幕墙结构设计原理和方法.docx
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幕墙结构设计原理和方法
幕墙结构设计原理和方法
第一节结构设计原理
建筑结构的可靠性直接关系到人民生命财产安全，历来是建筑结构设计必须首先面对和需要审慎解决的重大问题。
结构的可靠性是指结构在规定的时间内、在规定的条件下、完成预定功能的能力。
结构的可靠度是对结构可靠性的定量描述，即结构在规定的时间内、在规定的条件下、完成预定功能的概率。
建筑结构可靠度也是一个国家综合性经济政策问题，实际上是选择一种安全与经济相对的最佳平衡。
结构的设计使用年限是指设计规定的结构或结构构件，不需要进行大修即可按其预定目的使用的时期。
设计使用年限是房屋的地基基础和主体结构“合理使用年限”的具体化，实际上它与合理使用年限是等同的含义。
《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068规定：
“结构在规定的设计使用年限内应具有足够的可靠度。
结构的可靠度可采用以概率理论为基础的极限状态设计方法分析确定”。
结构在规定的设计使用年限内满足以下功能要求：
1.在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用；
2.在正常使用时具有良好的工作性能；
3.在正常维护下具有足够的耐久性；
4.在设计规定的偶然事件发生后，仍然能保持必须的整体稳定性。
结构的设计使用年限如下表：
表1
类别
设计使用年限（年）
示例
1
5
临时性结构
2
25
易于替换的结构构件
3
50
普通房屋和构筑物
4
100
纪念性建筑和特别重的建筑构件
为保证建筑结构具有规定的可靠度，除应进行必要的设计计算外，还应对结构材料性能、施工质量、使用和维护进行相应的控制。
结构可靠度与结构的使用年限长短有关，GB50068所指的结构可靠度，是对结构的设计使用年限而言的，当结构的使用年限超过设计使用年限后，结构失效概率可能较设计预期值要大。
设计基准期是为确定可变作用及与时间有关的材料性能等级取值而选用的时间参数。
它不等同于建筑结构的设计使用年限。
GB50068所考虑的荷载统计参数，都是按设计基准期为50年确定的。
建筑幕墙是建筑物的外围护构件，它要承受外界施加给它的各种作用。
《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068）对结构上的作用给出的定义：
“施加在结构上的集中或分布荷载，以及引起结构外加变形或约束变形的原因，均称为结构上的作用”。
“引起结构外加变形或约束变形的原因系指地震、基础沉降、温度变化、焊接等作用”。
这就是说，作用是指能使结构产生效应（内力、变形、应力、应变、裂缝等）的各种原因的总称，其中包括施加在结构上的集中力和分布力系，以及形成结构外加变形或约束变形的原因。
前一种作用是力（包括集中力和分布力）在结构上的集结，就是通常说的荷载。
后一种作用（如温度变化、材料的收缩与徐变、地基变形、地震等）不是以力的形式出现的，过去将施加在结构上的作用统称为荷载（国际上也有这个习惯），但荷载这个术语对间接作用并不恰当，它混淆了两种不同的作用，而且容易发生误解，例如将地震作用当作是施加在结构上而与地基和结构本身无关的外力。
《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB50068）将这两类作用分别称为直接作用和间接作用，而荷载仅等同于直接作用，《建筑结构荷载规范》（GB50009）对直接作用作了规定。
间接作用，除地震作用由《建筑抗震设计规范》（GB50011）作了规定外，其余间接作用暂时还没有相应的规范。
第二节风荷载
风荷载是作用于幕墙上的一种主要直接作用。
它垂直作用于幕墙的表面上。
幕墙是一种薄壁外围护构件，一块玻璃，一根杆就是一个受力单元，而且质量较轻，在设计时，既需考虑长期使用过程中，在一定时距平均最大风速的风荷载作用下保证其正常功能不受影响；又必须注意到在阵风袭击下不受损坏，避免安全事故。
建设部2002年1月10日以建标[2002]10号通知发布了《建筑结构荷载规范》（GB50009—2001），从2002年3月1日起施行。
