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《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ1022003)设计部分介绍 免费猫

发布时间:2020-02-17 14:21:41 阅读: 来源:发泡水泥板厂家

《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ102-2003)设计部分介绍

中国建筑科学研究院研究员 中国建筑装饰协会铝制品委员会专家组专家 赵西安 [摘 要] 本文介绍了《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ102-2003)设计部分的修订内容,对修订进行了说明。 [关键词] 玻璃幕墙 幕墙规范 幕墙设计 新的《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ102-2003)已经颁布,自2004年1月1日起施行。与原规范JGJ102-96相比,修订和增加了不少内容,以下对其设计部分作一简要的介绍。一、总 则 (一)增补了新的幕墙类型 规范是已有成熟经验的归纳、总结,不是对前沿技术的介绍和前瞻。96规范编制时,点支承幕墙在国内尚少应用,经验不多,因此没有纳入规范。几年来,我国点支承幕墙在各种建筑中大量采用,形式多样,技术水平迅速提高,因此2003版本修订时,增补了点支承幕墙设计、制作、安装、验收等方面的内容。目前已有许多工程采用了各种形式的新型幕墙,如框点混合支承的幕墙;全玻幕墙类的槽形玻璃幕墙;点支承幕墙类的背栓式支承幕墙、单层索网幕墙,此外还有双层通风幕墙、智能化幕墙、光电幕墙和液晶显示幕墙等。这些内容尚未纳入2003版本的条文中。 目前规范版本中尚未纳入的技术内容,可在工程中先行应用,在应用中不断总结经验,使之成熟后,纳入将来的规范版本中。 (二)扩展了规范的适用范围 规范的适用范围不等同于该技术的适用范围。在编制96年版本时,国内已建玻璃幕墙最高的是金茂大厦(420m)、地王大厦(325m)、中信大厦(320m),而且超过150m高度的建筑已有四十余幢。当时国外最高的玻璃幕墙达445m(芝加哥西尔斯大厦)。但是考虑到规范主要面向量大面广、技术成熟的工程,因此规定了规范的适用范围是150m高度以下的玻璃幕墙工程。 96规范颁布七年来,国内总结了大量工程经验,超过150m的幕墙技术已十分成熟,因此2003年修订版本中,不再规定本规范的适用高度的上限,但相应增加了超过200m高度玻璃幕墙要进行风洞试验研究的内容。 (三)更合理地区分条文的宽严程度 2003年版本首先区分了强制性条文和一般性条文。强制性条文用黑体字印刷,相应采用了“应”、“必须”;“不应”、“严禁”等最严格的限定词。强制性条文应当执行。 一般性条文则区分为三档宽严程度。“应”、“不应”所限定的内容,在正常情况下应当执行;“宜”、“不宜”所限定的内容,允许选择,一般情况下首先考虑采用;而由“可”、“可不”所限定的内容,则是提供选择,可以采用,也可以选用其它的方式。 非强制性条文的内容,允许甲乙方在双方签定的合同中另作专门的约定。 (四)引入了结构设计使用年限的规定 建筑结构有规定的设计使用年限。