框支承玻璃幕墻第二階段抗震設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)分析及建議

李 良 花定興

國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-89、2001及2008版（簡(jiǎn)稱抗規(guī)）均采用二階段設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)三個(gè)水準(zhǔn)的抗震設(shè)防目標(biāo)。現(xiàn)有建筑幕墻方面的規(guī)范規(guī)程全部沿用這一抗震設(shè)防基本思想和原則，但對(duì)《建筑工程抗震設(shè)防分類標(biāo)準(zhǔn)》GB50223-2008強(qiáng)制規(guī)定的重點(diǎn)設(shè)防類和特殊設(shè)防類建筑應(yīng)分別按高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度一度的要求和高于本地區(qū)抗震設(shè)防烈度提高一度的要求加強(qiáng)其抗震措施這一內(nèi)容沒有實(shí)質(zhì)性的響應(yīng)。

建筑幕墻在我國(guó)的應(yīng)用已有三十三年了，我國(guó)已是且今后一段時(shí)間內(nèi)仍將是建筑幕墻生產(chǎn)使用大國(guó)。建筑幕墻是否要象主體結(jié)構(gòu)一樣滿足這一要求，或者在什么情況下需滿足這一要求，與主體結(jié)構(gòu)間存在何種關(guān)系，值得詳加分析論證。

為了分析方便，參照《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003的應(yīng)用范圍規(guī)定，將與水平面夾角在75°和90°之間的建筑幕墻統(tǒng)稱為強(qiáng)豎面建筑幕墻，包括垂直建筑幕墻和與水平面夾角在75°和90°之間的斜建筑幕墻，與《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003和《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ133-2001的工程應(yīng)用范圍對(duì)應(yīng)；將與水平面夾角在0°和75°之間的建筑幕墻統(tǒng)稱為弱垂面建筑幕墻，包括與水平面夾角在0°和75°之間的建筑幕墻、采光頂及雨蓬等。本文以強(qiáng)垂面建筑幕墻中的框支承玻璃幕墻為分析對(duì)象，從以下三個(gè)方面分析其結(jié)構(gòu)支承體系在大震時(shí)的結(jié)構(gòu)承載力并提出建議。

一、從設(shè)防概念角度考慮

我們新舊抗規(guī)均對(duì)建筑工程規(guī)定了“小震不壞、中震可修、大震不倒”這三個(gè)水準(zhǔn)的抗震性能設(shè)計(jì)目標(biāo)。其中的小震、中震和大震，系根據(jù)我國(guó)華北、西北和西南地區(qū)地震發(fā)生概率的統(tǒng)計(jì)分析，分別按50年內(nèi)超越概率為63%、10%、2%～3%或按重現(xiàn)期分別為50年、475年和1600～2400年計(jì)取地震烈度，并分別規(guī)定為第一、第二、第三水準(zhǔn)烈度。需專門指出的是，中震對(duì)應(yīng)的第二水準(zhǔn)烈度即為設(shè)防烈度，一般按地震基本烈度區(qū)劃或地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃對(duì)當(dāng)?shù)氐囊?guī)定采用，而小震也稱為多遇地震，對(duì)應(yīng)的第一水準(zhǔn)烈度即為眾值烈度，約比設(shè)防烈度低1.55度；大震也稱為罕遇地震，對(duì)應(yīng)的第三水準(zhǔn)烈度比設(shè)防烈度高1度強(qiáng)或1度弱。

