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专家解读:幕墙抗风设计

来源:2019年会论文集  作者:赵西安  日期:2019-4-2
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    提要:风力是幕墙结构的主要外部作用,是设计控制额主要因素。沿海地区台风频繁,幕墙在强台风中破损的事件时有发生,抗风设计应予充分注意。本文介绍了风力对建筑幕墙的作用,风洞试验结果在设计中的应用,抗台风玻璃,开启扇设计,大尺寸玻璃的抗风设计以及金属屋面的抗风问题。建议适当提高门窗的抗风设防标准。
    关键词:抗风设计   风力分布   风洞试验   抗台风玻璃   开启扇设计   抗风设防标准

  0 幕墙经受强台风的考验

  按照规范正确进行设计和施工的幕墙,可以抵抗强台风的袭击。

  2018年9月16日,超强台风山竹在珠三角登陆,广州、深圳、珠海的建筑幕墙经受了一次严峻的考验。这次台风最大风力达到14至16级,?#23545;?#36229;出了幕墙设计的标准。

  在这次超强台风中,绝大多数幕墙表现是良好的,在远超设计风力的强风吹袭下,幕墙没有破损或者破损轻微(图 0.1至图0.4)。

  其中,在设计和建造过程中最令人担心的几栋特殊建筑幕墙,表现出极为良好的抗风能力,使我们深深认识到:认真设计,认真施工,可以大大提高建筑幕墙的抗风能力。

  1. 超高建筑(词条“超高建筑”由行业大百科提供)

  深圳平安金融中心,600m高,明框幕墙不锈钢板(词条?#23433;?#38152;钢板”由行业大百科提供)竖向线条(图0.5)。此外如广州塔(600m),广州东塔(528m),广州西塔(432m),深圳京基100(412m),深圳地王大厦(350m)等均未发生强风产生的破损。

  2. 超高陶板装饰线条

  广州周大福中心(广州东塔,528m),竖向采用空心陶板装饰线条,安装到500m以上的高空,这是世界独一无二的,由于事先?#25159;?#20102;特殊的加强措施,这种脆性的材料在强风中安全无恙(图 0.6)。

  3. 世界最高的隐框玻璃幕墙

  广州国际金融中心(广州西塔,432m),玻璃单元板块最大1.5mX6.0m,重600kg。全隐框幕墙,世界第一高。采用了高强结构胶。山竹台风中表?#33267;?#22909;,无损害(图 0.7)。

  1 风力对建筑幕墙的作用

  1.1 风力沿建筑表面的分布

  作用在建筑物表面风力大小与风速的平方成正?#21462;?016年9月,莫兰蒂台风在厦登陆,风速达48m/s,换算风荷载达 1.44kN/m2,为厦门按规范设计风力的 1.8 倍。

  作用于建筑物表面,即幕墙上的风力不是均匀分布的。在水平面上,建筑物的角部幕墙受到的风力比大面上的风力要大得多(图1.1)。莫兰蒂台风中,许多幕墙角部附近的玻璃损?#24403;?#22823;面上的玻璃要多(图1.2)。

  沿幕墙高?#30830;?#21521;,风荷载总的趋势是随着高度加大而逐渐加大。所以荷载规范给出的风荷载高?#35748;?#25968;是沿高度逐渐加大的(图1.3)。但实际上由于气流在建筑物顶部可以较顺利地滑过,顶部的风力反而减少(图1.4)。风力现场实测表明:风力的最大值不在幕墙的顶点,而在幕墙的 1/2 至 3/4 高度上。

  

  图 1.5 为广州环市广场大厦(220m,石材幕墙)在风洞试验中的风力沿高度分布的实测结果。实测数据表明顶部风力分布与规范给出的分布是有差别的。

  美国 M.I.T 大厦的风力实测也得到类似的结果(图 1.6)。

  图1.7 为厦门中绿大厦玻璃幕墙在莫兰蒂台风中损坏玻璃沿高度的分布,损坏最多的部位是幕墙的中高部分。

  9

  1.2 狭缝效应

  空气通过相邻建筑物之间的狭缝时,风速会相应加大(图 1.8)。这就使得狭缝两侧和正对狭缝后排的建筑幕墙受到更大的风力作用,发生更严重的风力破损。

  图1.9 为厦门宝墅住宅区,第一排住宅正对大海,直接受到登陆台风的袭击。但是台风过后,第一排首当其冲的住宅玻璃破碎较少,而第二排、第三排住宅楼的门窗玻璃破损要严重得多(图1.10)。