《建筑结构荷载规范》GB50009规定对垂直于建筑物表面的风荷载标准值，当计算主要承重结构时应按下式计算：
WK=βZμSμZW0；
（1）
式中：
WK—风荷载标准值，N/m2；
βZ—高度Z处的风振系数；
μS—风荷载体型系数；
μZ—风压高度变化系数
W0—基本风压，N/m2。
当计算围护结构时应按下式公式计算：
WK=βgzμsμZW0
（2）
式中：
βgz—高度Z处的阵风系数（JGJ102和JGJ133规定取为2.25）。
μS—风荷载体型系数（JGJ102和JGJ133规定取为±1.5）；
风荷载的组合值、频遇值和准永久值系数可分别取0.6、0.4和0。
一.基本风压:
GB50009规定的基本风压是根据全国气象台站历年来的最大风速纪录，按基本风速的标准要求，将不同风速仪高度和时距的年最大风速，统一换算为离地10m高、自记10min平均年最大风速（m/s）。
根据该风速数据（选取最大风速数据，一般应有25年以上的资料；当无法满足时，至少不少于10年的风速资料）经统计分析确定重现期为50年的最大风速，作为当地的基本风速V0。
再按伯努力公式：
W0=1/2ρv02确定基本风速。
ρ=γ/g，γ为空气重力密度，g为重力加速度，以ρ=γ/g代入W0=γ/2g*v02。
以往国内的风速记录大多数根据风压板的观测结果，刻度所反映的风速，实际上是统一根据标准的空气密度ρ=1.25Kg/m3按上述公式反算而得，因此在按该风速确定风压时，可统一按W0=V02/1600（KN/m2）计算。
当前各气象站已积累了根据风杯式自记风速仪记录的10min平均最大风速数据，因此在这次数据处理时基本上是以自记的数据为依据。
所以在确定风压时，必须考虑各台站观测当时的空气密度，当缺乏资料时也可参考有关规定采用。
GB50009将基本风压的重现期由以往的30年改为50年，这样在标准上将与国外大部份国家取得一致，经修改后各地的风压并不是在原有的基础上提高10%，而是根据新的风速观测数据进行统计分析后重新确定的。
对于风荷载比较敏感的高层建筑和高耸建筑，仍要求将基本风压提高10%，这相当于将重现期提高到100年左右。
对于围护结构，其重要性与主体结构相比要低些，仍可取50年一遇的基本风压。
基本风压应按GB50009规范附录D4附表D.4给出的50年一遇的风压（其中136个城市基本风压见本教材表2）或全国基本风压分布图（见GB50009附图D5.3）采用，但不得低于0.3KN/m2。
全国136个城市基本风压值与基本雪压值表2
序号
城市名
基本风压W0（Pa）
基本雪压S0（Pa）
序号
城市名
基本风压W0（Pa）
基本雪压S0（Pa）
1
北京
450
400
2
天津
500
400
3
上海
550
200
4
重庆
400
0
5
石家庄
350
300
6
邢台
300
350
7
张家口
550
250
8
承德
400
300
9
秦皇岛
450
250
10
唐山
400
350
11
保定
400
350
12
沧州
400
300
13
大同
550
250
14
太原
400
350
15
阳泉
400
350
16
临汾
400
250
17
包头
550
250
18
呼和浩特
550
400
19
通辽
550
300
20
阜新
600
400
21
朝阳
550
450
22
锦州
600
400
23
鞍山
500
400
24
沈阳
550
500
25
本溪
450
550
26
营口
600
400
27
丹东
550
400
28
大连
650
400
29
四平
550
350
30
长春
650
350
31
吉林
500
450
32
通化
500
800
33
齐刘哈尔
450
400
34
鹤岗
400
650
35
绥化
550
500
36
佳木斯
650
650
37
哈尔滨
550
450
38
牡丹江
500
600
39
德州
450
350
40
烟台
550
400
41
威海
650
450
42
济南
450
300
43
泰安
400
350
44
潍坊
400
350
45
青岛
600
200
46
衮州
400
350
47
莱阳
400
250
48
徐州
350
350
49
淮阴
400
400
50
南京
400
500
51
南通
450
