点支式玻璃幕墙抗风压设计方法

刘伟良

摘要：目前，点支式玻璃幕墙凭借其独特的视觉透明度、结构灵活性以及优秀的工艺质量，得到了全球大型标志性建筑的青睐。但是，由于这类幕墙对风荷载的作用较为敏感，所以在保障点支式玻璃幕墙的安全性方面，需要着重关注抗风压设计。本文以点支式玻璃幕墙抗风压设计为主要内容展开深入分析，希望能够对当前玻璃幕墙规范的缺陷进行补充，同时也为点支式玻璃幕墙的防风性能设计提供了参考依据。

关键词：点支式玻璃幕墙；抗风压；设计方法

点支式玻璃幕墙具有多重优势，在建筑设计领域的应用普及度较高。然而，由于其本身在刚度、质量以及阻尼等方面存在较多不足，防风压性能已经变成了其设计与应用的核心问题。截止到目前为止，全球研究学者在点支式玻璃幕墙的抗风压性能探索领域取得了较多的成果，这些成果填补了当前规范标准中的缺陷，为优化点支式玻璃幕墙的抗风压设计提供了强大的帮助。

一、风压理论

围绕点支式玻璃幕墙的风压表面，展开计算优化研究。该幕墙表面的风压影响主要来自两个方面：一是持续时间较长的平均风荷载影响，二是持续时间较短的脉动风荷载影响。我国的相应设计标准已经清晰地指出了如何计算玻璃幕墙的风压，支承结构风荷载：

wk=1.1·βz·μz·μs·w0（1）

玻璃面板和支承装置风荷载：

wk=βgz·μz·μs·w0（2）

在上述两式中，wk代表的是风荷载的标准数值；βz是指风振系数；βgz是指阵风系数；μz是指风压的高度变动系数；μs是指风荷载体型系数；w0则是指基本风压。

根据点支式玻璃幕墙的支承结构和主体结构在风振特性方面表现出的完全线性关系，可以推导出公式（1）。利用1. 1的放大系数，可以研究玻璃幕墙本身振动如何影响风振系数。从整体的角度分析玻璃面板与支承结构，可以得到公式（2）。该公式利用了阵风系数βgz评估玻璃表面与支承结构的风振作用。对于一些特殊构造的幕墙，例如张拉杆索系统和大跨度支撑结构，它们在风振方面的反应相当敏感，几何非线性特征也相当突出。在这种情况下，仅仅提高阵风系数可能无法准确地展示出幕墙在脉动风压下的工作状况。但是，一些学者已经成功地利用有限元模型以及统计分析，获取了对应的风振系数，这些系数可以应用在结构设计中。在思考全局幕墙结构的脉动风压影响时，可以使用相同的位移风振系数。其计算式为：

在公式（3）里，Umax、Us、Ud分别代表最大风荷载、平均风荷载、脉动风荷载所导致的位移响应；β则是位移风振系数；Ud则是脉动风荷载所导致的位移反馈。

经过对比可以发现，幕墙模型在较高位置的风振系数β明显高于阵风系数βgz。这意味着，如果使用公式（2）进行计算，可能会得出偏离安全性的结果。在幕墙设计时，必须充分考虑风振系数的影响，以确保建筑物的安全性和稳定性。基于工程设计的角度加以探讨，公式（3）考虑到脉风压效应动力分析法的实施可行性相对较弱，所以其在幕墙结构设计的抗风压计算中的应用并不理想。

二、幕墙结构设计

（一）玻璃面板

四点支承式玻璃面板在点支式玻璃幕墙中常见，在处理特殊项目时，应当灵活地选择支承形式，如可以将六点支承及三点支承式玻璃面板等作为备选项。现行幕墙设计规范规定玻璃面板选择有厚度与支承点间长边边长两个参数。这一计算公式只适合在四点支承玻璃幕墙中应用。殷永炜等人依据实验和有限元分析的结果对中空玻璃的等效厚度进行了调整，并提出了各种修正系数，具体可参见公式（4）（各单片玻璃厚度分别为t1、t2）：