  1.3 幕墙构件风振疲劳

  风力的大小随时间不断变化,幕墙构件受到的风荷载也在急速变化(图 1.12)。幕墙构件的荷载是脉动的、疲劳的荷载。

  在幕墙生存期内(30至50年),幕墙构件受到的疲劳?#38382;?#21487;以达到10万到100万次。因此,面板、结构胶、连接件支承结构(词条“支承结构”由行业大百科提供)的耐疲劳性能要充分注意。

  2 设计风荷载

  2.1 幕墙设计风荷载首先按规范计算

  作用在幕墙上的风荷载首先应按《建筑结构荷载规范》进行计算。按50年一遇取用当地的基本风压,选取相应的体形系数、高?#35748;?#25968;和风振系数,计算风荷载的标准值,并考虑超载系数1.4 计算其设计值。这是幕墙设计的最基本依据。

  2.2 风洞试验是重要的设计手段

  实际建筑物外形往往比较复杂,附加装饰较多,超出规范的常规范围;加之临近建筑的影响往往需要考虑,这时风洞试验就成为重要的设计手段。近年来我国建成了许多建筑风洞,适应工程建设的需要。图 2.1 为中国建筑科学研究院的建筑风洞,其试验段的截面为6.5m X 3.5m,可以适应大比例建筑模型实验的需要。

  图2.2 为国内外一些大型工程的风洞试验,试验结果为这些工程的主体结构和幕墙设计提供了重要的依据。

  2.2 风洞试验结果的分析判断

  风洞试验结果是幕墙抗风设计的重要依据,但要用好这些试验结果,必须对试验数据进行分析判断。

  首先,风洞试验设备是大型、复杂的试验系?#24120;?#20854;可靠性取决于运行技术和良好的维护。事实上,往往同一个工程在不同的风洞试验室进行试验,其结果会有明显差别。因此重大、复杂的工程宜在两个以上的试验室进行试验。上海市明确要求 300m 以上的超高层建筑应在两个不同的试验室进行风洞试验。

  第二,建筑物不同于火箭、飞机、汽?#25285;?#20854;体量巨大,进行风洞试验时模型比例较小,一般单体试验为 1/100 至 1/250;群体风环境试验的比例更小到 1/500 至 1/2000。因此这?#20013;?#27604;例模型难以表达原建筑的建筑细部,而且其结果的相似性和模拟可信度?#26448;?#20197;?#33539;ā?/P>

  第三,风洞试验测量的数据并不是直接用于实体工程的风荷载,从测量的数据到设计用的风荷载,中间要经过多次转换,用到许多转换系数,转换过程人为因素会有一些影响。

  试验者的工程经验和?#26412;?#21028;断非常重要。因此纯学术型的风洞实验室往往提交出偏离实际的实验结果。重要工程的风洞试验宜在有较多工程经验的风洞实验室进行。

  由于上述多种因素的影响,设计人员拿到的风洞试验报告中,往往可能出?#32622;?#26174;偏离工程实践经验的数据点,对这些偏离实际的“奇点?#20445;?#24212;对其数据进行分析判断,决定其取舍,而不能照搬照用。某大型国际会议中心(图2.3)因其体?#22270;?#20854;复杂,无法按规范?#33539;?#20854;准确的风荷载,因此进行了风洞试验。实验结果风洞试验报告中,许多点的风荷载数值达到 1.4 kN/m2。

  这个数值达到按规范计算风荷载值的 3 倍,也达到周边临近点试验值的3.5倍以上。从工程经验来看,这是不可能的。因此经过?#38050;?#20998;析,舍弃了这些奇点的不合理峰值。

  所以, 《玻璃幕墙工程技术规范 JGJ 102》 和 《金属与石材幕墙工程技术规范 JGJ 133》 中,没有采用“按照风洞试验数据进行幕墙设计”的表达方式。

  2.3 幕墙设计风荷载的决定

  幕墙的设计风荷载首先按照《建筑结构荷载规范》进行计算。当未进行风洞试验时,幕墙按照规范计算结果进行抗风设计。

  进行了风洞试验时,对提供的风洞试验结果应加以分析,了解风洞试验段的风力分布和数据转换过程中所用的系数数值是否符合规?#35910;?#23450;,并根据工程经验和计算结果加以判断,然后?#33539;?#22914;何在设计中应用。

  由于上述2.2中所述情况,所以规范第5.3.3条没有写成“应按照试验数值采用” ,而是写成“ 可按试验结果和计算结果综合分析?#33539;ā?、“宜进行风洞试验并按风洞试验结果和计算结果综合分析?#33539;?#39118;荷载?#34180;?#19981;是直接采用试验结果,而是和计算结果综合分析后再?#33539;?#39118;荷载。

