单元式幕墙设计实例分析

邓吴

摘要：该工程幕墙和以往的幕墙工程设计有点不同，工程从中间楼层向上下层收缩，每层所收缩的尺寸都不一样，而且在风洞实验荷载较规范计算值高出一倍以上，因此，在单元式幕墙的结构设计及施工调节方面的要求都很高。本文应用SAP2000及ANSYS等有限元软件对关键节点部位进行分析，以期类似幕墙设计借鉴。

关键词：单元式玻璃幕墙；幕墙设计；结构计算；有限元分析

一、幕墙工程概况

某建筑工程一共2栋建筑群，幕墙总面积约70000㎡，最高高度为199.8m，其中含单元式幕墙26000㎡。基本风压w=0.6KPa，同时建设单位提供了风洞试验报告，因此风荷载标准值wk取值按照荷载规范计算公式wk=BWμW（包括国标GB50009与省标DBJ15-101）与风洞试验比较所得的最大值。对于该建筑形式的单元式幕墙，在四个圆弧位置最大的风荷载标准值wk=4.16KPa（如图1），幕墙抗风压性能达到7级；单元板块基本尺寸为1500mmx4200mm，设备层最大尺寸板块为1500mmx5900mm，为满足结构的安全与适用，本建筑主受力杆件均为6063-T6，部分立柱采用Q235钢管进行加强，单元式连接支座采用6061-T6。

由于幕墙从中间楼层向上下楼层收缩，而且每层的尺寸不同，角度也不同。因此，运用CAD软件，按1：1比例，建立整体幕墙与结构的三维模型，确定每一层最外边的结构尺寸与幕墙完成面的关系，确定每层结构边线的相对位置关系，与建筑幕墙完成面是否有干涉关系，为下一阶段的系统设计做好准备工作。

二、幕墙设计中的重点及难点

（1）公母框横梁过桥连接强度要求高。单元式幕墙在安装时是通过公母边框对接，自下而上进行拼装，因此在公母框对接的地方需要做好强度、挠度，确保幕墙的气密、水密、保温性能。本工程荷载相比一般普通工程较大，对公母框横梁过桥的强度要求较高。

（2）兼顾单元支座可调节性与安全性。方案在深化设计时才发现连接码无调节构造，而一旦出现结构误差，连接码与立柱将无法连接。纵观我国这么多的幕墙工程，没有一个工程可以说是万无一失，总有那么一些需要调节的部位，因此，需要考虑出现误差时支座的调节机构，通过可调节的构造消除各方向的误差，并确保有足够的设计强度。

（3）开启扇面积较大且风荷载较高导致的锁点受力要求高。该工程处于台风区域，开启扇尺寸为1500mmx2200mm，为满足受力需要，订制了单点设计承载力1500N的锁点，并通过SAP2000有限元软件模拟整樘窗扇的受力情况，从而确定开启扇锁点布置设计。

三、铝合金横梁过桥设计

横梁过桥起到协调相邻单元板块平顺过渡的作用。设计分别分析了在正负风压作用下过桥的受力情况，负风压作用下过桥与横梁受力较为不利（如图2）。风荷载作用下连接处剪力由横梁与套芯按刚度分配原则共同传递，横梁过桥协调横梁公母框的传力，与公母框共同承担荷载，经强度校核，过桥采用6063-T6材质，长度至少为250mm，单边为125mm；并且在试验中，该部位完全满足幕墙受力，此种刚度分配计算是合理的。

（2）铝合金挂码设计。由于这个支座的构造十分复杂，在计算受力时，需要清晰的分析传力途径，确定每个构造的计算简图，此处通过手算与ANSYS软件相结合的分析，把每一个构件的受力状况计算出来。该支座系统包含铝合金挂码1与挂码2，挂码1长度为150mm，厚度为8mm；挂码2长度仅为80mm，厚度为10mm，材质均为铝合金6061-T6；通过构造设计，挂码1与挂码2在结构计算上简化为固定端支座，不锈钢圆棒处为自由端，竖向力与水平力通过挂码传递至不锈钢圆棒，进而传递至挂码支座。由于这个支座的构造复杂，在计算受力时，需要清晰的分析传力途径，确定每个构造的计算简图，此处通过手算与ANSYS软件相结合的分析，把每一个构件的受力状况计算出来。该连接属于非常重要的节点，尤其是挂码02，受限于构造空间，需要特别予以重视，工程采用ANSYS有限元软件三维建模相结合的手段分析其局部应力，经验算，该挂码强度达到196.26MPa（6061-T6强度设计值为200MPa），满足强度要求（如图4）。

（3）铝合金挂码支座设计。支座处荷载通过挂码传递至铝合金支座，由于本项目的风荷载较大且板块较大，若按以往常规做法将螺杆简化为为简支梁模型来承担整个单元板块，经受力计算螺杆尺寸需达到M32，严重影响到整个支座的尺寸与加工工艺，不符合经济适用的原则。为减小螺杆尺寸，将螺杆的单跨简支梁模型设计为等跨双跨梁模型，因此在挂码支座设置多一根竖向加强肋，并在该处设置防脱码。此种构造有如下好处：一是将螺杆由简支梁模型转化为双跨梁模型，将连接件规格由M32降为20不锈钢圆棒；二是竖向肋增强挂码支座的刚度，底部的厚度由原方案的15mm降为6mm；通过改变构造设计，铝合金支座增加了多方向调节功能，但用材与原方案设计相比无明显增加。

五、开启扇锁点布置设计

该工程风洞实验所确定的最大风荷载标准值wk=4.16KPa，且该区域最大的窗扇规格为1500x2200。窗扇顶部布置三个铝合金合页承担重力与部分水平力。按照单个普通锁点设计承载力仅为800-1000N，初步估算至少需要锁点数量为1.4x0.00416x1500x2200/1000=19.2，即按照常规需要20个锁点方可满足受力需要。将如此多数目的锁点同时布置在一个窗扇上，一是不符合经济适用的原则；二是窗扇上锁点布置过密，连桿长度较长，通过一个执手同时控制所有锁点的启闭几乎不可能；三是锁点布置过密将占据其他配件的位置，影响整樘窗扇的密闭性与安全性。因此，该工程特研制设计承载力达到1500N的高性能锁点，将窗扇三边锁点总数目缩减到13个（如图5），锁点在破坏性试验中破坏荷载可以达到2700N以上，可满足安全系数要求。通过SAP2000整体建模（如图6），调整锁点间距使单个锁点设计承载力在（1500+50）N内，同时控制窗扇边角的变形保证其气密性与水密性使其可满足幕墙四性试验。

参考文献

[1]GB50009－2012.建筑结构荷载规范[S].

[2]DBJ15－101－2014.建筑结构荷载规范（广东省标准）[S].

[3]赵艳敏.单元式玻璃幕墙性能试验模型施工技术[J].施工技术，2015（9）.