在本次修订中,考虑到幕墙属于可以更换的围护结构,所以在规范第12章中提出了幕墙结构的设计使用年限,在说明中指出该年限一般为不少于25年。玻璃、铝型材和钢材是可以达到25年的使用年限的。结构胶目前出具的10年质量保证书只是商业上的举措,并不是指结构胶的实际使用寿命。国外已有结构胶超过30年仍然工作良好的实例。从结构胶的耐老化试验中可以看出,结构胶使用年限达到25年是可能的,国内一些结构胶生产厂家已考虑出具25年使用寿命的文件。二、术语、符号 (一)更明确幕墙的概念 玻璃幕墙这几年形式多样,新体系层出不穷,原有的规范对幕墙的定义已不适应当前幕墙多样化的趋势。因此2003版本修订时规定了幕墙的几个特征: 1.由支承结构体系与面板组成; 2.相对于主体结构有一定位移能力; 3.不分担主体结构所受的荷载和作用。 而且玻璃幕墙除作为外围护结构外,还可以作为装饰性结构。 (二)对幕墙进行更细致的分类 1.幕墙指对地面倾角在75°~115°范围内的墙体。竖直的为一般幕墙,其它为斜幕墙(内倾为75°~90°,外倾为90°~115°)。在此范围外,统称为采光顶、雨棚等,按规范分工的约定不由本规范管理。 2.玻璃幕墙按其结构类型划分为: 框支承玻璃幕墙 全玻幕墙 点支承玻璃幕墙 其中,框支承玻璃幕墙按其形式可分为:明框、隐框和半隐框幕墙;按其施工安装方法可分为构件式幕墙和单元式幕墙。一些厂家所称的小单元幕墙,其玻璃板带挂钩,在现场单片安装,实际上是构件式幕墙的一种,所以不单独分类。三、材 料 (一)一般规定 一般规定中对金属材料的表面处理做出了新的规定。钢型材除热浸锌处理外,还可以用无机富锌涂料或采用其它的有效防腐措施(例如用聚氨酯涂料、氟碳喷涂等)。铝型材除阳极氧化外,还可以采用电泳涂漆、粉末喷涂或氟碳喷涂等。 (二)铝合金型材 1.铝合金型材的型号采用了国际通用的型号:6061、6063、6063A等。 2.增加了断热铝型材的规定,其中强调了隔热条应采用尼龙66。 3.给出了各种表面处理时,处理层的厚度要求(规范中的表3.2.2)。 (三)钢型材 1.增加了钢材的新品种,如耐候结构钢、钢绞线等。 2.增补了有关支承装置(吊夹、钢爪等)和张拉索杆中锚固件的规定。 3.具体规定了氟碳喷涂和聚氨酯喷涂的表面处理层厚度的要求。 (四)玻璃 1.调整了幕墙用玻璃的品种,取消了夹丝玻璃;增加了低幅射玻璃、防火玻璃、彩釉玻璃。 2.强调了钢化后的二次热处理和倒棱磨边工序,减少玻璃的自爆。 3.对防火玻璃的应用做出了较明确的规定,强调采用单片防火玻璃及其制品。四、建筑设计 (一)开启扇的开启面积 原规范从节省能源,保障人身和开启扇自身安全的考虑,规定开启扇总面积不大于墙面面积15%。非典过后,普遍要求加强自然通风,增设开启扇。因此本次修订时取消了开启扇最大面积的规定,开启扇设置根据使用要求由建筑设计确定。 (二)控制反射玻璃的反射比 阳光控制镀膜玻璃和低幅射玻璃都反射阳光,反射率过高、反射光过强容易对周围产生光反射干扰,因此在建筑设计这一章中,规定了玻璃的反射比不大于0.3。 (三)关于安全玻璃的使用 安全玻璃指夹层玻璃、钢化玻璃及钢化玻璃制成品。采用安全玻璃既要考最大限度保证人员安全,也要考虑钢化玻璃和夹层玻璃加工最大尺寸的限制。在2003修订版本中规定: 1.支承幕墙:宜采用安全玻璃; 2.