  3 防止台风对幕墙的二次破坏

  3.1 台风对幕墙玻璃的二次破坏

  台风中幕墙玻璃的破损,除直接被风力压碎以外,还有许多玻璃面板是因为被台风卷起、?#20889;?#30340;杂物击碎的。这些冲击碎物,一些来自地面,砖石、棍棒等被强大的风力抬升,撞向玻璃幕墙;还有一些是建筑幕墙高处破损后,破碎的构件被台风?#20889;?#25758;击?#31995;?#22788;的玻璃面板,造成二次伤害(图3.1 - 图3.4)。

  3.2 抗台风玻璃和抗台风幕墙门

  抗台风玻璃是加强型夹胶玻璃,能耐受风持杂物的冲击,冲击后能保持玻璃的完整性和门窗幕墙的建筑功能。重要的工程,玻璃破碎后会产生重大损失的工程,可以采用防碎物冲击玻璃(防台风玻璃)及其门窗产品(图 3.5)。

  防碎物冲击玻璃可以是高强单片玻璃、夹胶玻璃或夹胶中空玻璃。根据需要防止的杂物的种类和大小,选用防台风玻璃的等级,决定玻璃的厚度和构成,并通过试验加以验证(图 3.6)。

  GB/T29738《建筑幕墙和门窗抗风携碎物冲击性能分级及检测方法》中,规定按照不同的发射物和发射速度将门窗幕墙的抗飓风级别分为A、B、C、D、E五个级别。 测试样品在通过发射物冲击测试后还必须通过次正、负压各4500次、共计9000次的循环风压试验。试验后门窗玻璃应保持完整,不能被发射物穿?#31119;?#20063;不能产生可使76mm?#26412;?#29699;体通过的开口及长度超过130mm的裂口。

  我国如金刚玻璃公司等厂家从2005年开始防台风携碎物玻璃的研发工作,已经可以提供防台风玻璃和采用防台风玻璃的门窗系统。 通过国内外防台风实验室检测,国产防台风玻璃和防台风门窗系统产品的防冲击性能可以达到和超过最高级别 E 级的要求。

  4 大尺寸玻璃的抗风能力

  4.1 许多幕墙工程采用大尺寸玻璃

  由于建筑功能和建筑艺术的需要,许多幕墙工程采用了大尺寸玻璃。

  广州西塔是世界最高的隐框幕墙(2008年建成),高度432m(图4.1)。玻璃4.5米X1.5米,6.0米X1.5米,玻璃配置:(8mm+1.52PVB+8mm)+12A+10mm。 玻璃采用半钢化。最大玻璃板块面积达 9 m2,重量达600kg。全部玻璃采用高强结构胶与副框粘结。至今已经10年,多次台风吹袭,大玻璃安全可靠。

  天津 117 工程,高度597m。玻璃尺寸为1.5m X 6.0m,面积达 9.0m2。玻璃:超?#20303;ow-E、中空、外片PVB夹胶半钢化 、内片钢化。 标准层: ( 8 + 1.52 PVB + 8 )+12A + 8;高空大堂层(32、63、94、115、116层):( 8 + 1.52 PVB + 8 )+ 12A + 10( 12)。

  ?#26412;?#37329;霖?#39057;?#37319;用悬膜中空玻璃,内外均为12mm 钢化玻璃,尺寸达到 2m X 9.8m(图 4.3)。

  目前,中国是世界超大玻璃的供应国,可以生产最大尺寸为18m X 4m,厚度达25mm的超大玻璃;并对长达 18m 的玻璃进行钢化、夹胶、热弯和中空等深加工。各国苹果店的超大夹胶玻璃都是北玻供货的。

  美国加州的苹果总部为?#26412;?500m ?#24149;?#24418;办公楼,4层,玻璃幕墙总长度达6000m(图4.4)。

  玻璃类型:超白,Low-E 钢化,热弯,中空 ;玻璃尺寸:15m X 3.3m;玻璃面积:50㎡ ;

  玻璃配置: 12mm+16mmAr+12mm。 全部大玻璃由中国供应或由在德国的中国设备生产。

  4.2 超大玻璃的尺寸应由安全条件决定

  超大玻璃是否安全首先要考虑对于人身撞击是否安全。试验证明,厚度为10mm及以上的钢化玻璃,不会因人身撞击而破碎,厚度 12mm 及以上的落地钢化玻璃?#37096;?#20197;不设置防护栏杆(图 4.5、图4.6)。

