建筑幕墙结构设计的若干理念及应用

/建筑幕墙结构设计的若干理念和应用李少甫（清华高校土木工程系北京100084）E-mail:lishf@第一部分引言建筑幕墙及其组成建筑幕墙：是表面具有屏幕效应的一种建筑工程构筑物。建筑幕墙结构的组成：是由玻璃、石料、等面板、和铝、钢等支承结构连接、安装组成的一种建筑工程结构，它可以相对独立或依附于主体建筑结构。建筑幕墙的类型按用途分类：围护性建筑幕墙；装饰性建筑幕墙；按构造分类：构件式幕墙；单元式幕墙；双层幕墙；天幕；楼层。按面板材料分类：玻璃幕墙；金属幕墙；石材幕墙；复合材料幕墙；按面板支承状况分类：框支式：明框，隐框，半隐框玻璃幕墙点支式：有孔玻璃幕墙；无孔（补丁）玻璃幕墙；肋支式：玻璃肋支全玻幕墙等。按密闭类型分类：封闭式建筑幕墙；开敞式建筑幕墙。按支承结构材料分类：铝型材，钢材，玻璃。按支承结构性状分类：刚性结构：梁格；桁架；网架；格栅；刚架；拱；柔性结构：拉索；张拉索杆体系等。建筑玻璃幕应用设计的趋势近年的几座公共建筑设计构思·北京植物园温室：叶对根的回报。·国家大剧院：天鹅水中下的蛋，顶盖覆盖平面为：212.24×143.64m的椭球形壳体杆系结构。·首都新博物馆：呈现长城、巨型青铜器文物至现代化的理念，东立面为40×60m的玻璃幕墙，并支承悬挑21m的屋盖部分。·首都新天文馆：显示宇宙弦象理念，接受了四个沿高度变截面及变形心座标的龙卷风样筒体。部分主墙面为曲面玻璃幕；马鞍喇叭形出入口，接受多曲面的中空钢化、加层玻璃。·深圳机场新航站楼：显示大鹏展翅形态。屋盖135×195m，最大悬挑18m，幕墙支承结构上端节点和屋架接受三维可动连接。·湖南国际会展中心：总用地76000㎡；总建筑面积95638㎡占地28196㎡，东西长242。8米，南北宽141。0米，地上2层，局部6层，檐口30～39米；屋盖主桁架设计呈巨龙腾飞型。·济南遥墙国际机场航站楼：建筑造型呈现展翅翱翔的大鸟，总长486米，宽66。7～145米，屋面高14～32米。建筑设计的趋势·理念构思新颖 ；·寓意概括形象：·体形怪异困难；·空间灵敏巨大；·内外通透沟通；·结构外露漂亮；·功能齐全完善。四、建筑幕墙结构的设计趋势特征建筑幕墙结构是用以支承建筑幕墙的骨架，须要协作并适应建筑设计的要求。由于上述建筑设计的趋势要求，其支承结构的设计也具有和之相应的以下趋势和特征：空间、跨度巨大；类型多样，体系困难；杆件稀有，截面细小：节点牢靠，美观大方：材质优良，加工精良；便于修理，耐用久长；五、建筑幕墙设计的一些基本理念1、玻璃幕建筑的设计涉及许多方面，是多学科多工种众人的共同创作；须要各方相互敬重、切磋协作、协调一样。2、设计应以建筑为主导，结构为基础，功能为关键，并把结构牢靠放在第一位。3、玻璃幕建筑是由脆性材料玻璃，弹塑材料金属，粘弹性材料结构胶等多种性质不同材料组成的建筑结构，其结构设计的成败在于能否统筹兼顾，合理利用各种材料特性组成的性能牢靠，经济合理，效益良好的建筑工程构筑物。它必需具备建筑工程结构的必要功能特征。其次部分建筑幕墙结构设计的基本理念李少甫（清华高校土木工程系北京100084）E-mail:lishf@一、建筑幕墙结构的构成·建筑幕墙结构是由玻璃、石材、铝材、钢材等加工成的板件，经连接、安装而构成的一种建筑工程结构。·工程结构是人们为社会生活须要而设计建立的一种工程构筑物，它须要承受各种可能的作用，并能满足各项预定功能的要求并具有足够的牢靠性（平安性、适用性和耐久性）。·施加于结构物的作用可分为自然和人为环境两类作用。干脆施加在结构上的作用又称荷载，如风，雪，雨，海浪，人群，设备，等；非干脆施加在结构上的直称其为作用，如地震，温度，支座沉降，强制装配等。二、结构设计的目的钢结构设计的目的在于使所设计的构筑物，在建立时和建成后，在各种可能作用下具有足够的牢靠性，并使其和社会经济效益有最佳平衡。