按抗規(guī)的條文說(shuō)明，與各地震烈度水準(zhǔn)相應(yīng)的抗震設(shè)防目標(biāo)是：一般情況下（不是所有情況下），遭遇第一水準(zhǔn)烈度（眾值烈度）時(shí)，建筑處于正常使用狀態(tài)，從結(jié)構(gòu)抗震分析角度，可以視為彈性體系，采用彈性反應(yīng)譜進(jìn)行彈性分析；遭遇第二水準(zhǔn)烈度（基本烈度）時(shí)，結(jié)構(gòu)進(jìn)入非彈性階段，但非彈性變形或結(jié)構(gòu)體系的損壞控制在可修復(fù)的范圍；遭遇第三水準(zhǔn)烈度（預(yù)估的罕遇地震時(shí)），結(jié)構(gòu)有較大的非彈性變形，但應(yīng)控制在規(guī)定的范圍內(nèi)，以免倒塌。同時(shí)，條文說(shuō)明也指出抗規(guī)是采用二階段設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上述三個(gè)水準(zhǔn)的設(shè)防目標(biāo)的，即：第一階段設(shè)計(jì)是承載力驗(yàn)算，取第一水準(zhǔn)的地震動(dòng)參數(shù)計(jì)算彈性地震作用標(biāo)準(zhǔn)值和相應(yīng)的地震作用效應(yīng)，采用《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB50068規(guī)定的分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行結(jié)構(gòu)構(gòu)件的載面承載力驗(yàn)算，這樣既滿足了在第一水準(zhǔn)下具有必要的承載力可靠度，又滿足第二水準(zhǔn)的損壞可修的目標(biāo)。對(duì)大多數(shù)的結(jié)構(gòu)，可只進(jìn)行第一階段設(shè)計(jì)，而通過(guò)概念設(shè)計(jì)和抗震構(gòu)造措施來(lái)滿足第三水準(zhǔn)的設(shè)計(jì)要求；第二階段設(shè)計(jì)是彈塑性變形驗(yàn)算，對(duì)特殊要求的建筑、地震易倒塌的結(jié)構(gòu)及有明顯薄弱部位的不規(guī)則結(jié)構(gòu)，除進(jìn)行第一階段設(shè)計(jì)外，還要進(jìn)行結(jié)構(gòu)薄弱部位的彈塑性層間變形驗(yàn)算并采取相應(yīng)的抗震構(gòu)造措施，實(shí)現(xiàn)第三水準(zhǔn)的設(shè)防要求[1]。

為響應(yīng)這一抗震設(shè)防基本思想和原則，《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003在第5.1.6條第2款給出了有地震作用效應(yīng)組合時(shí)的承載力計(jì)算公式，在第5.3.4條和第5.3.5條給出了地震作用計(jì)算公式，在第5.4節(jié)給出了作用效應(yīng)組合公式和各系數(shù)取值原則，在第5.6節(jié)規(guī)定了硅酮結(jié)構(gòu)密封膠在小震時(shí)的彈性狀態(tài)下的計(jì)算公式，在第6.1.2條給出了玻璃面板基于大撓度理論的幾何非線性有限元計(jì)算公式，在第6.2節(jié)和6.3節(jié)分別給出了橫梁和立柱基于線彈性力學(xué)的計(jì)算公式及寬厚比限值要求，在第5.5.2條規(guī)定“玻璃幕墻構(gòu)件連接處的連接件、焊縫、螺栓、鉚釘設(shè)計(jì)應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017和《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》JGJ99的有關(guān)規(guī)定。這些規(guī)定在地震作用方面保證了玻璃幕墻的第一階段抗震設(shè)防目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，滿足了地震對(duì)幕墻產(chǎn)生的直接效應(yīng)下的安全性要求。同時(shí)，在第4.2.6規(guī)定抗震設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)按主體結(jié)構(gòu)彈性層間位移角限值的3倍進(jìn)行設(shè)計(jì)，在第4.3.9條及相應(yīng)的條文說(shuō)明中給出了幕墻玻璃拼接膠縫寬度取值原則，柱第9.5節(jié)給出了明框幕墻玻璃與槽口的配合尺寸要求，在第6.3.3條規(guī)定了上下立柱間應(yīng)留有不小于15mm縫隙的要求等[2]，則是滿足第二水準(zhǔn)的層間變形要求和第二階段的彈塑性變形要求的抗震措施，目的是要最終實(shí)現(xiàn)第三水準(zhǔn)的設(shè)防目標(biāo)，滿足主體建筑結(jié)構(gòu)對(duì)幕墻產(chǎn)生的附加效應(yīng)時(shí)的安全性要求。從歷次大地震沒有見到關(guān)于震后尚存建筑中幕墻的震害報(bào)道，特別是去年汶川大地震只要主體結(jié)構(gòu)未倒，則幕墻一般都能保持完好的事實(shí)來(lái)看，從我國(guó)多次幕墻振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)當(dāng)位移角最大達(dá)1/70時(shí)幕墻還能保持完好的試驗(yàn)情況來(lái)看，這些抗震措施是可以使幕墻承受1/100層高的平面內(nèi)水平位移的。