250
52
常州
400
350
53
杭州
450
450
54
舟山
850
500
55
金华
350
550
56
衢州
350
500
57
宁波
500
300
58
温州
600
350
59
蚌埠
350
450
60
六安
350
550
61
合肥
350
550
62
安庆
400
350
63
黄山
350
450
64
赣州
300
350
65
九江
350
400
66
景德镇
350
350
67
南昌
450
450
68
樟树
300
400
69
邵武
300
350
70
南平
350
71
福州
700
72
龙岩
350
73
厦门
800
74
延安
350
250
75
宝鸡
350
200
76
西安
350
250
77
汉中
300
200
78
安康
450
150
79
洒泉
550
300
80
张掖
500
100
81
兰州
300
150
82
平凉
300
250
83
天水
350
200
84
银川
650
200
85
格尔本
400
200
86
西宁
350
200
87
玉树
300
200
88
伊宁
600
1000
89
乌鲁木齐
600
800
90
库尔勒
450
250
91
哈密
700
200
92
安阳
450
400
93
新乡
400
300
94
三门峡
400
200
95
洛阳
400
350
96
郑州
450
400
97
许昌
400
400
98
开封
450
300
99
南阳
350
450
100
驻马店
400
450
101
商邱
350
450
102
枣阳
400
400
103
恩施
300
200
104
宜昌
300
300
105
天门
300
350
106
武汉
350
500
107
黄石
350
350
108
岳阳
400
550
109
吉首
300
300
110
常德
400
500
111
衡阳
400
350
112
郴州
300
300
113
长沙
350
450
114
韶关
350
115
梅县
300
116
广州
500
117
汕头
800
118
深圳
750
119
堪江
800
120
桂林
300
121
柳州
300
122
梧州
300
123
南宁
350
124
北海
700
125
海口
750
126
三亚
850
127
绵阳
300
128
成都
300
100
129
内江
400
130
涪陵
300
131
遵义
300
150
132
贵阳
300
200
133
大理
650
134
昆明
300
135
丽江
300
300
136
玉溪
300
2．风压高度变化系数：
在大气边界层内，风速随离地面高度变化而增大。
当气压场随高度不变时，速度随高度增大的规律，主要取决于地面粗糙度和温度垂直梯度。
通常认为在离地面高度为300~500m时风速不再受地面粗糙度的影响，也即达到所谓“梯度风速”，该高度称之梯度风高度。
地面粗糙度等级低的地区，其梯度风高度比等级高的地区为低。
原规范将地面粗糙度等级由过去的陆、海两类改成A、B、C三类，但随我国建设事业的蓬勃发展，城市房屋的高度和密度日益增大，因此，对大城市中心地区，其粗糙程度也有不同程度的提高。
考虑到大多数发达国家，诸如美、英、日等国家的规范，以及国际标准ISO4354和欧洲统一规范EN1991-2-4都将地面粗糙度等级划分为四类，甚至于五类（日本）。
为适应当前发展形势，这次修订也将由三类改成四类，其中A、B两类的有关参数不变，C类指有密度建筑群的城市市区，其粗糙度指数α由0.2改为0.22，梯度风高度HG仍取400m；新增添的D类，指有密集建筑群且有大量高层建筑的大城市市区，其粗糙度指数α取0.3，HG取450m。
根据地面粗糙度指数及梯度风高度，即可得出风压变化系数如下：
μzA=1.379（Z/10）0.24（3a）
μzB=1.000（Z/10）0.32（3b）
μzC=0.616（Z/10）0.44（3c）
μzD=0.318（Z/10）0.60（3d）
在确定城区的粗糙度类别时,若无α的实测资料,可按下述原则近似确定：
（一）以拟建房屋为中心，2km为半径的迎风半园影响范围内的房屋高度和密集度来区分粗糙度类