（4）

殷永炜和其他研究者也强调，在计算点支式中空玻璃的最大应力公式时，需要加入应力修正系数。宋海罡等选取了一座大楼的单元式幕墙的抗风压性能试验作为研究对象，绘制了中空玻璃的压力差-挠度曲线。然后，根据这个曲线提出了中空玻璃的等效厚度修正系数，这个方法比殷永炜等人的方法更加稳健，具体可参见（5）公式：

（5）

有关学者经研究表明，大厚度玻璃可用点支式玻璃幕墙工程技术规程以及玻璃幕墙工程技术规范中关于四点支承式计算公式估算六点支承式玻璃面板的应力及挠度。

图1 六点支承玻璃板优化设计流程

（二）支承装置

支承装置是幕墙设计中的重要环节，它主要连接玻璃面板与主体结构，主要由连接部件和爪部件构成。目前，我国幕墙设计标准规范中还没有对此提出针对性的支承装置设计方法，没有详细列出支承装置的设计要点。为了解决这一问题，石永久等人运用有限元分析技术，确定了支承装置在各种受力状况下的应力情况，并基于此，计算出了相应的应力集中系数γ。他们还提出了点支式玻璃幕墙中金属连接件和爪件的承载力简化设计公式，如式（6）~（11）所示。

（1）连接件承载力设计公式：

拉剪共同作用（6）

压剪共同作用（7）

在公式（6）至（7）里，Ae代表了螺杆的有效截面积；hc是指从剪力施加的位置到螺杆端的距离；σy是指连接部分的材质的屈服性能；We是指螺杆的有效弹性抵抗扭矩；γ是指应力集中系数。

（2）爪件承载力设计公式：

1）X形爪件：

（8）

2）H型爪件中间肢（I型支承件）：

（9）

3）H型爪件边肢：

（10）

4）圆盘滑动形爪件：

（11）

蒋凤昌及其研究团队运用有限元分析方法对六点支承式玻璃幕墙的设计进行了优化，研究结果表明这种方法能够提升幕墙的支承条件，并且证实了这种优化的可行性。然而，这种方法的限元建模和分析过程相当繁琐，需要设计师拥有较强的理论水准，因此，它在支承设计的普及使用方面存在一定的限制。

三、抗风压性能现场检测

因为场所和环境的限制，如果应用实验室检测方法，无法确定点支式玻璃幕墙在实际应用中的抗风压性能。并且也无法完全反映出点支式幕墙的施工缺陷和支承系统在长期使用后的失效等问题。应用动态法对玻璃幕墙的抗风压力表现进行评估时，既可以应用在四边支承的玻璃幕墙上，同样也可以应用在点支式玻璃幕墙上。在掌握了在设计风压条件下的幕墙支承状态及其固定频率的相互关联曲线，确定了评价参考频率和评定的标准频率后，就能够进行现场检测和评价。然而，当风压施加于点支式玻璃幕墙时，其最大应力通常集中在支撑点，而非面板的中心部分，这与四边支承的玻璃幕墙结构有所区别。因此，ω-σmax关系曲线是否具有线性特征还需通过实验来确认。

总结

综上所述，作为建筑现代化的象征之一，点支式玻璃幕墙的功能不仅限于防风、防雨、采光，还包括保温、隔热、隔音、装饰等。随着技术的日益完善，其在工程中的运用将更加普遍。然而，目前的点支式玻璃幕墙性能还不够完善，特别是在抗风压方面的设计依然有待优化，如针对幕墙结构与主体结构的相互影响以及玻璃面板与支承系统的协同效应的研究成果尚不充足，需要进一步的理论探讨和实验验证。

参考文献：

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[2]程杰.点支式玻璃幕墙面板受力情况的思考[J].建材与装饰.2021(19).

[3]孙雨欣,郑燕燕,周庆松,等.点支承采光顶玻璃面板安全性评估分析研究[J].安徽建筑.2022(7).