二、從桿件結(jié)構(gòu)力學(xué)分析角度考慮

幕墻抵抗大震的能力目前是通過(guò)擬靜力法或抗震振動(dòng)臺(tái)法來(lái)試驗(yàn)驗(yàn)證的，一般均采用擬靜力法檢驗(yàn)平面內(nèi)變形性能而不作計(jì)算。以下根據(jù)桿件結(jié)構(gòu)力學(xué)知識(shí)進(jìn)行計(jì)算分析。

1、樓層單支座時(shí)

橫滑式單元幕墻的立柱下端在平面內(nèi)不受約束，理論上其平面內(nèi)變形能力無(wú)窮大；橫鎖式單元幕墻立柱下端在平面內(nèi)的約束情況和構(gòu)件式幕墻基本一致，而上端平面內(nèi)約束由于單元板塊一端鉸支一端可左右滑動(dòng)使其平面內(nèi)變形能力好于構(gòu)件式幕墻。因此，下面以采用關(guān)于y軸 (平行于截面高度)對(duì)稱的矩形鋁管的構(gòu)件式玻璃幕墻為例進(jìn)行分析。

考慮立柱平面內(nèi)約束為固定支座，上下立柱間留有不小于15mm縫隙其約束可取為滾軸支座，其計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖1所示。

表1

一般情況下，n均比2大，即δy一般小于60N/mm2，只有6063T5鋁型材抗壓設(shè)計(jì)強(qiáng)度的70%，處于彈性受力狀態(tài)。通常立柱型材寬度b≤80mm，此時(shí)δy僅40N/mm2。此時(shí)支座處彎矩（對(duì)埋板焊縫實(shí)際為扭矩）Mb：考慮到一般n≥2.5，可取

顯然，n越小，β越大，則支座及連接所受彎矩（或扭矩）就越大；同樣，Iy越大，Mb也越大，要保證大震時(shí)幕墻不脫落，就應(yīng)按2-2式考慮附加作用效應(yīng)對(duì)支座及連接強(qiáng)度的影響。

2、樓層雙支座時(shí)

考慮立柱上支座為固定支座，下支座為定向支座，其計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3所示。

圖4所示計(jì)算簡(jiǎn)圖分解成圖5和圖6，圖5計(jì)算簡(jiǎn)圖又分解成圖5a、5b，圖6計(jì)算簡(jiǎn)圖分解成圖6a、6b。

圖5a中，P在C處產(chǎn)生位移：

圖3

根據(jù)以上分析，最大桿件彎矩發(fā)生在f處和e處，顯然，根據(jù)公式2-5，n、m越大，其彎矩值也越大。以下結(jié)合一般工程情況進(jìn)行具體分析。

（1） 若l3為0，即m無(wú)窮大，此時(shí)：

（2） 若l3不為0時(shí)，一般情況下，通常n介于1.25～2之間，m介于3～10之間，取最不利情況分析，此時(shí)n=2、m=10、l=3000，則：

①若采用6063T5，當(dāng)δy≤fa時(shí)：

1.33b≤85.5→b≤64.3mm或b/l≤0.0213

②若采用6063T6，當(dāng)δy≤fa時(shí)：

1.33b≤140→b≤105.3mm或b/l≤0.035。

一般立柱截面寬度b均能滿足此要求。當(dāng)不滿足時(shí)應(yīng)按工程實(shí)際情況進(jìn)行驗(yàn)算。專門指出，雙支座時(shí)，最大支座彎矩值等于Mf，此值一般大于采取單支座時(shí)的支座彎距。

