(diào)分析，在采取豎向可滑動水平約束的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造等措施后，得到了完整的變形協(xié)調(diào)結(jié)構(gòu)技術(shù)和設(shè)計(jì)施工成果。八、結(jié)論經(jīng)過上文的分析，本工程采用的10+12A+10mmLow-E鋼化鍍膜中空玻璃既具有隔熱隔音且光污染輕的優(yōu)點(diǎn)，又具有變形能力強(qiáng)的特點(diǎn)，是保證幕墻結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)變形的前提。在連接件設(shè)置方面，本工程采用方鋼管和鋁制構(gòu)件組合連接件。相比國內(nèi)其它工程中所采用的單一連接件，這一組合連接件在構(gòu)造上有了很大的創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)了半剛性連接，保證了兩種不同結(jié)構(gòu)（主體鋼結(jié)構(gòu)