玻幕墙:玻璃肋不宜采用单片钢化玻璃,驳接玻璃肋应采用钢化夹层玻璃; 3.点支承幕墙:面板应采用钢化玻璃及其制品,玻璃肋应采用钢化夹层玻璃。 框支承幕墙目前尚有工程采用半钢化玻璃,半钢化玻璃不属于安全玻璃,因此规定“宜采用安全玻璃”。全玻幕墙玻璃肋是重要支承结构,如采用单片钢化玻璃,一旦由于自爆或撞击而粉碎,面玻璃将失去支承会坍落,严重影响安全。另一方面,由于目前夹层和钢化玻璃受设备最大加工尺寸限制,高的全玻幕墙只能用大尺寸浮法玻璃,因此没有规定全玻幕墙一定要采用安全玻璃。 目前有些工程,特别是大型公共建筑和高层建筑,幕墙全部采用夹层玻璃,虽然避免了玻璃粉碎后落下产生的人身伤害,但一旦发生火灾将使消防人员无法进入室内施救,也无法帮助室内人员逃生,产生新的安全隐患。所以采用夹层玻璃时,必须留出采用钢化玻璃的抢救口和逃生口,并设明显的指示标志。 (四)防火玻璃的应用 1.幕墙的防火玻璃应采用单片防火玻璃及其制品,目前最广泛使用的是单片铯钾玻璃及其制品。不应采用充填防火液的复合玻璃。 2.幕墙的下列部位应采用防火玻璃: 透明的层间隔烟封堵; 防火墙左右两侧的竖向透明防火带; 无窗下实体墙或实体墙高度不足时,楼板上下两侧的透明水平防火带; 划分防火分区的透明防火墙; 其它透明防火隔断、透明楼板。 3.支承防火玻璃的设施或支承结构不应采用铝结构,应采用钢结构。五、结构设计的基本规定 规范2003版本将原来结构设计一章细分为基本规定、框支承幕墙、全玻幕墙、点支承幕墙的结构设计等四章。 本章主要叙述各种玻璃幕墙结构设计的共同问题,包括一般规定;材料力学性能;荷载和作用;效应的组合;连接设计;硅酮结构胶设计。 (一)一般规定 1.更改了原规范幕墙立柱应悬挂在主体结构上的规定。原规定是根据当时幕墙为框支承的条件制定的。由于现在许多大跨度、复杂类型的支承钢结构是下端支承在主体结构上的,而张拉索杆体系更是张拉在主体结构上,不能一概采用悬挂支承的形式。因此,改为在第6章增加框支承幕墙宜采用悬挂立柱的条文。 2.原规范要求立柱与主体结构采用弹性活动连接,这一概念不很明确,到底怎样才算弹性活动连接,容易产生争议。本规范规定了幕墙应相对于主体结构有一定的位移能力,这个位移能力可以通过各种胶缝和空隙、各种长圆孔、上下立柱的滑动接头、上下立柱间的留空、左右梁之间的留空等方式实现。大跨度钢结构还可以通过铰接摇臂机构和弹簧机构等充分满足大位移的要求。因此本次修订中不再强调每一处连接都必须采用螺栓连接,也不排除部分连接采用焊接的方式。 实际建成的玻璃幕墙工程中,许多是采用部分连接为焊接(包括立柱的角码与预埋件用焊接的工程),有些已经经历了多次十二级台风的吹袭;焊接连接的幕墙,多次经历9度以上振动台试验仍安全无损。实践表明,在幕墙连接中完全禁止采用焊接是不合理的,有些场合往往也是难以做到的,具体工程要作具体分析。 3.明确了要考虑的荷载与作用,取消了温度应力计算 修订后的条文取消了温度应力计算。从几年来工程设计表明,满足装配空隙构造要求和缝宽要求后,温度应力一般不起控制作用,所以不再计算以简化设计。 4.引入重要性系数 和承载力抗震调整系数 这是结构设计的基本系数,用以调整结构设计的安全度, 用于无抗震效应的组合, 用于有地震效应的组合。为保持与结构设计规范表达一致,本规范在内力、应力控制总表达式中,引入这两个系数。在玻璃幕墙设计时,这两个系数均可取为1.0,并不增加设计工作量。 