三、建筑幕墙支承结构的类别按材料分类：·铝合金支承结构；·钢、不锈钢支承结构；·玻璃（肋）支承结构。按支承结构体系分类：梁格；桁架；网架；格栅；刚架；拱架；拉索；张拉索杆体系；组合体系；杂交体系等。3、按支承结构受力变形特征分类：刚性（线性）结构；柔性（非线性）结构。4、按支承结构所用钢材型号的分类：·轻型钢结构，主要以厚度（1.5㎜—6.0㎜）钢板和小型号型钢组成的钢结构；·一般钢结构，主要以一般厚度（8㎜—40㎜）钢板和一般型号型钢组成的钢结构；·重型钢结构,主要以较厚度（40㎜—100㎜）钢板和大号型钢组成的钢结构；5、按支承结构构件截面成型方法分类：·热轧型材；·冷弯、挤压型材；·焊接等的组合截面型材。四、建筑幕墙结构的一般设计程序和方法建筑幕墙结构的设计程序（中关村文化大厦中庭外立面30×70米幕墙；沈阳方圆大厦25×25米方空幕墙为例说明）依据建筑物特点及建筑设计的要求选择结构体系；布置结构体系构件；依据结构体系所受作用的状况和结构体系的工作性能确定结构分析（计算）简图（模型）；结构体系的荷载组合和受力分析；面板厚度设计选择和/或验算；支承结构构件设计和/或验算；连接节点设计和/或验算；绘制图纸和编制技术文件。2、建筑幕墙结构的设计方法依据工程状况，按须要，分阶段，依程序进行。3、建筑幕墙结构设计可分为以下三个阶段设计：初步设计，或称概念设计（CONCEPTDESIGN）：选择承载结构体系；布置结构；选择连接方法；用材品种和用量估算。其技术文件包括图纸和说明书。技术设计，或称基本设计（BASICDESIGN）：在初步设计基础上的深化细化设计：绘出结构布置详图；进行结构分析并确定板件截面形式、尺寸；给出各品种型材规格、用量；绘出重要连接节点图。技术文件包括为绘制幕墙结构施工图所必需要的一切图纸和说明书。施工设计（CONSTRUCTIONDESIGN），或称制造、运输、安装设计：是技术设计的详细细化，应满足幕墙结构加工、制造、运输和安装所须要的一切技术参数、图形和文字说明。技术文件包括施工用详细图纸和说明书（包括仿真软件）。建筑幕墙结构的设计可依据工程规模、困难程度、建筑设计的进展以及工作要求等状况，接受以上的三阶段，或将（1）及（2）合并为一段和（3）的，即所谓的扩大初步设计和施工设计的两阶段设计。对于较简洁的建筑幕墙结构工程，也可将（1），（2），（3）合并为一阶段设计。五、建筑幕墙结构体系的工作特征建筑幕墙结构主要是由各种杆件组成的不同种类的杆系类结构。1、体系结构类别和受力工作特征梁式结构—由若干受弯工作的梁，排列组成的结构体系，又称梁格。梁格结构有以下几种型式：·简洁梁格：单方向排列的梁格；·一般梁格：主、次梁交叉排列的梁格；·困难梁格：主、次梁及小次梁相互交叉排列的梁格；梁是受有横向荷载而弯曲工作的构件，其内力主要是弯矩和剪力，当在弹性范围内工作时，截面材料强度利用不充分；完全塑性范围工作时，将形成塑性铰，致使结构约束度退化，甚者转变为机构。其截面设计原则上是：当承受动力荷载时，限制在弹性范围内工作；当仅承受静力荷载时，可考虑截面有部分塑性发展，即可在弹塑性范围内工作。桁架结构：由若干杆件其端部相互铰接于一点并以三角形规则形成的结构体系。在节点荷载作用下杆件仅受有轴向力。·平面桁架结构：桁架结构全部的杆件轴心线在同一平面内。平面桁架结构本身仅能承受作用于其平面内的荷载；平面外荷载及其稳定性，常需由其它结构或必要的支撑承受和保证。·空间桁架结构：桁架结构的杆件轴心线不完全在同一平面内。该桁架结构本身就能承受作用于其平面内、外的荷载；不须要由其它结构或支撑承受和保证其稳定性。网架结构是空间桁架结构的一种开拓和发展，具有空间桁架结构的构成规则和受力工作特征。刚架结构：由若干杆件其端部相互刚接形成的结构体系（可不以三角形规则）。在荷载作用下杆件受有弯矩（包括扭矩）、剪力和轴向力。它比桁架结构体系有更大的空间灵敏性。·平面刚架结构：刚架结构全部杆件的轴心线在同一平面内。