  所以,采用厚度10mm及以上的钢化玻璃及钢化中空玻璃时,不必因考虑人身安全而对玻璃尺寸限制过严。

  幕墙玻璃主要的面外荷载是风力,只要经过抗风设计,满足?#24615;?#21147;刚度(词条“刚?#21462;?#30001;行业大百科提供)要求,玻璃可采用较大的尺寸。

  国内外大?#25239;?#31243;采用了大尺寸玻璃,使用经验表明没有什么问题。实践是检验真理的标准,还是按照常规设计方法进行设计,不要人为随意规定一些限制。

  5 提高玻璃幕墙的抗风能力

  构造措施是提高玻璃幕墙抗风能力,?#32321;?#29627;璃幕墙在台风袭击时安全工作的重要手段。以下这些做法是幕墙设计时应予注意的。

  1. 中空玻璃的二道密封胶要采用硅酮结构胶。结构胶宽度通过风荷载计算决定,最小 7mm。

  2. 开启扇要妥善处理,面积不宜大于 1.5㎡ ,挂钩要有足够入槽深度,要有限 位装置。

  3. 明框压板(词条“压板”由行业大百科提供)厚度不小于2.0mm。

  4. 幕墙下方设隔离带,入口设雨棚。

  5.1 正确采用中空玻璃二道密封

  中空玻璃二道密封胶粘结前后玻璃。在明框玻璃板块中由于有金属压条(词条“压条”由行业大百科提供)固定,风力和地震力由压条承受,二道密封胶不承受外力,所以可采用聚硫胶。

  隐框幕墙、半隐框幕墙、全玻幕墙和点支承幕墙的中空玻璃,二道密封胶是要承受风力和地震力的,隐框幕墙和半隐框幕墙的中空玻璃,二道密封胶还要承受外片玻璃的自重。所以必须采用硅酮结构密封胶钢爪夹板支承的点支玻璃,离开支点较远的部位,二道密封胶也要部分受力,也要采用硅酮结构密封胶作为中空玻璃的二道密封。

  2011年,杭州庆春大厦发生19楼外玻整片坠落重伤行人的事件。这是由于业主自行决定将部分固定玻璃板块改为开启窗,交由非专业门窗厂施工。违反隐框中空玻璃二道密封胶必须用硅酮结构胶的规定,竟然采用聚硫?#28023;?#23548;致外片玻璃整片滑落,砸断行人小腿导?#38470;?#32930;。经检查,胶与框接触面光滑、潮湿,玻璃是在风力作用下整体滑落(图5.1)。

  二道密封胶的宽度要由隐框、半隐框中空玻璃的荷载、尺寸,通过计算决定。并且不得小于 7 mm。

  由于中空玻璃二道密封胶的质量问题,2016年9月莫兰蒂台风中,厦门有些幕墙中空玻璃的外片掉落(图5.2)。

  5.2 活动开启扇

  玻璃幕墙?#24149;?#21160;开启扇不应采用外开平开窗(词条“平开窗”由行业大百科提供),外开窗容易被大风吹落;也不应采用?#35780;?#31383;,?#35780;?#31383;密封性能差,大雨大风中易漏风渗水。目前广泛采用上悬外开窗。上悬窗的开启角度不应大于30度,下端开启距离不应大于300mm (图5.3)。

  上悬窗的挂钩应有足够的入槽深度,并设有金属的限位防?#21387;?#35013;置(图5.4)。

  图 5.5 为?#26412;?#26576;高层写字楼的开启扇被风吹落,其上悬挂钩入槽设计不当,且没有设置限位装置。图6.6 为?#26412;?#26576;三甲医院的开启扇被吹落,其上悬挂钩与横梁不成整体,且自攻螺钉固定处的横梁壁厚太小,螺钉(词条“螺钉”由行业大百科提供)无法固定,大风将螺钉从钉孔处拔出;加之采用塑料限位块,?#21387;?#26102;被挤压变形,不起限位作用,阻止不了开启扇被大风吹落。

  在台风吹袭下,开启扇坠落的事件更容易发生,合理进行开启扇设计,?#32321;?#24320;启扇安全尤为重要(图5.7、图5.8)。

  5.3 隐框玻璃的压块

  隐框玻璃板块的副框由压块、螺钉连接到铝横梁和铝立柱上,玻璃面板的风荷载要由压块、螺钉传递到支承结构上,所以压块和螺钉的受力应加以计算,且间距不大于300mm。

  天津五矿大厦隐框玻璃幕墙的角部玻璃板块,2010年3月,幕墙玻璃正在安装中,由于等待修改设计,角缝处附框悬空,尚未固定,四边支承板成为一个长边自由、三边简支板。 当晚刮8?#27934;?#39118;,现场未封闭,玻璃正反面均受大风长时间作用。大块的玻璃连框拔出,整块掉落。小尺寸玻璃未出问题(图5.9)。