5.采用各个方向分别验算和控制挠度的方法 玻璃幕墙中风荷载和自重一般情况下作用于不同方向,地震作用力很小,所以对于不影响结构安全的挠度控制,采用风荷载标准值和永久荷载标准值分别控制的方法。当横梁双向受力时,水平和竖向两个方向分别控制挠度。作为围护结构和装饰性结构,这种控制可以满足使用要求,也简化了设计工作量。 6.提示考虑荷载偏心产生的扭转影响 在框支承幕墙的横梁上,玻璃的重力是偏心施加的,会使梁产生扭转,当采用中空、夹层中空玻璃或偏心距较大时,梁受到的扭矩会较大,设计中要加以考虑。 (二)材料力学性能 1.玻璃的强度设计值分为三档 原规范玻璃的强度设计值按其厚度分为两档,由于级差过大,会出现玻璃加厚后承载力反而降低的不合理现象。现在将强度设计值按厚度分为三档,可以尽量避免这种情况。 2.明确玻璃侧面强度的概念。侧面是指玻璃切割后所形成的断面,其宽度等于玻璃的厚度。侧面强度低于大面强度,常用于螺栓或其它连接件产生的玻璃平面内受拉承载力计算和玻璃肋的受弯承载力计算等。 3.给出不锈钢的强度设计值取用方法,即按屈服强度 除以系数1.15后得到。 4.张拉索杆结构中,拉杆和拉索长期处于拉力状态下,宜有较高的安全度。拉杆强度设计值按屈服强度 除以系数1.4后取用;拉索的强度设计值按抗拉强度 除以系数1.8后取用。 5.在附录中列出了耐候钢的强度设计值和螺栓、焊缝、铆钉连接的强度设计值。 (三)荷载与地震作用 1.风荷载计算按《建筑结构荷载规范》GB50009执行。基本风压 按50年重现期采用。200m以上高度的幕墙、体型复杂及风环境复杂的幕墙宜进行风洞试验来决定风荷载取值。 2.地震作用计算时,动力系数 取值为5.0。并增加了两个地面加速度等级的地震系数(对应于7度半和8度半的烈度)。 (四)荷载和作用效应的组合 1.重力荷载分项系数 ,一般情况下取为1.2。当重力荷载效应有利时(如下端支承玻璃肋受弯计算时,自重产生轴压力与风荷载产生受弯的拉应力组合), 取为1.0;当重力荷载效应起控制作用时(如下端支承的受压钢柱,自重与风荷载组合),尚应考虑 为1.35的组合,相应风荷载的组合系数 取为0.6。 2.地震作用效应的组合系数 取为0.5。 3.在验算幕墙构件的挠度时,只验算风荷载标准值或重力荷载标准值作用下的挠度值,两者不进行组合(验算雨棚和采光顶构件时,应考虑风荷载和自重两者的共同作用,但这已超出本规范的范围)。 (五)连接设计 1.要求采用预埋件连接,预埋钢板和预埋槽应在混凝土浇筑前放入并固定其位置。在附录中列出了预埋钢板的设计方法。 2.没有条件采用预埋件时,可用后加锚栓固定连接件。后加锚栓应采用机械式锚栓或化学锚栓,在条文中还提出了后加锚栓应用中应遵守的事项。 3.砌体墙平面外承载力低,且连接件难以固定。所以条文中作出了增设钢或混凝土连接梁、柱的要求。 (六)密封胶 1.结构密封胶承载力设计公式采用了强度设计值,与其它部分的设计表达式一致。 2.在密封胶厚度计算时,对变位承受能力 的取值作出规定,采用应力为0.14MPa时的延伸率,这个数值可由厂家提供的应力-应变曲线得到。玻璃面板的位移 取为 ,明确 为风荷载作用下的最大层间位移角(此时胶缝的应力不会超过0.14MPa)。必要时 还应考虑温度的作用。六、框支承幕墙的设计 (一)玻璃面板设计 1.