平面刚架结构本身仅能承受作用于其平面内的荷载；平面外荷载及其稳定性，常需由其它结构或必要的支撑承受和保证。·空间刚架结构：刚架结构的杆件轴心线不完全在同一平面内。该桁架结构本身就能承受作用于其平面内、外的荷载；不须要由其它结构或支撑承受和保证其稳定性。格栅：一种斜交叉特殊规的平面刚架或其组合体系，其构件受力较困难。以上几类体系，通常均由刚性杆件构成，设计合理时，应属于刚性结构体系。拉索结构体系：由张拉索（或拉力杆）及其支承结构组成的结构体系，它是一种受力柔性工作的结构体系。这类结构体系受力时，其几何形态将随荷载作用的大小、位置和方向不同而变更；拉索需施加预张力且仅能承受拉力，即内力应是正定的。张拉索杆结构体系：由张拉索（或张拉杆）、撑杆及必要的支撑结构组成的结构体系，具有柔性结构的一些特征。例如，张拉索（或张拉杆）应在设计、施工和运用全过程中使其具有张力，即其内力始终应是正定的；任一撑杆不许因失去承载力而退出工作。混合、杂交体系：以上几种体系的混合或（和）杂交的体系。受力工作性能依混合、杂交状况而定。其总体上可以是刚性的，柔性的；或者部分刚性和部分柔性的。2、体系的构件布置，可依据建筑空间状况和要求灵敏支配，但是，对于非柔性结构而言，必需使之组成的是一个空间几何不变性的结构体系。即便是柔性结构，也应使之组成的是一个相当程度的空间几何不变性的结构体系。其目的均在于使该结构体系工作牢靠，受力合理，经济高效。工作牢靠，是指体系在各种可能作用下具有足够的平安、适用和耐久性。受力合理，是指体系构件间的受力明确，传力的路径清晰、短捷、作用干脆。经济高效，是指体系的建立、运用、维护等的综合经济效益高。3、支撑的作用、设置和类型。作用：·和构件或平面结构组成空间几何不变的结构体系；·承受结构平面外荷载作用；·削减结构或构件自由变形长度，保证结构体系、构件稳定性；·增加结构体系或构件刚度，减小振动。设置部位：可依据须要设置在建筑幕墙结构的任何必要部位。支撑的类型：·十字形；人字形；八字形；角隅斜撑。·柔性支撑（长细比λ≤400）；·张拉柔性支撑（不限其长细比λ≥400）。·刚性支撑（长细比λ≤200）；·偏心支撑（可引起被支构件附加弯矩），可增大结构延性；·无偏心支撑（不引起被支构件附加弯矩），结构刚度较好。六、建筑幕墙结构的分析1、结构的分析的原则：依据结构类型、荷载性质和要求的不同，接受不同的分析方法。分述如下。2、结构体系的类型和荷载性质体系类型：刚性结构体系，柔性结构体系；平面结构体系，空间结构体系。荷载性质：静力荷载，动力荷载，冲击荷载；重复荷载；随机荷载；谱荷载。3、分析要求：（1）静力（反应）分析。（2）动力（响应）分析。（3）乏累（损伤、健康和寿命评估）分析。4、分析方法：线性分析法，是指基于结构受荷变形前的结构分析；可在各荷载下单独进行结构分析，再内力组合。非线性分析法，是指基于结构受荷变形后的结构分析。它可以有以下几种：·几何非线性分析法；·材料非线性分析法；·几何和材料非线性分析法；应先荷载组合，之后，分级施加组合荷载进行结构分析。刚性小变形性结构一般可按线性分析，必要时需进行非线性分析；柔性或大变形性结构一般可应进行非线性分析。特定条件下，可按线性分析。3、结构分析（计算）简图的必要条件：（1）结构几何图形及尺寸；（2）构件几何特性：长度，截面形态、尺寸、几何特性（面积、惯性矩、面积矩、抗拒矩、回转半径、扇性特性）（3）材料特性：极限强度，屈服强度，乏累强度；弹性模量，剪切模量，波桑比。（4）荷载性质、大小、作用位置和方向；（5）板、件边界约束：六个自由度的约束要求；（6）结构支承状况：刚性支承，柔性支承；铰结支承，固结支承，弹性支承；一维性，二维性，三维性的支承。、结构分析（计算）结果：·受力反应：内力，F（M，N，V）x,y,z或应力，σx,y,z，τij；·形变反应：位移，Dx,y,z或应变，εx,y,z，γij；·振动反应：频率ωx,y,z；振幅ax,y,z；速度åx,y,z；加速度äx,y,z。