第三节幕墙的抗震设计.docx
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第三节幕墙的抗震设计
第三节幕墙的抗震性能设计
1幕墙所属建筑物抗震类别
1.1建筑物根据其重要性分为四类抗震建筑
1.1.1甲类建筑——特殊要求的建筑，如遇地震破坏会导致严重后果的建筑等。
.必须经国家规定的批准权限批准。
1.1.2乙类建筑——国家重点抗震城市的生命线工程的建筑。
1.1.3丙类建筑——甲、乙、丁类以外的建筑。
1.1.4丁类建筑——次要的建筑，如遇地震破坏不易造成人员伤亡和较大经济损失的建筑等。
1.2各类建筑物抗震标准，应符合下列要求。
1.2.1甲类建筑，应按提高设防烈度一度设计（包括地震作用和抗震挫伤）。
1.2.2乙类建筑，地震作用应按本地区抗震设防烈度计算。
抗震措施，当设防烈度为6-8度时应提高一度设计；当为9度时，应加强抗震措施。
对较小的乙类建筑，可采用抗震性能好、经济合理的结构体系，并按本地区的抗震设防烈度采取抗震措施。
乙类建筑的地基基础可不提高抗震措施。
1.2.3丙类建筑，地震作用和抗震措施应按本地区抗震设防烈度设计。
1.2.4丁类建筑，一般情况下地震作用可不降低；当设防烈度为7-9度时，抗震措施可按本地区设防烈度降低一度设计，当为6度时可不降低。
1.3常见建筑物抗震类别
广播、电视建筑抗震设防类别
类别
建筑名称
甲类
中央级、省级的电视调频广播发射塔建筑
乙类
中央级广播发射台、节目传台、广播中心、电视中心
省级广播中心、电视中心、电视发射台及200KW以上广播发射台
铁路建筑抗震设防类别
类别
建筑名称
乙类
I、II级干线枢纽及相应的工矿企业铁路枢纽的行车调度、运|转、通信、信号、供电、供水建筑、特大型候车室
邮电通信建筑抗震设防类别
类别
建筑名称
甲类
国际电信楼、国际海缆登陆站、国际卫星地球站、中央级的电信枢纽（含卫星地球站）
乙类
大区中心和省中心长途电信枢纽、邮政枢纽、海缆登陆局，重要市话局（汇接局、承担重要通信任务和终局容量超过五万的局）、卫星地球站、地区中心长途电信枢纽楼的主机房和天线支承物
电厂的建筑抗震设防类别
类别
建筑名称
乙类
单机容量为300KW及以上或规划容量为800KW及以上的火力发电厂，300KV、500KV变电所，220KV及以下的重要枢纽变电所，不应中断的通信设施和在地震时必须维持正常供电的重要电力设施的主厂房、电气综合楼、网控楼、调度通信楼、配电装置楼、烟囱、烟道、碎煤机室、输煤转运站和输煤栈桥。
化工及石油化工生产建筑抗震设防类别
类别
建筑名称
乙类
大中型企业的主要生产装置及其控制系统的建筑、
生产中有剧毒、易燃、易爆物质厂房及其控制系统的建筑、
大中型企业的动力系统建筑和消防车库
仓库类建筑抗震设防类别
类别
建筑名称
乙类
存放放射性物质、剧毒、易燃、易爆的危险品仓库
石油气生产建筑抗震设防类别
类别
建筑名称
乙类
大型油、气田的联合站、压缩机房、加压气站泵房、阀组间、
加热炉建筑
大型计算机房和磁带库
油品储运系统液化气站、轻油泵房及氮气站、长输管道首末站、中间加压泵站
油、气田主要供电、供水建筑
煤炭工业生产建筑抗震设防类别
类别
建筑名称
乙类
年产90万吨及以上的煤矿矿井提升系统、供水系统、排水系统、供电系统、通风系统、通信系统、瓦斯排放系统的建筑
煤矿矿区救灾系统、供电系统、供水系统建筑
空运建筑抗震设防类别
类别
建筑名称
