幕墙水平悬挑大装饰带设计　　　　　-中国幕墙网

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　　摘要：由于建筑外观和遮阳要求，玻璃幕墙悬挑装饰带尺度越来越大，对幕墙系统的影响也越来越大。对于幕墙悬挑尺寸较大的装饰带，结构计算很重要;除此之外，在构造设计上需要注意尽量降低对幕墙系统的影响，并简化力学模型;同时，为确保工程质量和提高施工效率，采用装配式构造。

　　关键字：玻璃幕墙;水平悬挑大装饰带;结构计算;装配式构造

　　1 引言

　　在进行幕墙水平悬挑装饰带结构设计之前，首先需要考虑装饰带对幕墙立柱的影响，再具体分析装饰带与幕墙立柱的连接方式，以及装饰带自身的强度、刚度、稳定性，还有装饰带的构造及装饰带与立柱的连接构造。

　　2 水平大装饰带对幕墙立柱的影响

　　2.1 水平大装饰带与简支梁立柱连接的情况

　　简支梁立柱承受均布荷载，水平大装饰带承受竖向均布荷载，这个竖向荷载转换为作用到立柱的集中弯矩，可以理解为在简支梁原有荷载的基础上增加一个集中弯矩Myp，先看它对简支梁立柱的影响：

　　简支梁立柱在原有均布荷载作用下，跨中最大弯矩为Mi，在立柱跨中任意位置施加集中弯矩Myp后，立柱跨中弯矩变为Mi + 0.5Myp。当Myp小于Mi时，立柱最大弯矩只是稍大于立柱跨中弯矩，但比值不大于104%，可认为立柱跨中弯矩与立柱最大弯矩近似相等。

　　在施加集中弯矩Myp后，通常会觉得立柱跨中弯矩增加Myp，并与弯矩作用位置有关。但实际情况并不是这样，为方便理解，我们假定立柱跨度为L = 4.5m，水平装饰带悬挑尺寸为Lyp =1.5m，立面幕墙和水平装饰带的分格均为1.5m，立面幕墙的风荷载标准值为4kPa，按照相应体型系数进行计算，采用有限元分析，参见图1、图2、图3。

　　可以看到，在施加集中弯矩Myp后，跨中增加弯矩始终为0.5Myp。该结论可以用于评估有悬挑水平装饰带的简支梁立柱，为方便使用，这里将装饰带悬挑长度与简支立柱跨度比值作为参数，换算出Mi的变化幅度，具体推导参见图4、图5。

　　可以直接用公式或者图5的图表进行设计方案的评估，例如：

　　当Lyp/L = 1.5/4.5 =33%时，查图5图表，跨中弯矩变为原简支梁的126%;

　　当Lyp/L = 1.5/6.0 =20%时，查图5图表，跨中弯矩变为原简支梁的115%;

　　这里有一个有趣的结论：简支梁立柱作用有两个等值同号的弯矩时，如果两个弯矩其中一个在跨中以上，另一个在跨中以下，那么简支梁跨中增加的弯矩为0，感兴趣的读者可以自行验证一下。

　　2.2 水平大装饰带与双支座立柱连接情况

　　水平大装饰带与双支座立柱连接情况下，结构受力较为复杂，本文给出三个建议方案，参见图6。

　　方案一：当水平装饰带位置离立柱中支座较远时，装饰带直接与立柱连接，建议在图示区域穿钢加强，因为此区域弯矩较大;

　　方案二：水平装饰带位置离立柱中支座较近时，装饰带也可直接与立柱连接，建议将立柱进行拆分，下部设计为简支梁立柱，上部设计为带悬臂装饰带的简支悬臂立柱;

　　方案三：水平装饰带悬挑尺寸很大时，建议按照悬挑雨篷处理，即装饰带直接与主体结构固定，此时立柱变为上下两个简支梁立柱;

　　2.3 工程案例设计方案选择

　　以下为某工程案例，因为装饰带造型较为特殊，装饰带截面高度尺寸为1000mm，悬挑尺寸达1500mm，未采用常规的设计方案，综合考虑后，采用装配式构造方案，将幕墙立柱设计为双支座，水平装饰带与幕墙设置上下两个连接点，上连接点尽可能靠近幕墙立柱上支座，下连接点尽可能靠近幕墙立柱中支座，这样水平装饰带可以将其反力近似于直接的传到支座上,使得装饰带对幕墙立柱的弯矩影响降到最小。参见图7

　　在装饰带与立柱的连接节点处理上，需要注意在下连接件上开竖向长孔，避免因多余约束而产生不利内力，保证装饰带根部弯矩转化为上下连接的水平力偶，而重力荷载由上连接件单独承担。

　　3 水平大装饰利用端部封板提供结构支撑

　　本案例装饰带由于截面尺寸较大，我们将装饰带分缝设计为一个幕墙分格宽度，没有采用额外的悬臂龙骨作为支撑构件，而是利用装饰带面板自身的刚度，当面板形成了一个封闭的箱型构件时，本身具备很大的刚度，两侧的端部封板类似于钢板剪力墙，能够抵抗装饰带受到的竖向荷载，但需要注意薄板失稳的问题，两侧端部封板拟选用4mm厚铝板，在根部设置竖向铝龙骨，铝龙骨的侧面与端部封板通过间隔布置的自攻螺钉连接，并且加密布置，保证根部弯矩有效的传递。

　　装饰带水平铝板按计算要求布置加强筋并与端部封板进行焊接，考虑到铝焊部位强度削弱，需在铝板两侧进行折边，折边通过自攻螺钉与端部封板连接进行加强。

　　采用有限元分析，参见图8、图9。

　　还需要考虑端部封板的稳定性，对其进行了失稳模态分析，参见图10。

　　可以看到，第一阶失稳模态的屈曲特征值为ηcr=5.41，并且失稳的区域不在端部封板，参考《钢结构设计标准GB500017-2017》5.1.6-2条，标准原文参见图11，对于容易失稳的薄板，其二阶效应控制在0.25以下，可以通过增加端板的刚度降低二阶效应，对应的ηcr应大于1/0.25 = 4.0。

　　4 水平大装饰带端部封板稳定性对比分析

　　前文布置竖向加强筋，减小了铝板失稳区隔，以增加端部封板的稳定性。作为对比，这里提供一个采用3mm端板，无竖向加强筋的失稳模型分析，其失稳模态参见图12，可以看到，此时的第一阶失稳模态的屈曲特征值为ηcr=3.104，并且失稳的区域在端部封板，刚度明显不足，这也说明增加端板厚度及增加根部竖向加强筋的必要性。