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設計中常見的幾個安全問題


1.前言

在幕牆設計過程中,經常會遇到一些常見的安全問題,而有些問題,往往容易被設計人員忽視或誤解,這些安全問題主要以下:開口橫梁的連接角碼抗扭;臨空欄杆立柱計算;超白鋼化玻璃自爆率;幕牆防火層設計;玻璃幕牆室內護欄;石材幕牆的掛件設計。
下麵分別對以上這幾個常見的安全問題進行闡述。
2.開口橫梁的連接角碼抗扭
  開口橫梁是一種常見的幕牆構造形式,橫梁通過開口腔內的連接角碼固定在立柱上,早年的玻璃幕牆主要是單層玻璃,自重不大,現在主要采用中空甚至中空夾層玻璃,玻璃的自重最少增加一倍,但設計時卻往往容易忽視連接角碼的抗扭強度計算,造成橫梁外傾嚴重,甚至角碼出現剪切破壞。下麵通過一個示例來簡單計算一下,連接角碼在僅考慮玻璃自重的情況下的最大剪應力,計算參數詳見圖1。

開口橫梁連接角碼示意圖


(1)基本參數:
玻璃幕牆分格假設為1200(寬)x1800(高)mm,玻璃采用6+12A+6mm中空玻璃;
角碼采用6063-T6,抗剪強度設計值為85MPa,受扭截麵為54x4mm;
玻璃偏心距離 e為51mm;
角碼固定在立柱上的豎邊厚度對開口橫梁的抗扭有利,但考慮到加工及安裝誤差的影響,角碼豎邊與開口橫梁的搭接量有限,並且計算複雜,為簡化計算,故未考慮。
(2)角碼在玻璃自重作用下的抗扭強度計算:
玻璃自重設計值 G=1.3×1.2×1.8×0.012×25.6=0.86 kN
單個橫梁角碼扭矩 Mw=G⁄2×e=0.43×0.051=0.022 kN.m
當n=54⁄(4=13.5>4)時
矩形抗扭截麵係數 Wk=((n-0.63)b3)⁄3=((13.5-0.63)×43)⁄3=274.6 mm3
​最大純扭剪應力 τ=Mw⁄(Wk=) 80.1MPa < 85MPa,滿足計算要求。
從以上計算結果可知,在僅考慮純扭作用下產生的剪應力的前提下,當玻璃配置為6+12A+6mm,分格為1.2x1.8米的中空玻璃時,連接角碼應采用材質6063-T6鋁型材,橫梁連接角碼基本滿足計算要求。
  僅考慮玻璃自重的前提下,表1匯總了常見玻璃配置下橫梁角碼承受的玻璃最大麵積臨界表,表中數據僅供參考,實際計算中應考慮水平風荷載偏心作用下的扭矩,以及在風荷載和自重作用下的橫梁角碼承受的剪力等因素。如相應的玻璃配置超過最大麵積臨界值時,應采用可靠的橫梁固定方式,如C形槽或閉口連接型材,以避免橫梁外傾下墜甚至可能造成連接角碼破壞。

常見玻璃配置下橫梁角碼承受玻璃最大麵積臨界表

​​


​三、臨空欄杆立柱計算
作為重要的建築幕牆危險源之一,臨空欄杆的立柱計算尤為重要,但設計人員在計算欄杆立柱時,通常隻是單獨考慮風荷載和欄杆頂部的水平荷載,在兩者中取大值,但國家標準《建築結構荷載規範》GB50009-2012第5.5.3條明確欄杆荷載的組合值係數應取0.7,即應考慮兩種荷載組合工況:
風荷載+0.7x欄杆頂部水平荷載;
欄杆頂部水平荷載+0.6x風荷載。
下麵通過示例來簡單計算一下欄杆立柱在組合荷載作用下的受力情況。
(1)基本參數:
假設欄杆水平分格為1200mm,欄杆扶手高度為1150mm;
立柱采用10mm厚Q235B鋼板,抗彎強度設計值為215MPa,立柱截麵高度為100mm;
深圳地區,地麵粗糙度為C類,欄杆隻考慮所在標高5m,局部體型係數取1.625,則風荷載標準值為1.793kPa。
(2)立柱抗彎強度:
​風荷載作用下立柱根部彎矩 Mf=(1.5×1.793×1.2×1.152)⁄2=2.13 kN.m
頂部水平荷載作用下立柱根部彎矩 Ms=1.5×1.0×1.2×1.15=2.07 kN.m
如隻計算兩者中較大荷載作用下立柱抗彎強度。​
立柱截麵抵抗矩 Wx=(10×1002)⁄6=16666.7 mm³
立柱根部最大應力 σmax=Mf⁄Wx = 128.0MPa < 215MPa,視乎滿足計算要求。
但考慮風荷載控製作用下的立柱荷載組合時
立柱根部最大彎曲 Mmax=Mf+0.7×Ms=3.58 kN.m
立柱根部最大應力 σmax=Mmax⁄Wx = 215MPa,則基本滿足計算要求。
由此可見,深圳地區欄杆立柱如采用Q235鋼板,則最小截麵應不小於100x10mm厚,否則不滿足結構計算要求。如采用不鏽鋼板,根據計算則最小截麵應不小於110x10mm厚。當然,欄杆立柱根部與主體結構的連接至關重要,也應重點計算。
表2中匯總了在不同風荷載標準值作用下,采用Q235鋼板和不鏽鋼板的欄杆立柱截麵尺寸分別見下表,欄杆分格為常用的1200mm(水平分格)x1150mm(高)。另外,表中/前麵的尺寸為Q235鋼板,/後麵的尺寸為不鏽鋼板,表中尺寸僅供參考,從表中可以看出,不鏽鋼板截麵高度需比Q235鋼板大10mm。