乙类
国际或国内主要干线机场中的航空站楼、航管楼、大型机库、
通信及供电、供热、供水、供气的建筑
治金工业企业、建材工业企业及其
矿山生产建筑抗震设防类别
类别
建筑名称
乙类
大中型冶金企业的动力系统建筑
大型冶金矿山的风机室、排水泵房、配电、变电室、炸药雷管库、硝酸铵、硝酸纳库及其热处理加工车间、起爆材料加工车间等
大型和不允许中断生产的中型建材工业企业的动力系统建筑
大型非金属矿山的提升、供水、排水、供电、通风、炸药生产等系统的建筑
精密设备建筑抗震设防类别
类别
建筑名称
乙类
部级及部级以上的计量基准所在的建筑，系统记录航空主要产品（如飞机、发动机、导弹等）或关键产品的科研成果、光磁盘、磁带等所在的建筑
对航空工业发展有重要影响的整机或系统性能试验设施、关键设备所在建筑（如大型风洞及其测试间，发动机高空试车台及其动力装置及测试间，全机电磁兼容试验建筑）
具有国内少有或仅有的重要精密设备的建筑
大中型企业主要的动力系统建筑和消防车库
航天工业建筑抗震设防类别
类别
建筑名称
乙类
重要的航天工业科研楼、生产厂房和试验设施的建筑、动力系统的建筑
有剧毒、易燃、易爆物质的建筑
重要的演示、通信、计主培训中心的建筑
城市防灾建筑抗震设防类别
类别
建筑名称
甲类
三级特等医院的住院部、医技楼、门诊部
乙类
大中城市的三级医院的住院部、医技楼、门诊部
县及县级市的二级医院的住院部、医技楼、门诊部
县级以上急救中心的指挥、通信、运输系统的重要建筑
县级以上的独立采、供血机构的建筑
50万人口以上城市的动力系统建筑
消防车库
民用及其他建筑抗震设防类别
类别
建筑名称
甲类
研究中、试生产和存放剧毒生物制品和天然人工细菌与病毒
（如鼠疫、霍乱、伤寒等）的建筑
乙类
存放国家一、二级重要珍贵文物博物馆，大型体育馆，大型
影剧院，大型商业零售商场等公共建筑
轻工原材料生产建筑抗震设防类别
类别
建筑名称
乙类
大型制浆造纸厂，大型洗涤剂原料厂的主要装置及其控制系统的建筑
生产中有剧毒、易燃、易爆物质厂房及其控制系统的建筑，大型原材料企业中的动力系统建筑和消防车库
公路建筑抗震设防类别
类别
建筑名称
乙类
高速公路、一级公路、一级汽车客运站等的监控室
水运建筑抗震设防类别
类别
建筑名称
乙类
50万人口以上城市的水运通信、导航等重要设施的建筑和国家重要客运站，海难救助打捞等部门的重要建筑
2建筑物抗震部位特殊结构
2.1通常来讲，建筑物主体结构专门设计了抗震缝、伸缩缝、沉降缝等结构来增加主体结构的抗变形能力，因此，要求外幕墙设计要有相应的结构，既要保持幕墙本身的完整性，又要保证其变形的功能。
2.2抗震缝部位常用结构如下图
2.3建筑物主体结构中装饰性部位，如女儿墙、挑檐、门脸等部位，布置幕墙承力点时要慎重，最好能与土建结构工程师预先研究幕墙固定方案。
校核原结构是否可靠。
挑檐部位最好用重量较轻的铝单板或者铝复合板。
3幕墙抗震设计一般原则
3.1在常遇地震作用下（比设防烈度低1.5度，大约50年一遇），幕墙不能破坏，应保持完好。
在中震作用下（相当于设防烈度，大约200年的一遇），幕墙不应有严重破坏，一般只允许部分玻璃破碎，经修理后仍然可以使用。
在罕遇地震作用下地震构造措施，应保证上述设计目标能实现。
3.2非抗震设计或6－8度抗震设计的幕墙，按《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-96进行设计。
.