  隐框玻璃幕墙角部板块超大,面积达7平方米,边长达3.2米,附框相对薄弱,易变形。施工过程,外部未封闭。遇8级以上大风,板腹背均受大的风力;尤其位于锐?#22681;?#21306;,风力更大。压块间距过大,每个压块受力太大,而固定螺钉部位型材壁厚加厚不足,风反复作用,螺钉孔晃大,螺钉终于逐个拔出,玻璃连框整块掉下(图5.10)。

  6 提高铝板幕墙(词条“铝板幕墙”由行业大百科提供)的抗风能力

  6.1 台风中铝板幕墙表现总体良好

  在2016年莫拉蒂台风和2017年天鸽台风中,厦门和珠海的铝板幕墙抗风能力总体良好,铝板幕墙损坏不多(图6.1)。采用铝板幕墙的工程,在这次台风中损害较少。铝板的板块是折边的,通过角码、螺钉与横梁、立柱连接,工作比较可靠。

  发生风损坏的原因通常是折边过少,螺钉开孔过分靠近板边?#25285;?#39118;力作用下板边撕开。还有就是角码距离过大,螺钉连接处铝型材没有局部加厚,螺钉拔出,连接失效。

  但是,?#28909;?#21457;生了损?#25285;?#23601;有必要进一步提高铝板幕墙的抗风能力。

  6.2 铝板折边要有足够宽度,螺钉孔离板边有足够距离

  螺钉孔离开铝板的板边要有足够的距离,避免在拉力作用下铝板被撕开。孔中心点至板边的距离不应小于 2 倍的孔径(图6.2)。为此,折边铝板的折边宽度不应小于25mm(图6.3)。

  图6.4为在莫兰蒂台风中吹落的铝板,明显是由于孔边剩余铝板太窄,孔边被撕开,铝板失去固定而吹落。

  6.3 面板的厚度要适应连接构造

  选用非常规的面板连接构造时,面板的厚度要与连接构造相适应,未经试验验证?#32321;?#23433;全,不要随意改动。广州新保利大厦自2007年建成以来,连年在台风中铝板被吹落,不得不?#26377;?#25913;造(图6.5)。

  本工程采用白色单层铝板,2007-2012年,每年在台风中都有板块吹落。铝板与铝横梁立柱的连接采用?#20998;?#30340;平板(词条“平板”由行业大百科提供)开缝、种钉挂钩的方式(图6.6)。

  这?#33267;?#25509;方式要求铝面板厚度不小于 5mm ,使面板有足够的刚度,防止大风下产生过大变形,避免挂钩转动拔出,保证挂钩工作可靠。但是本工程自行将板厚更改为 3mm ,面板在大风中变形过大,挂钩滑出,面板吹落。到2012年,只得拆除全部铝面板,改为国内传统的折边连接方式。

  7 结语

  历史的经验证明,只要严格按照幕墙规范进行设计和施工,建筑幕墙在台风中的表现是良好的,是经得起台风的考验的。图7.1为深圳发展中心,1987年建成,内地第一座隐框玻璃幕墙。至今30年,经历多次强台风,完好无损。图7.2为深圳蛇口新时代广场,高175m,为内地第一座超过100m的石材幕墙,位于海边风口,1997年建成。 30mm厚花岗岩板,通槽长挂板连?#21360;?0多年来,经受多次超强台风袭击,无损坏。

  2016年百年不遇的强台风莫兰蒂袭击厦门,风力大大超出了设计标准,但是绝大部分幕墙完好无损;2017年超强台风天鸽袭击珠海,港珠澳大桥人工岛、珠海大剧院等海上建筑的幕墙处于波浪滔天的包围之中,台风过后安然无恙(图7.3)。

  按幕墙规范认真进行设计,严格进行施工,就能?#32321;?#24314;筑幕墙的质量,?#32321;?#24149;墙在设计标准的大风作用下的安全。

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专家介绍

 赵西安

铝门窗幕墙委员会专家组

工作单位:中国建筑科学研究院

技术职?#30130;?/span>研究员

专业:建筑结构,建筑幕墙

专长:建筑结构,建筑幕墙

原文地址:http://www.52mqw.com/info/2019-4-2/45868-1.htm
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