增加了玻璃最小厚度和中空玻璃、夹层玻璃前后片玻璃最大厚度差的规定。 2.在玻璃的应力和挠度计算中,考虑了玻璃大挠度工作状态,对计算值予以折减,引入了折减系数 。 3.挠度限值规定为短边边长的1/60。由于幕墙玻璃的挠度主要为风荷载产生,因此在计算挠度时可采用风荷载标准值进行计算。 4.给出了夹层玻璃和中空玻璃的计算方法。原规范中对夹层玻璃和中空玻璃等效厚度 的有关规定,只适用于两片等厚度、同类型玻璃的特例。一般情况下,外加荷载在两片玻璃上应按其刚度D比例分配,亦即按 或 比例分配。考虑到中空玻璃中前后片玻璃挠度有差异,将直接承受风荷载的前玻璃所分配的荷载加大10%。 (二)横梁设计 1.合理规定横梁截面最小厚度的要求。截面主要受力部分的最小厚度由三个条件决定:板件的宽厚比b / t;铝型材采用螺纹直接受力连接时的局部厚度不小于螺钉直径;铝型材跨度不大于1.2m时,最小2mm;跨度大于1.2m时,最小2.5mm。钢型材最小壁厚2.5mm。截面中不符合上述规定的部分,在截面设计时不予考虑。 2.提示横梁应进行受弯和受剪设计。当横梁采用开口截面时,还应考虑薄壁杆件约束扭转的影响,必要时应进行抗扭计算。 3.取消了原规范对横梁绝对挠度值的限值规定。原规定限值适用于跨度不大的梁。目前幕墙形式多样,梁的跨度变化很大,采用单一数值限制有时会很不合理。由相对挠度加以控制符合结构设计的一般习惯。所以本次修订将铝合金型材的挠度控制为跨度的1/180;钢型材控制为跨度的1/250。 (三)立柱设计 1.立柱截面最小厚度的控制原则与横梁类似。板件宽厚比和铝型材螺纹连接局部厚度要求与横梁相同。有差别的是规定铝型材截面开口部分最小壁厚为3mm,箱形部分最小壁厚为2.5mm;钢型材最小壁厚为3mm。截面不符合上述要求的部分,进行截面设计时不予考虑。 2.根据工程的实践经验,并考虑到上、下柱连接处即使插芯加长,也难以作为连续截面进行计算,所以闭口型材的插芯长度按250mm取用;开口型材可采用适当的型材或钢板连接。上、下柱连接构造可单边(上柱或下柱)用螺栓或焊缝固定,另一边为滑动配合。 3.立柱可以为拉弯构件,也有可能为压弯构件。两者均须进行承载力计算,压弯柱还须进行稳定性计算。规范第6.3.7条文中“轴压力”一词“压”字为误加,应删去,公式6.3.7同样适用于拉弯柱的计算。 4.横梁与立柱连接可以有多种方式,所以条文中采用“可采用螺栓连接”的表述,并不排除钢横梁与钢立柱采用焊接或其它连接方式的可能性。 七、全玻幕墙设计 本章是新增加的。全玻幕墙包括整根玻璃肋、靠胶缝传力的一般全玻幕墙;也包括驳接玻璃肋,用支承装置传力的点支承全玻幕墙。 (一)一般规定 1.更合理地规定玻璃的最大支承高度。底部支承大玻璃的稳定、平面外变形都与玻璃的厚度有关,原规范规定玻璃高度4.5m以上均须吊挂过于笼统,不尽合理。本规范按其不同厚度规定了不同的最大支承高度,比较合理。 2.全玻幕墙玻璃破裂的事例时有发生,多数情况下是玻璃被结构或装修夹持,变形受限所致。因此强调玻璃与周围的结构、装修和上、下槽口的空隙不小于8mm、支承垫块厚度不小于10mm,使玻璃有足够的变形、位移空间。 (二)面板 1.面板按支承情况分别按对边简支板或多点支承板进行应力和挠度计算,并考虑折减系数 。 2.面板在风荷载标准值作用下,挠度可按其跨度(点支承时为点支承沿长边间距)的1/60控制。 (三)玻璃肋 1.