关于建筑幕墙结构计算的探讨

关于建筑幕墙结构计算的探讨
摘要：介绍了幕墙结构计算需要研究的大体内容及方法，并分析了幕墙结构计
算过程中应该注意的一些问题，以使结构工程师对整体幕墙的结构体系与各基本
分体系之间的力学体系有透彻的认识和掌握，从而使幕墙结构设计的思路更宽。

关键词：建筑幕墙；结构计算；分析
引言
《玻璃幕墙工程技术规范》对建筑幕墙的设计计算有一些具体的规定，随着
幕墙技术的发展，幕墙品种多样化和其应用范围不断扩大，经过多年实践，有些
规定需要重新思考。

在建筑物建设“安全、适用、经济”的前提下，明确幕墙材性
要求和幕墙设计计算刻不容缓。

1幕墙的结构理论
建筑幕墙应按围护结构进行设计和计算。

幕墙主要构件应悬挂在主体结构上,
小震下保持弹性,不产生损害。

在这种情况下,幕墙也应处于弹性状态。

因此,与幕
墙有关的内力计算均采用弹性计算方法进行。

以概率理论为基础的极限状态最大
应力法在我国己逐渐取代以经验为主的定值表达的允许应力设计法。

由于幕墙同
时承受多种荷载和作用,所产生的内力十分复杂。

幕墙的结构设计标准是在正常荷
载和作用产生的效应下不产生损害,并且幕墙结构完全处于弹性状态中。

因此,采
用以概率理论为基础的极限状态最大应力方法作为幕墙结构的设计理论,同时采用
弹性计算方法进行构件的内力计算,这对提高幕墙的结构理论水平有着重要的意义。

2幕墙的特点
和传统的建筑外墙相比，幕墙具有很多优点：和传统外墙相比，幕墙的视野
更开阔，釆光度更好，同时幕墙的形式多种多样，可根据用户的需求进行专门设计，更能满足人们现代生活的要求；幕墙大部分附件在工厂内加工制作完成，易
实现工业化生产，降低人工费用，从而缩短现场施工周期和工程施工周期，为业
主带来较大的经济效益和社会效益；幕墙包封主体结构，减少了主体结构受温度
变化的影响，有效地解决了大面积建筑和高层建筑的温度应力问题；单元幕墙板
块之间多采用对插的方式连接，现场施工方便，并且在室内安装，后期维护保养
相对于传统外墙也更加方便；幕墙通常与主体结构釆用可动连接，竖向幕墙通常
悬挂在主体结构上。

当受地震作用，主体结构移动时，幕墙相对于主体结构可以
活动，相对传统外墙也更加安全。

3幕墙的性能
幕墙的性能主要是指幕墙的功能设计要求，主要包括幕墙的抗震性能、幕墙
的防火性能、幕墙的防雷性能、采光性能、通风性能、隔声性能、保温性能等这
里主要介绍幕墙必须具备的四个主要性能：雨水渗漏性能，简称气密性，这关系
到幕墙的使用功能和寿命，其要求幕墙在一定风载荷的作用下，雨水不能沿着幕
墙渗到室内，影响正常的生活；空气渗透性能，即气密性，主要是指幕墙在规定
的室内外压差下，当幵启部位关闭时，阻止外界空气透过幕墙的性能，其渗透性
能的好坏，直接影响室内的保温效果；平面内变形性能，由于幕墙其本身不分担
主体结构的重量，要求其在外力的作用下允许发生变形，同时也要求当主体结构
发生变形时，幕墙对其变形具有一定的吸收能力，并保证幕墙结构的完好；抗风
压性能，主要是指幕墙在风载荷的作用下，各幕墙组件能满足其材料许用应力下
的变形要求和应力要求，这关系到幕墙的使用安全。

4设计荷载
荷载的选取计算是幕墙结构计算的先决条件，幕墙主要考虑以
下几种荷载作用情况。

4.1永久荷载
铝幕墙结构设计时适用的永久荷载主要是玻璃、面板、铝框及支撑系统的相
关自重，其比重为：玻璃2500kg／m2，铝2700kg／m2，钢材7860kg／m2。

