基于可靠度理论的幕墙结构设计黄彬彬

基于可靠度理论的幕墙结构设计黄彬彬

黄彬彬

浙江中南建设集团有限公司浙江省杭州市310000

摘要：随着我国经济的发展和和城市化进程的快速推进，建筑幕墙在城市建筑设计中得到了广泛的应用，因为其具有自重较轻、装饰性强、性能优良、施工周期短等特点，由于缺乏统一的技术规范，施工人员技术水平偏低，质量隐患比比皆是亟待统一认识，妥善处理。

关键词：可靠度；幕墙结构；设计

引言

在社会经济快速发展的今天，建筑幕墙行业也得到了一定的发展，逐渐向规范化、系统化方向发展。建筑幕墙设计所包括的内容丰富，建筑、家装、结构、材料等都是属于范畴之内的。在我国的发展历史上，建筑幕墙的设计经历了从无到有，从不标准到规范，可见幕墙设计逐步引起了人们的重视，幕墙设计也逐步走进了人们的视线范围之内。随着人们生活质量的不断提高，建筑类型也更加多样，这就导致幕墙的造型和结构变得极为丰富，幕墙的设计工作就必须被提上日程。

1建筑幕墙概述

1.1概念

悬挂在主体结构上由支承结构体系和面板组成的，不分担主体结构荷载和作用的建筑外围护结构、装饰性结构。

（1）悬挂：支承体系中的立柱通常是长细比较大的构件，它承受抗拉能力大大超过承受抗压能力。设计建筑幕墙时，将杆件上端固定下端可以伸缩的悬挂状态；当必须设计成座立式受压杆件时，应对杆件进行稳定性计算。（2）主体结构：指建筑物框架结构的梁、柱，多为钢筋混凝土；近些年发展了轻钢结构。通过它将建筑幕墙上承受的荷载传递给基础。（3）支承体系：由框架（立柱与横梁）：杆、索、桁架等构成。将幕墙面板通过压板、挂勾、驳接爪、五金件等固定在其上的构件，它承受与传递面板上的荷载给主体结构。（4）面板：直接与室外接触的外围护构件：有玻璃、金属板，石材、人造板等，承受自然界的作用，平面外的风荷载、平面内重力荷载、地震作用等。（5）装饰性结构：建筑幕墙丰富多彩的立面造型成为城市绝大多数标志性建筑的首选：如宾馆、酒店、医院、银行、商场、政府大楼、写字楼、商务楼、会所等都因建筑幕墙有美丽的外观而被广泛采用。

1.2设计的内容

在对幕墙的结构进行设计的过程中，选择连接的方式是比较关键的，并且选择合理的承载的体系以及材料。其中所涉及到的技术文件包括有设计图纸以及技术要求。合理归纳之后，设计的内容可以总结为以下几点：（1）合理选择结构方案；（2）选用恰当的计算简图；（3）正确分析计算结果；（4）采取相应的构造措施。在前期对结构方案进行选择的过程中需要对其结构的承载能力、造价、适用范围都进行合理的考虑。确保结构安全是计算方案的一个必要的条件，需要一个专门的经验丰富的结构设计师进行设计。在设计的实际阶段，该结构方案对于后期计算机分析结果的评估是非常重要的。事实上，由于盲目相信计算软件，但由于计算模型与实际工程不符等原因，结果出现显著偏差的例子也不在少数。所以，对于计算结果的正确性，往往要求设计者以知识和经验的储备进行判断。

2我国结构设计可靠度理论

目前，构件及结构点可靠度的计算方法已日趋完善，随着可靠度理论的进一步深入，点可靠度的计算已不能满足工程实际的需要。因为我国现行的结构设计规范是基于概率分析的极限状态设计方法制定的，与以往的结构设计规范一样，忽略了结构的整体性，是以构件的可靠度为目标的结构设计。而构件或截面的可靠，并不一定能保证结构体系的可靠；构件和截面的最优，也不能保证结构体系的最优。人们最关心的是由众多构件组成的结构或连续体系的可靠度。对于结构体系来说，体系可靠度由组成该结构的所有元件的极限状态面决定，结构体系失效区域由所有元件的失效区域并交混合而成，而此时结构点可靠度的可靠指标已无确切意义。随着新规范的实施和设计的深入，由于以上的原因，体系可靠度引起了研究人员更多的关注，他们将体系可靠度应用到工程结构的安全设计中，并逐步将其与结构的优化设计理论相结合。