3.3对于抗震设防烈度大于9度地区或行业有特殊要求的幕墙抗震设计，应按有关专门规定慎重设计。
4确立幕墙结构一般考虑问题
4.1具有明确计算简图和合理的地震作用传递途经。
4.2宜有多道抗震防线，应避免因部分结构或构件破坏，而导致整个体系丧失抗震能力或对重力的承载能力。
4.3应具备必要的强度，良好的变形能力和耗能能力。
4.3.1由于地震是动力作用，对连接节点会产生较大的影响，使连接发生震害甚至使幕墙脱落倒塌，所以，除计算地震作用力外，构造上还必须予以加强。
4.3.2玻璃幕墙构件由玻璃和铝合金框等组成，其变形能力是很小的。
在地震作用和风力作用下，结果将会产生侧移。
钢筋混凝土高层建筑结构允许侧移的规定如下：
a.在常遇地震作用下（小震）
按弹性方法计算的楼层层间位移与层高之比△μ/h，不宜超过下表的限值。
△μ/h的限值
结构类型
风荷载作用下
地震作用下
框架
轻质隔墙
砌体填充墙
L/500
L/450
L/400
L/450
框架-剪力墙
框架一筒体
一般装修标准
较高装修标准
L/750
L/900
L/650
L/800
筒中筒
一般装修标准
较高装修标准
L/800
L/950
L/700
L/850
剪力墙
一般装修标准
|较高装修标准
L/900
L/1100
L/800
L/1000
b.在罕遇地震作用下（大震），框架结构的层间弹塑性位移应满足以下条件：
△μ/h≤L/50
式中：
△μ——层间位移
h——层高
当柱轴压比小于0.4，且全高加密箍筋时，还可以放松20%，因此钢筋混凝土框架结构在大震时，其最大层间位移可达到层高的L/40。
其他形式的结构，位移小于上述数值。
△μ/h的限值
结构类型
风荷载作用下
地震作用下
框架
轻质隔墙
砌体填充墙
L/500
L/650
L/500
L/550
框架-剪力墙
框架一筒体
一般装修标准
较高装修标准
L/800
L/950
L/700
L/850
筒中筒
一般装修标准
较高装修标准
L/900
L/1050
L/800
L/950
剪力墙
一般装修标准
较高装修标准
L/1000
L/1200
L/900
L/1100
c.由于玻璃幕墙构件不能承受过大的位移，只能通过活动连接件来避免主体结构过大侧移的影响。
例如：
当层高为3.5m，△μ/h为L/70时，层间最大位移可达5O㎜。
显然，如果幕墙构件承受这样大的剪切变形。
幕墙构件必定会破坏。
所以，幕墙与主体结构之间，必须采用弹性活动连接。
d.钢结构在风力和小震作用下，其层间位移限值为层高的L/200，在大震下，其弹塑层间位移限值为层高的L/70。
4.4宜具有合理的刚度和强度分布，避免因局部产生过大的应力集中或塑性变形集中，对可能出现的薄弱部位应采取措施提高抗震能力。
4.5构造点的承载力不应低于其连接构件的承载力。
5埋件设计中抗震设防
5.1国内各主要城市地震设防烈度及地震系数
地区名称
抗震级别
地震系数
地区名称
抗震级别
地震系数
北京
8
0.16
香港
7
0.08
沈阳
7
0.08
南宁
7
0.08
大连
7
0.08
昆明
7
0.08
长春
7
0.08
拉撒
7
0.08
呼和浩特
7
0.08
佳木斯
7
0.08
哈尔滨
7
0.08
抚顺
7
0.08
石家庄
7
0.08
锦州
7
0.08
青岛
7
0.08
唐山
7
0.08
淄博
7
0.08
丹东
7
0.08
天津
8
0.16
苏州
7
0.08
烟台
7
0.08
杭州
7
0.08
盘锦
7
0.08
秦皇岛
7
0.08
营口
7
0.08
保定
7
0.08
上海
7
0.08
齐齐哈尔
0.08
济南
7
0.08
张家口
0.08
莱州
7
0.08
镇江
7
0.08
四平
7
0.08
南通
7
0.08
通辽
7
0.08
潍坊
7
0.08
太原
7
0.08
莱阳
7
0.08
鞍山
7
0.08
德州
7
0.08
郑州
7
0.08
合肥
7