4.2风荷载
风荷载作为幕墙设计中最重要的荷载要素，因密切关系到幕墙经济性，所以
需要正确理解和使用对风荷载有很大影响的环境条件(地面粗糙度、各种系数等)。

如果是非正常形状建筑或是超高层建筑按其周围建筑的位置与周边环境的不同，
风荷载特性也随之变化，这时要通过“风洞实验”确定风压作用区域，设计要按风
压区域来分别进行结构研究，并考虑其经济性。

4.2.1计算公式
幕墙属于薄壁外围护构件，根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2012规定采
用风荷载计算公式: Wk=βz×μs×μz×Wo（8.1.1-8）其中: Wk---风荷载标准值(kN/m2)；βz---高度Z处的阵风系数, μs一风荷载体型系数;μz一一风压高度变化系数;Wo--基
本风压 (kN/m2 )。

建筑幕墙是建筑物的豪华外装饰，大多建在城市市区或近郊，
地面粗糙度以 C，B 类居多，同时随着场地建筑物的密度增加，粗糙度也将向有
利的方面发展。

高度＞60m的高层建筑对风荷载比较敏感，承载力设计时应按基
本风压的1.1倍采用，但变形计算时不增大基本风压值，此规定也应适用于幕墙
结构。

高层建筑结构的高度z可区分为4个区间，分别为15m＜z≤60m，60m＜
z≤150m，150m＜z≤250m 及z＞250m，高度≤150 m 的常规高度建筑的整体弯曲变
形影响较小，但高度＞150m时应考虑模拟施工过程的影响。

这样按建筑高度区
别对待的出发点，同样也适用于建筑幕墙结构。

4.3积雪荷载
积雪荷载是采光顶位置以及幕墙发生倾斜时须和永久荷载一起考虑的荷载，
可参照GB50009.2012建筑结构荷载规范第7章雪荷载计算选取。

4.4地震作用
根据GB50011—2012建筑抗震设计规范计算地震作用，这里应特别注意幕墙
的水平变形，各层的框架沿水平方向相互移动，连接在框架上的幕墙也相互不同
地移动着，这时由于各层的变形差异(层间变位) ，幕墙将产生平面内变形，框架
式幕墙变为梯形，但因为玻璃不允许发生平面内变形，所以玻璃与框架之间应有
适当缝隙；单元幕墙由于单元间横向连接插芯产生比框架式幕墙小的梯形变形，
平面内方向的变形是以支承件作为支点而形成，所以使支承件受到平面内方向的
水平力，此水平力与幕墙的重量成正比。

4.5温度作用
温度作用应考虑气温变化、太阳辐射及使用热源等因素，作用在结构或构件
上的温度作用应采用其温度的变化来表示，温度作用的组合值系数、频遇值系数
和准永久值系数可分别取0.6 、0.5和0.4（9.1.3）。

4.5进行幕墙构件的承载力设计时，作用分项系数，按下列规定取值：
①一般情况下，永久荷载、风荷载和地震作用的分项系数γG、γW、γE应分
别取1.2、1.4和1.3；
②当永久荷载的效应起控制作用时，其分项系数γG应取1.35；此时，参与
组合的可变荷载效应仅限于竖向荷载效应；
③当永久荷载的效应对构件利时，其分项系数γG的取值不应大于1.0。

可变
作用的组合系数应按下列规定采用：一般情况下，风荷载的组合系数ψW应取
1.0，地震作用于的组合系数ψE应取0.5。

对水平倒挂玻璃及框架，可不考虑地
震作用效应的组合，风荷载的组合系数ψW应取1.0（永久荷载的效应不起控制
作用时）或0.6(永久荷载的效应起控制作用时)。

幕墙构件的挠度验算时，风荷载
分项系数γW和永久荷载分项系数均应取1.0，且可不考虑作用效应的组合。

5结语
了解到幕墙设计的重要性，作为幕墙结构工程师更不能盲目地照搬照抄规范，应该把它作为一种指南、参考，在实际设计项目中做出正确的选择。

这就要求结
构工程师对整体幕墙的结构体系与各基本分体系之间的力学关系有透彻的认识和
掌握，并与实际工程相结合，使幕墙结构设计的思路得到拓宽，促进幕墙技术的
良性发展。

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