玻璃肋是全玻幕墙的主要支承结构,如果采用单片钢化玻璃,一旦自爆,难以及时采取抢救措施,全玻幕墙会有倒塌的危险。有些工程已发生过类似的险情。因此,用胶缝传力的全玻幕墙宁愿用浮法玻璃肋,也不采用单片钢化玻璃肋。 2.点支承全玻幕墙的驳接玻璃肋在连接处会产生高的应力,应采用夹层钢化玻璃。驳接接头应能承受玻璃肋作为偏心受拉(受压)构件所产生的内力。连接钢夹板厚度不应小于6mm,螺栓直径不应小于8mm。 3.玻璃肋高度大于8m时,应考虑玻璃肋的整体稳定问题;高度大于12m时,应采取措施对玻璃肋支撑或拉结,防止侧向失稳。 4.玻璃肋在风荷载标准作用下,挠度不宜大于跨度的1/200。公式7.3.3-2中,系数5/16应改为5/64。八、点支承玻璃幕墙设计 原规范不包含对于点支承幕墙的规定。近几年来,点支承幕墙广泛应用,技术水平迅速提高,本规范新增加了点支承玻璃幕墙结构设计一章。 (一)玻璃面板 1.点支承面板在支承点附近产生高的集中应力,应采用强度较高的钢化玻璃及其制成品。 2.采用支承钢爪时,玻璃要打孔,沉头式支承开锥形孔,由孔壁承力,玻璃应有较大的厚度,所以厚度不应小于8mm;浮头式支承由玻璃大面受力,可采用6mm玻璃。 3.点支承玻璃之间的空隙不应小于10mm,一般情况下应采用耐候胶嵌缝,无须密封的装饰性点支承玻璃之间可不用嵌缝。 4.点支承玻璃按多点支承受弯板计算应力和挠度,规范给出了四点支承板的计算用表。计算可考虑折减系数 。 5.点支承玻璃在风荷载标准值作用下挠度不宜大于点支承之间的长边间距的1/60。 (二)点支承装置 1.点支承装置应符合相关国家标准要求。支承装置要能适应玻璃变形的要求(例如支承钢爪设置球铰、支承夹板加垫层等)。夹板式支承应设置托板支承玻璃的自重。 2.支承装置只用于支承幕墙玻璃的荷载,不应兼作其它的用途(如悬挂其它重物等)。 (三)支承结构 1.用于点支承玻璃幕墙的支承结构,除少量采用接驳玻璃肋外,大量采用各种形式的钢结构。支承钢结构可以采用刚性结构(如单根构件、梁系、桁架、网架、网壳等),柔性结构(张拉索杆体系、索网等)以及刚柔混合结构。 2.支承钢结构单独承受玻璃面板传来的荷载和作用,不考虑面板玻璃与支承钢结构的共同工作。 3.一般情况下支承钢结构宜采用有限元方法进行结构分析,柔性结构体系宜考虑结构的几何非线性。简单的支承结构允许采用手算方法。 4.支承钢结构按《钢结构设计规范》GB50017进行设计。 5.支承钢结构必须保持结构体系的稳定性,张拉索杆体系还应在正反两个方向都形成可以承受风荷载的稳定结构体系。单根构件应符合长细比的要求,受压构件的无支承长度应满足λ不大于150、受拉构件应满足λ不大于250的要求。 6.拉杆和拉索应施加预拉力,预拉力要能使得在各种可能的荷载和作用下,拉杆与拉索能保持一定的拉力,不应出现压力。九、小 结 综上所述,《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ102-2003)对102-96进行了大幅度的修订,它总结了近年来我国玻璃幕墙工程设计与施工经验,反映了技术水平的迅速提高,它为今后一段时期我国幕墙工程提供更充分的技术依据,进一步促进幕墙工程技术的发展。

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