0.08
常州
7
0.08
临沂
8
0.16
漠河
7
0.08
塘沽
8
0.16
乌鲁木齐
7
0.08
厦门
7
0.08
喀什
7
0.08
长沙
0.08
兰州
7
0.08
西安
7
0.08
武汉
6
0.04
福州
7
0.08
成都
7
0.08
广州
7
0.08
5.2由锚板和直锚筋组成的预埋件简图
5.3埋件锚筋最小截面面积总和
As=V/αrαvfy+N/0.8αbfy+M/1.3αrαbfyz
式中：
v－剪力设计值（N）
N－法向拉力或法向拉力设计值（N），法向压力设计值不应大于0.5fcAs
M－等矩设计值（N.MM）
αr－钢筋层数影响系数，当等间距配置时，二层取1.0，三层取0.9，
αv－锚筋受剪承载力系数
d－锚筋直径（MM）
t－锚板厚度（MM）
αb－锚板夺曲变形折减系数
z－外层锚筋中心线之间的距离（MM）
fc－-混凝土轴心受压强度设计值（N/MM2）可按现行国家标准
〈混凝土结构设计规范〉GBJ10采用。
5.4地震在埋件中的设防，主要在计算锚筋截面时,V、N、M取值充分考虑地震影响。
具体方法如下：
剪切设计值（N）：
V=YGG式中：
YG——重力荷载取1.2㎜
法向拉力设计值：
N=ψWrWsW+ψErEsE
荷载取值充分考虑地震作用
式中：
ψW－风荷载作用效应组合系数，取1.0
rW－风荷载作用效应组合分项系数，取1.4
sW－风荷载作为可变持载和作用产生的效应SW=WK=βzμzμsW
ψE－地震作用效应组合系数，取0.6
rE－地震作用效应组合分项系数，取1.3
Sw－地震作为可变荷载和作用产生的效应|
SE=PE=βEαmaxG
PE－平行于玻璃幕墙平面的集中地震作用
G－玻璃幕墙构件的重量（KN）|
αmax－地震影响系数6度时取0.04，7度时取0.08，8度时取0.16
βE－动力放大系数，可取为3.0
弯矩M按如下公式计算：
M=VXe
e－玻璃构件自重作用线距主体表面的距离（mm）
锚筋受剪承载力系数α按如下式计算：
|
αV=（4.0-0.08d）√fc/fy
当αV大于0.7时，取αV=0.7
锚板弯曲变形折减系数：
αb=0.6+025t/d
当采取措施防止锚板弯曲变形时，可取αV=1.0
5.5除上述计算锚筋截面外，还有下面几方面因素对防震是有利的：
a.锚板宜采用3号钢，锚筋应采用Ⅰ级或Ⅱ级钢筋，并不得采用冷加工钢筋。
b.预埋件受力直锚筋不少于4根，直径不宜小于8㎜。
受剪预埋件的直锚筋应放在外排主筋内侧。
c.直锚筋与锚板采用T形焊，锚筋直径不大于2O㎜时，采用压力埋弧焊，手工焊缝高度不宜小于6㎜及（Ⅰ级钢筋）0.5d（Ⅱ级钢筋）0.6d
d.锚筋最小锚固长度在任何情况下不应小于250㎜，光圆钢筋端部应作弯钩。
e.锚固钢筋的锚固长度La（㎜）
钢筋类型
混凝土强度等级
C25
≥C30
I级钢筋
30d
25d
Ⅱ级钢筋
40d
35d
1）当螺纹钢筋d≤25mm时，La可以减少5d
2）锚筋锚固长度不应小于25Omm
f.锚板的厚度应大于锚筋直径的0.6倍，受拉和受弯埋件的锚板的厚度尚应大于b/8（b为锚筋的间距）
锚筋中心至锚板边缘的距离C不应小于2d及20mm.。
g.受拉和受弯预埋件，其钢筋间距b友b1和锚筋至构件边缘的距离C1均不应小于3d及45㎜。
i.对受剪预埋件，其锚筋的间距b及b1不应大于300mm。
其中b1不应小于6d及70mm。
锚筋至构件边缘的距离C1不应小于6d及70㎜。
b不应小于3d及45mm。
6立柱、横框设计中抗震设防
立柱、横框可根据其实际连接情况，按简支或连续支承条件考虑。
构件的实际尺寸与设计尺寸相比，会有一定的偏差，对截面承载力计算会有一定的影响。
但是材料出厂的尺寸公差都在一定的允许范围内，施工安装的偏差也要满足规范的要求，所以这种影响是不大的。
另一方面，在设计时也无法预计可能产生的偏差。
因此可以采用设计尺寸进行设计。