若考慮大震直接作用，由于大震時(shí)的地震烈度比小震地震烈度高約2.5度，則大震直接作用的水平標(biāo)準(zhǔn)值約為小震時(shí)的5倍。經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于豎直的建筑幕墻，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值可達(dá)2.0～5.0kPa，而由于單層玻璃幕墻自重較輕，小震時(shí)水平地震作用一般只有0.06～0.48KPa，基本不超過(guò)風(fēng)載的10%，因而大震直接作用產(chǎn)生的截面應(yīng)力不超過(guò)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的50%。由此可見，對(duì)單支座的幕墻立柱，在立柱型材寬度b≤80mm的情況下，大震時(shí)仍處于彈性受力狀態(tài)，b超過(guò)80mm時(shí)應(yīng)從嚴(yán)限制截面寬厚比；對(duì)雙支座的幕墻立柱，在主體結(jié)構(gòu)不是鋼結(jié)構(gòu)的情況下，若立柱截面b≤80mm且采用6063T6材質(zhì)，大震時(shí)仍處于彈性受力狀態(tài)，b超過(guò)80mm時(shí)應(yīng)從嚴(yán)限制截面寬厚比；若立柱采用6063T5材質(zhì)，大震時(shí)將可能進(jìn)入彈塑性受力狀態(tài)，應(yīng)分別按主體結(jié)構(gòu)的類型按b/l值給出從嚴(yán)的截面寬厚比限制。但在中震時(shí)，只要主體結(jié)構(gòu)不是鋼結(jié)構(gòu)，在立柱型材寬度b≤80mm的情況下，不論是6063T5材質(zhì)，還是其他鋁合金材質(zhì)，由平面內(nèi)變位引起的δy≤63.8≤80%×85.5，均處于彈性受力狀態(tài)。

三、從鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算的角度對(duì)支座連接和埋件的計(jì)算建議

現(xiàn)有框支承玻璃幕墻方面的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范提出了“大震不倒”即大震時(shí)幕墻不脫落的最高抗震設(shè)防目標(biāo)，但對(duì)如何保證大震時(shí)幕墻不脫落沒有具體規(guī)定，絕大多數(shù)情況下是依靠擬靜力試驗(yàn)驗(yàn)證幕墻的平面內(nèi)變形性能來(lái)反映幕墻的大震變形能力而不考慮大震時(shí)的直接地震作用。根據(jù)抗規(guī)第13.2.2條第2項(xiàng)規(guī)定，“一般情況下，……對(duì)支承于不同樓層或防震縫兩側(cè)的非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，除自身重力產(chǎn)生的地震作用外，尚應(yīng)同時(shí)計(jì)及地震時(shí)支承點(diǎn)之間相對(duì)位移產(chǎn)生的作用效應(yīng)。”因此，對(duì)支座連接和埋件的計(jì)算，除按規(guī)范規(guī)定驗(yàn)算風(fēng)荷載起控制作用時(shí)考慮小震作用的承載力外，尚應(yīng)增加驗(yàn)算大震起控制作用時(shí)的支座連接和埋件的承載力，特別是考慮到焊縫為脆性材料，且層間變位產(chǎn)生的支座彎矩大多數(shù)情況下使連接焊縫抗扭。尤其是雙層幕墻共用支座連接和埋件的時(shí)候，直接地震作用幾乎增大一倍，必須增加此項(xiàng)驗(yàn)算。

建議對(duì)支座連接和埋件按下式增加驗(yàn)算：

式中：S為作用效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值；

ψE1為大震直接作用的組合值系數(shù)，建議取1.0；

ψE2為大震附加作用效應(yīng)的組合值系數(shù)，建議取1.0；

ψW為風(fēng)荷載組合值系數(shù)，建議按彈性方法驗(yàn)算時(shí)取0，按彈塑性方法驗(yàn)算時(shí)取0.1；

γE1為大震直接作用分項(xiàng)系數(shù)，建議取1.3；

γE2為大震附加作用效應(yīng)分項(xiàng)系數(shù)，建議取1.0；

SEK1為大震作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值，其水平地震影響系數(shù)最大值按抗規(guī)表5.1.4-1采用；