·损伤健康寿命评估：结构性能退化程度，剩余寿命估算，加固修复措施要点。七结构的构件和截面设计应依据构件的受力状况和运用要求，选择构件和截面型式和尺寸，使之在满足牢靠性（平安性，适用性，耐久性）要求的前题下,力求有最好的经济和社会效益。·足够的承载力是结构平安性和耐久性的保证；适宜的刚度（形变、振动反应）是结构适用性的必需条件，二者相互关联，但有区分。·结构体系、构件和截面的承载力，是指其抗拒所受可能荷载作用而不破坏的最大实力，须依据其受力可能的破坏形态，合理设计。八、结构的破坏形态和设计对策1破坏形态：韧性破断,DuctilityBreak(DB)；脆性断裂,BrittleFracture(BF)；乏累破坏,FatigueFailure(FF)；曲屈失稳,BucklingInstability(BI)；机构塌毁,MechanismFailure(MF)；过大变形（包括塑性变形和裂纹）,OverDeformation(OD)；不适振动,Unsatisfactoryvibration(UV)。其中：（1）～（5）表明结构是否平安或`耐久；（6），（7）表明结构是否适用。各类钢结构的主要破坏形态及其主要防止对策玻璃、石材结构的破坏，通常呈脆性破坏；铝合金结构的破坏和钢结构的破坏形态类似。（1）各类钢结构的主要破坏形态·一般钢结构：1234567·轻及超轻型钢结构：※※※※※※·重型钢结构:※※※※（2）主要防止对策：应依据不同类型钢结构的破坏特征，从以下几方面实行防止对策和措施。A、材料选择：强度级别；质量等级；特殊技术条件要求。B、构件设计：按承载实力和正常运用极限状态设计算和构造。C、节点设计：按承载实力极限状态计算和构造。D、制造工艺；E、安装方法等。各破坏形态的主要防止措施破坏形态主要防止措施、要求·韧性破断ABCσ≤fu·脆性断裂ACDK1≤K1C·乏累破坏ACDK1≤K1C·曲屈失稳BCEb/t,L0/r,σ≤fy·机构塌毁BCEb/t,L0/r,σ≤fy·过大变形BCEL0/r,σ≤fy·不适振动BCEL0/r,σ≤fy其中：K1=Yσa1/2--应力强度因子；K1C—钢材的断裂韧性；Y—和裂纹状况有关的参数;σ—场应力；a—裂纹长度。九、建筑结构用钢类别：·强度级别：Q235，Q345…；·质量等级：Q235A～D；Q345A～EA级（保証抗拉强度fu、屈服强度fy，伸长率δ5，冷弯α；硫，磷合格，但是，无AK值保证，且碳、锰含量不作为交货条件）；B级（增加200±50C下的AK值，和碳、锰含量合格保证）；C级（增加≥00C下的AK值和碳、锰含量合格保证保证）；D级（增加≥－200C下的AK值和碳、锰含量合格保证保证）；E级（增加≥－400C下的AK值和碳、锰含量合格保证保证）；基本物理力学性能指标含义：强度，低抗破坏应力的程度：·抗拉强度fu·屈服强度fy·乏累强度σf塑性:·伸长率δ5,δ10，材料在单向拉伸下的变形实力；·冷弯角α，材料在综合受力下的变形实力和内部品质的一种显示；·断面收缩率Ψ=100(A--A0)/A0%，困难过力，和抗层状撕裂性能的一种表征。韧性：·冲击韧性AK≥27J/cm2(Q235钢)AK≥29J/cm2(16Mn钢)不同型材，不同温度的实际AK值不同。·断裂韧性K1C，K1d，CTOD。加工工艺性能：·冷加工工艺性能；·焊接性能。特殊性能：·耐候性；·耐火性；·低燥声。3钢结构对钢材的三项基本力学性能要求：fu，fy，δ5（或δ10）。4选用钢材的主要依据：结构类别：轻型，一般，重型；连接方法：焊接，非焊接；荷载性质：静力，动力；单次，多次；环境条件：结构工作的环境温度；经济效益。5关于钢材的设计强度（1）一般钢材的设计强度：f=fy/γR（2）抗力分项系数γR，它是牢靠度和计算方法综合考虑下的结合值。常用钢材Q235或Q345，γR=1.087～1.110。