别，风向原则上应以该地区最大风的风向为准，但也可取其主导风向；
（二）以半园影响范围内建筑物的平均高度h来划分地面粗糙度类别：
当h≥18m，为D类，
9m＜h≤18m，为C类，h＜9m，为B类；
（三）影响范围内不同高度的面域可按下述原则确定，即每座建筑物向外延伸距离为其高度的面域内
均为该高度，当不同高度的面域相交时，交叠部分的高度取大者；
（四）平均高度h取各面域面积为权数计算。
当直接以高度Z来描述风压高度变化系数时：
由（Z/10）0.24=0.575Z0.24则μZA=1.379×0.575Z0.24=0.794Z0.24（4a）
由（Z/10）0.32=0.479Z0.32则uZB=0.479Z0.32（4b）
由（Z/10）0.44=0.363Z0.44则uZC=0.616×0.363Z0.44=0.224Z0.44（4c）
由（2/10）0.60=0.251Z0.60则uZD=0.318×0.251Z0.60=0.08Z0.60（4d）
表3风压高度变化系数μZ
离地面或海平面高度（m）
地面粗糙度类别
A
B
C
D
5
10
15
20
30
40
50
60
70
80
90
100
150
200
250
300
350
400
≥450
1.17
1.38
1.52
1.63
1.80
1.92
2.03
2.12
2.20
2.27
2.34
2.40
2.64
2.83
2.99
3.12
3.12
3.12
3.12
1.00
1.00
1.14
1.25
1.42
1.56
1.67
1.77
1.86
1.95
2.02
2.09
2.38
2.61
2.80
2.97
3.12
3.12
3.12
0.74
0.74
0.74
0.84
1.00
1.13
1.25
1.35
1.45
1.54
1.62
1.70
2.03
2.30
2.54
2.75
2.94
3.12
3.12
0.62
0.62
0.62
0.62
0.62
0.73
0.84
0.93
1.02
1.11
1.19
1.27
1.61
1.92
2.19
2.45
2.68
2.91
3.12
例1．求A类地区高度45m处风压高度变化系数。
解：
uZA=1.379*（45/10）0.24=1.988或uZA=0.794*450.24=1.98
例2．求B类地区高度75m处风压高度变化系数
解：
uZB=（75/10）0.32=1.906或uZB=0.479*750.32=1.907
例3．求C类地区高度125m处风压高度变化系数
解：
uZC=0.616*（125/10）0.44=1.87或uZA=0.224*1250.44=1.87
例4．求D类地区高度150m处风压高度变化系数
解：
uZD=0.318*（150/10）0.6=1.615或uZD=0.08*1500.6=1.617
三．风荷载体型系数。
风荷载体型系数是指风作用在建筑物表面上所引起的实际压力（或吸力）与来流风的速度压的比值，它描述的是建筑物表面在稳定风压的作用下的静压力的分布规律，主要与建筑物的体型和尺度有关，也与周围环境和地面粗糙度有关。
由于涉及的是固体和流体相互作用的流体力学问题，对于不规则形状的固体，问题尤为复杂；无法得出理论上的结果。
一般均应由试验确定，鉴于真型的实侧方法对结构设计的不现实性，目前只能采用相似原理，在边界层风洞内对拟建的建筑物模型进行测试。
GB50009表7.3.1列出38项不同类型的建筑物和各类结构体型及其体型系数，这些都是根据国内外的试验资料和外国规范中的建议性规定整理而成。
当建筑物与表中列出的体型数同时，可按该表的规定采用；当建筑物与表中的体型不同时，可参考有关资料采用；当建筑物与表中的体型不同且无有关资料可以借鉴时，宜由风洞试验确定；对于重要且体型复杂的建筑物应由风洞试验确定。
当建筑群，尤其是高层建筑群，房屋相互间距较近时，由于旋涡的相互干扰，房屋某些部位的局部风压会显著增大，设计时应予注意，对比较重要的高层建筑，在风洞试验中要考虑周围建筑物的干扰因素。
验算围护构件及连接的强度时，可按下列规定采用局部风荷载体型系数。
1．外表面
1）正压区按GB50009表7.3.1采用
2）负压区—对墙面取-1.0
—对墙角边取-1.8
—对屋面局部部位（周边和屋面坡度大于10度的屋脊部位）取-2.2