SEK2為大震附加作用效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值，按桿件結(jié)構(gòu)力學(xué)原理計(jì)算確定；其余見相關(guān)規(guī)范規(guī)定。

結(jié)語(yǔ)

自從2008年我國(guó)遭受5.12汶川地震以后，人們對(duì)現(xiàn)有規(guī)范是否能保證建筑幕墻大震不脫落意見不一。本文運(yùn)用桿件結(jié)構(gòu)力學(xué)原理進(jìn)行分析，指出:

1.單支座時(shí)，擬靜力試驗(yàn)時(shí)一般均能處于彈性受力狀態(tài)不產(chǎn)生殘余變形。同時(shí)考慮大震直接作用和附加作用效應(yīng)時(shí)，當(dāng)立柱截面寬度不超過(guò)80mm時(shí)也處于彈性受力狀態(tài)。

2.雙支座時(shí)：

（1）在主體結(jié)構(gòu)不采用鋼結(jié)構(gòu)的情況下，若采用6063T5材質(zhì)，只要立柱截面寬度不超過(guò)117.9mm，擬靜力試驗(yàn)時(shí)就處于彈性受力狀態(tài)不產(chǎn)生殘余變形。同時(shí)考慮大震直接作用和附加作用效應(yīng)時(shí)，只要立柱截面寬度與層高比b/l≤0.0213×1.833/2=0.0195，就能處于彈性受力狀態(tài)；若采用6063T6材質(zhì)，只要立柱截面寬度不超過(guò)b=105.3×1.833=193mm，擬靜力試驗(yàn)時(shí)就處于彈性受力狀態(tài)不產(chǎn)生殘余變形。同時(shí)考慮大震直接作用和附加作用效應(yīng)時(shí)，只要立柱截面寬度與層高比b/l≤0.035×1.833/2=0.032，就能處于彈性受力狀態(tài)。

（2）在主體結(jié)構(gòu)采用鋼結(jié)構(gòu)的情況下，若采用6063T5材質(zhì)，只要立柱截面寬度與層高比b/l≤0.0213，擬靜力試驗(yàn)時(shí)就處于彈性受力狀態(tài)不產(chǎn)生殘余變形。同時(shí)考慮大震直接作用和附加作用效應(yīng)時(shí)，則基本上進(jìn)入彈塑性受力狀態(tài)甚至產(chǎn)生彎曲破壞；若采用6063T6材質(zhì)，只要立柱截面寬度不超過(guò)b=105.3mm，擬靜力試驗(yàn)時(shí)就處于彈性受力狀態(tài)不產(chǎn)生殘余變形。同時(shí)考慮大震直接作用和附加作用效應(yīng)時(shí)，只要立柱截面寬度與層高比b/l≤0.035/2=0.0175，就能處于彈性受力狀態(tài)。

因此，在不滿足上述要求時(shí)，應(yīng)增加同時(shí)考慮大震直接作用和附加作用效應(yīng)的幕墻立柱承載力驗(yàn)算，本文提供計(jì)算方法供參考，并應(yīng)從嚴(yán)限制截面寬厚比以加強(qiáng)其抗震措施；同時(shí)本文提出確保大震不脫落的計(jì)算方法，即對(duì)支座連接及埋件在考慮地震作用時(shí)增加大震驗(yàn)算的計(jì)算公式。

3.對(duì)符合處于彈性受力狀態(tài)條件的幕墻，從立柱角度無(wú)需做平面內(nèi)變形試驗(yàn)。這部分的幕墻項(xiàng)目占比80%以上，預(yù)估我國(guó)每年可以節(jié)省試驗(yàn)費(fèi)上千萬(wàn)元人民幣。

[1]建設(shè)部.《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范GB50011-2001條文說(shuō)明》第一版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2001年7月：第6、7頁(yè)

[2]建設(shè)部.《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003第一版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2003年12月：第15、16、24～38、55、56頁(yè)

[3]建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊(cè)編寫組.《建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算手冊(cè)》第二版,北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2001年3月：第83、119、109頁(yè)

[4]建設(shè)部.《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2001（2008年版）第一版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008年9月：第120頁(yè)