（3）不锈钢的抗力分项系数；γR=1.15；（4）钢绞线（钢丝绳）抗力分项系数、设计强度和设计抗力。·钢丝破断强度fu下建议:γR=2.2,·单根钢丝的设计强度fgs=fu/2.2,总平安系数K≈1.4×2.2≈3。·钢绞线的设计抗力Ngjx：Ngjx=Ags×fu/2.5，总平安系数K≈1.4×2.5≈3.5;或Ngjx=Ntu/K=Ntu/3.0。其中：Ntu,为钢绞线总的最小破断拉力值。十建筑结构的构件和其截面设计首先依据受力状况和运用要求选择构件类型及截面形态，再进行承载实力和刚度计算。1、强度计算选择截面。初选截面应留有余量，以备验算；2、稳定性、屈曲验算；3、乏累破坏等验算；4、刚度核算。十一建筑结构的连接设计的主要理念1、连接的概念：零件、杆件、构件、结构之间的相互连系和结合。2、设计原则：受力合理，传力明确，途径干脆，刚柔适度，构造简洁，外形美观，节约钢材，能够施工。受力合理是指：·受力性质于设计实际一样；·承载实力足够；·板件边界条件于设计实际一样。3、连接方法：焊接，铆、螺、销钉等机械连接，胶粘接（瞬时荷载强度较高；许久荷载强度很低）4、连接型式：对接，丁接，角接；5、计算方法：弹性分析，应力限制；极限分析，承载力限制。十二钢管结构的设计要点Ⅰ圆钢管结构1设计要点·使钢管桁架的节点数最少；·杆件轴心线应交会于一点，否则应在杆件和节点设计中考虑其影响；·一般使弦管径厚比D/T=20—30；·支管壁厚t<T,T-弦管壁厚；·应依据节点类型校核节点承载力，当不满足要求时，调整弦，支管尺寸。2杆件设计·杆件截面应力状态和径厚比限值：受弯全屈服无转动约束的塑性铰D/T≤50ε2；受弯全屈服有转动约束非塑性铰D/T≤70ε2；受弯仅边缘屈服D/T≤90ε2；全截面受压（无缝管）D/T≤100ε2；全截面受压（焊接管）D/T≤60ε2。D-钢管外径，T-壁厚，ε=（235/fy）0.5。·焊接钢管桁架杆件计算长度系数μ弦管：桁架平面内μ=0.9；桁架平面外μ=1.0；支管：桁架平面内、外μ=0.75,以上仅适用于d/D≤0.6时。·依据杆件受力选择管径、壁厚，验算强度和稳定性。3节点设计·一般焊接管节点是指由钢管相互干脆相焊而无加劲肋也不搭接的节点。·一般焊接管节点类型和承载力：类型：T、K、Y、X型及其空间型管节点。承载力：和类型、几何形体、受力状况及其弦、支管的管径、壁厚、和其相互比例有关。通常应使：D/T≤50（T，K，Y型）；D/T≤40（X型）；0.2≤d/D≤1.0；d/t≤50；300≤θ≤900（θ—弦管和支管间夹角）。其中：T，D—弦管壁厚，管径；t,d—支管壁厚，管径。·一般焊接管节点受力困难，应力集中严峻，验算乏累时，应用热点应力幅，Δσ=σmax-σmin，拉应力为“+”，压应力为“-”。4、加工制作安装（1）管端切割，宜支管内壁和弦管外壁密合，其两管外壁间隙适当，即“内密外适”，使连接裂纹性缺陷少，强度高，焊接金属省，焊接残余应力低。（2）钢管对接时应为内衬钢管的熔透焊缝；（3）编制工地环状熔透焊缝的焊接技术措施等。Ⅱ方钢管结构1、设计要点·使钢管桁架的节点数最少；·杆件轴心线应交会于一点，否则应在杆件和节点设计中考虑其影响；-0.55≤e/hΟ≤0.25·一般使弦管板件宽厚比15≤b0/t0≤35；·一般使支管板件宽厚比:bi/ti≤1.25（E/fy）0.5（T，X，Y节点）;bi/ti≤35(K,N间隙节点及bi/b0≥0.1+0.01×b0/t0)；支管壁厚ti<t0,；·应依据节点类型校核节点承载力，当不满足要求时，可调整节点域的弦，支管尺寸或壁厚。2、杆件设计·杆件截面应力状态和宽厚比限值：腹板受弯全屈服可转动的塑性铰h1/tw≤72ε；腹板受弯全屈服不动的非塑性铰h1/tw≤83ε；腹板受弯仅边缘屈服h1/tw≤124ε；全截面受压（无缝管）h1/tw≤38ε；全截面受压（焊接管）h1/tw≤33ε。h1-钢管腹板净高，tw-腹板壁厚，ε2=