3工程项目实例分析

3.1工程项目概况

某项目地处长江上游，其东经在107°55′22″～108°53′25″之间，北纬在30°24′00″～25~31°14′58″之间。在气候特征方面，工程所在地处于亚热带季风湿润地带，日照比较而言较为充足，雨量十分充沛，无霜时间持续较长，雪稀少几乎没有。多年平均统计数据表明，年平均气温17.7°C左右，年平均日照时数1484.4h左右，年平均降雨量1243mm左右。项目所在地的工程地质方面，地质年代多为中生代三叠纪与侏罗纪相混合，其中侏罗纪分布最广，三叠纪次之，少数区域存在古生代二叠纪地层，也有新生代第四纪地层存在。该项目为一小型公共建筑，某物流有限责任公司为业主单位，建筑用地面积3588m2，建筑占地面积455.77m2，总建筑面积993.53m2，容积率0.278，建筑密度12.78%，停车位6个，建筑高度11.25m，为2F/吊1F吊脚楼的结构形式。建筑基地地形为具有代表性，正西、正东方向高差达到5.00m以上，故采用吊一层结构形式，结构形式为框架结构。采用石材幕墙作为墙体装饰装修，立面面积达到550m2左右。

3.2幕墙材质和活荷载计算

幕墙材质主要有石材、钢材、附件和预埋件。在石材方面，采用国产优质25mm厚花岗石，吸水率应小于0.8‰，在花岗岩六面涂刷保护剂，形成一层保护膜。钢材方面，采用Q235.B，所有与幕墙龙骨连接接触的螺栓、螺母、螺钉、弹簧垫圈为不锈钢件；石材幕墙不锈钢挂件均为4mm厚，采用奥氏体材质，用于石材幕墙钢龙骨厚度≥80um，均作镀锌处理。附件方面，采用双面胶带、泡沫垫条为国产优质品，为聚乙烯材料。幕墙预埋件采用与建筑主体结构的可靠连接点主要是在主体结构的钢筋混凝土的柱梁板上。

活荷载计算主要为风荷载和地震荷载，基本风压为50年一遇，W0=0.35Kpa，地面粗糙度类别为B类。抗震烈度：根据GB50011-2010《建筑抗震设计规范》规定，本工程为按6度设防采取抗震构造措施。

3.3基于可靠度的幕墙结构设计

一般而言，结构可靠度常常受到材料强度、荷载(作用)、几何截面参数等多个因素的制约且具有随机性，记为。针对建筑幕墙结构按照极限状态进行结构设计，针对各方面结构功能，比如适用性、安全性、耐久性等，建立相应各种随机变量：Z=g(X1,X2,…Xn)=0(1)

对于幕墙结构而言，制约结构功能的因素为两大类：作用效应S和结构抗力R，故：Z=g(R,S)=R-S(2)

上式中，Z为结构的功能函数，当处于极限状态，，Z与0关系决定可靠与否：

当Z＞0时，则R＞S，结构处可靠状态；

当Z=0时，则R=S，结构处极限状态；

当Z＜0时，则R＜S，结构处失效状态。

按照极限状态设计时，应符合要求：Z=g(S,R)=R-S≥0(3)

根据上述理论，结合幕墙设计的原则和要求，分别一一进行幕墙墙体受荷计算、立柱计算、横梁计算、短槽式(托板)连接石材的选用与校核、连接件计算、幕墙埋件计算(后锚固结构)、幕墙转接件强度计算、幕墙焊缝计算和石材幕墙胶类及伸缩缝计算，均满足要求。部分设计图纸如图1所示。

图1石材幕墙结构设计实例

结语

幕墙结构正在大力推广和使用中，需要工程技术人员持续探索和前进，后期逐步走向成熟，做到合理使用。本文选择一典型山地建筑为工程实例，运用靠度理论进行幕墙设计，结果表明，可以基于可靠度理论的幕墙设计达到预期效果，为类似工程提供技术支撑和相关借鉴。

参考文献

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[4]陈敏鸿.建筑幕墙的设计要点分析[J].住宅与房地产,2017(30):87.