—对檐口、雨蓬、遮阳板等突出构件，取-2.0
注：
对墙角边和屋面局部部位的作用宽度为房屋宽度的0.1或房屋平均高度的0.4。
取其小者，但不小于1.5m
2．内表面
对封闭式建筑物按外表面风压的正负情况取-0.2或0.2
四．阵风系数
计算围护结构的风荷载时，阵风系数按下述公式确定：
βgz=K（1+2μf）（5a）
式中：
K—地面粗糙度调整系数。
对A、B、C、D四种类型分别取0.92、0.89、0.85、0.80；
μf—脉动系数。
μf=0.5×351.8（α-0.16）（Z/10）-α（5b）
式中：
α—地面粗糙度指数对应于A、B、C、D四类地貌，分别取0.12、0.16、0.22和0.30。
将K、α系数代入后，各类地区阵风系数计算公式为：
βgzA=0.92*（1+2μfA）μfA=0.387（Z/10）-0.12（5c）
βgzB=0.89*（1+2μfB）μfB=0.5（Z/10）-0.16（5d）
βgzC=0.85*（1+2μfC）μfC=0.734（Z/10）-0.22（5e）
βgzD=0.80*（1+2μfD）μfD=1.2248（Z/10）-0.3（5f）
根据上海风速实测资料证明了以上取值的可行性。
80~81年通过在四次台风过程中对上海电视塔20m~186m七个高度处瞬时风速和十分钟平均最大风速的观测数据得出阵风系数的近似计算公式：
βgz=e[0.7/√（z/10）]（5g）
由此式可算出,在10m、20m、50m、100m及150m处阵风系数为2.01、1.74、1.51、1.38和1.33。
上海金茂大厦根据历年0~500m各高程风速资料进行风洞试验得出的设计风荷载和按GB50009计算结果相吻合。
上海金茂大厦设计风荷载与按GB50009计算结果对照表表4N/m2
层数
标高（m）
地面粗糙度类别
μz
βgz
Wk
风洞试验结果
31
125.55
B
2.2471
1.4837
550×2.2471×1.4837×1.5=2750
2500
C
1.8753
1.5652
550×1.8753×1.5652×1.5=2422
D
1.4512
1.7174
550×1.4512×1.7174×1.5=2056
53
213.80
B
2.6644
1.4352
550×2.6644×1.4352×1.5=3155
3000
C
2.3702
1.4862
550×2.3702×1.4862×1.5=2906
D
1.9772
1.5820
550×1.9772×1.5820×1.5=2581
82
316.10
B
3.0196
1.4022
550×3.0196×1.4022×1.5=3493
3500
C
2.8152
1.4337
550×2.8152×1.4337×1.5=3330
D
2.5254
1.4954
550×2.5254×1.4954×1.5=3115
88
340.00
B
3.0908
1.3962
550×3.0908×1.3962×1.5=3560
4000
C
2.9069
1.4245
550×2.9069×1.4245×1.5=3416
D
2.6382
1.4804
550×2.6382×1.4804×1.5=3222
阵风系数βgz表5
离地面高度
m
地面粗糙度类别
A
B
C
D
5
1.69
1.88
2.30
3.21
10
1.63
1.78
2.10
2.76
15
1.60
1.72
1.99
2.54
20
1.58
1.69
1.92
2.39
30
1.54
1.64
1.83
2.21
40
1.52
1.60
1.77
2.09
50
1.51
1.58
1.73
2.01
60
1.49
1.56
1.69
1.94
70
1.48
1.54
1.66
1.89
80
1.47
1.53
1.64
1.85
90
1.47
1.52
1.62
1.81
100
1.46
1.51
1.60
1.78
150
1.43
1.47
1.54
167
200
1.42
1.44
1.50
1.60
250
1.40
1.42
1.46
1.55
300
1.39
1.41
1.44
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