地震在幕墙竖梁和横梁中的设防，主要是充分考虑地震荷载作用下，竖梁和横梁的强度和钢度是否满足要求。
6.1刚度校核
实质上就是所选用型材在固定的力学模型下，其挠度变形：
铝合金竖框μ≤L/180，绝对挠度不应大于2Omm。
钢材竖框μ≤L/300，绝对挠度不应大于15mm。
由公式：
f=5q刚度×（Y）L4/384EI得：
Imin=5q刚度×（Y）L4/384E（f）
而计算X轴或Y轴刚度时，要按规范选取地震系数：
q刚度Y=qYB
Y轴方向挠度荷载组合（要充分考虑地震因素）
q刚度X=0.6qex
X轴方向挠度荷载组合（要充分考虑地震因素）
6.2强度校核
框架式幕墙立柱实际受力有两种方式：
偏心受拉，偏心受压
6.2.1偏心受拉的幕墙立柱截面承载力应符合下式要求：
N/A0+M/rw≤fa
式中：
N——立柱拉力设计值（N）
M——立柱弯矩设计值（N.MM）
A0————立柱的净截面面积（㎜2）
W——在弯矩作用方向的净截面抵抗矩（MM3）
r——塑性发展系数，可取为1.05
r0——铝材（或钢材）的强度设计值（N/㎜2）
立柱中的抗震设防，主要是计算NM时充分考虑地震荷载的作用
6.2.2偏心受压幕墙立柱截面承载力应符合下式要求：
N/ψ1A0+M/rw≤fa
ψ1－轴心受压杆件的稳定系数，铝合金立柱的ψ1值可通过试验确定。
为了保证幕墙的稳定性，使幕墙杆件处于受拉状态。
另玻璃幕墙在核算玻璃等面材、螺栓、结构胶等材料时，均应考虑地震因素，使幕墙处于弹性状态。
为了安全应在幕墙主入口处设雨棚，幕墙四周设绿化带。
7抗震设计中的名词
7.1地震烈度：
是指某一地区，地面和各类建筑遭受一次地震影响的程度。
7.2地震设防烈度：
经国家有关部门审批确定作为一个地区抗震设防依据的地震烈度。
在一般情况下，设防烈度采基本烈度。
7.3地震震级：
衡量一次地震释放能量大小的尺度。
常用里氏震级表示。
7.4里氏震级：
在距震中100km处用伍德一安德生（Vood-Anderson）地震仪所测定的水平最大地震震动位移振幅（以μm为单位）的常用对数。
中国地震烈度表（1980）
烈度
人的感觉
一般房屋
平均震害指数
其他现象
参考物理指标
大多数房屋震害程度
水平加速度（㎝/s）
水平速度（㎝/s）
1
无感
2
室内个别静止中的人感觉
3
室内少数静止中的人感觉
悬挂物微动
4
室内多数人感觉，室外少数人感觉，少数人梦中惊醒
悬挂物明显摆动，器皿作响
5
室内普遍感觉，室外多数人感觉，多数人梦中惊醒
不稳定器物翻倒
31
（22~44）
3
（2~4）
6
惊慌失措，仓惶逃出
损坏——个别砖瓦掉落墙体，微细裂缝
0~0.1
河岸和松土上出现裂缝，饱和砂层出现喷砂冒水，地面上有的砖烟囱轻度裂缝
63
（45~89）
6
（5~9）
7
大多数人仓惶逃出
轻度破坏——局部破坏，开裂，但不妨碍使用
0.11~0.30
河岸出现塌方，饱和砂层常见喷砂冒水，松软土上地裂缝较多，大多数砖烟囱等破坏
125
（90~177）
13
（10~18）
8
摇晃颠簸，行走困难
0.31~0.50
干硬土上亦有裂缝，大多数砖烟囱严重破坏
250
（178~353）
25
（19~35）
9
坐立不稳，行动的人可能摔跤
严重破坏——墙体龟裂，局部倒塌，修复困难
0.51~0.70
干硬土上有许多地方出现分，基岩上可能出现裂缝、滑坡、塌方，常见砖烟囱出现倒塌
500
（354~707）
50
（36~71）
10
骑自行车的人会摔倒，处于不稳定状态的人会摔出几尺远，有抛起感
倒塌——大部分倒塌，不堪修复
0.71~0.90
山崩和地震断裂出现，基岩上的拱桥破坏，大多数砖烟囱从根部破坏或倒毁
1000
（708~1414）
100
（72~141）
11
毁灭
0.91~1.00
地震断裂延续很长，山崩常见，基岩上的拱桥毁坏
12
地面剧烈变化，山河改观
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