不同風荷載標準值對應的欄杆立柱截麵匯總表

​  四、超白鋼化玻璃自爆率
  十年前,超白鋼化玻璃一度成為超低自爆率的神話故事,萬分之一的自爆率經國內一些著名的玻璃廠家炒作後,成為了控製鋼化玻璃自爆的一個重要手段,在行業標準《玻璃幕牆工程技術規範》JGJ 102修編版中明確“玻璃幕牆的麵板,除夾層玻璃外應選用鋼化超白浮法玻璃、均質鋼化玻璃及其製品”,將超白鋼化與均質鋼化處理並列使用。當時最著名的依據是普通玻璃約每4~8噸存在一粒NiS,而超白玻璃約每600~800噸才存在一粒NiS,所以,超白鋼化玻璃的自爆概率成幾何數量級下降。
  但是,經過大量的工程實踐發現,目前國內的超白鋼化玻璃在外觀上確實較普通鋼化玻璃透明很多,而自爆率卻遠遠沒有玻璃廠家宣傳的那樣優秀。深圳某幕牆工程原設計采用的普通鋼化玻璃,建設單位認為鋼化玻璃的自爆數量比較高,且有安全隱患,在聽取了超白鋼化玻璃的相關介紹後,將原鋼化玻璃全部更換為國內一線品牌的超白鋼化玻璃,並沒有再進行均質處理,以為可以解決絕大部分問題了,極個別鋼化玻璃再自爆也就認了,不曾想完成超白鋼化玻璃的更換後,經物業幾年的統計,超白鋼化玻璃的自爆數量與鋼化玻璃基本相同,甚至還超過了鋼化玻璃的自爆數量。同期,其它幾個幕牆工程也陸續發現了相同的情況,涉及國內絕大部分的一線玻璃品牌。通過這些幕牆工程實踐總結,才真正意識到超白鋼化玻璃的自爆概率遠沒有以前傳說中的那樣低。
  根據國內一線品牌玻璃廠家提供的超白鋼化玻璃在做均質處理時的統計數據,也從另一個方麵驗證了這一點,表中對4家國內一線品牌玻璃生產廠家的超白鋼化玻璃均質熱浸處理過程中,對鋼化玻璃自爆進行長時間跟蹤的統計匯總,不過,支持表中數據的相關信息如玻璃厚度、玻璃麵積等均缺失,這些僅供參考。


超白鋼化玻璃均質處理中自爆統計匯總表

​​通常,玻璃行業內普遍認可鋼化玻璃自爆率的正常水平一般為3‰,當然,這隻是籠統的進行比較,並不科學,但從表3可以看,統計樣板中超白鋼化玻璃的平均自爆率基本與鋼化玻璃相近,隻有一個玻璃廠家的超白鋼化玻璃的自爆率較低,但也遠遠達不到萬分之一的水平,而按標準要求經過均質處理的鋼化玻璃是能夠達到萬分之一自爆率的水平。
  從以上分析可以得出,目前以國內現有原片、工藝生產的絕大部分超白鋼化玻璃並不能解決降低自爆率的問題,隻有通過均質處理的鋼化玻璃才能真正實現大大降低自爆率。國外幕牆工程通常都是采用均質處理的玻璃作為鋼化玻璃降低自爆率的唯一的技術要求,而不是也可采用超白玻璃。
  所以,降低鋼化玻璃的自爆率,以目前的行業狀況,隻能采取均質處理的鋼化玻璃,而不是選用超白的鋼化玻璃,當然,前提是均質熱浸處理的鋼化玻璃必須嚴格按照國標《建築用安全玻璃 第四部分:均質鋼化玻璃》GB15763.4-2009的相關規定執行,並且嚴格控製升溫速度和爐內溫度的均勻性。另外,如果國內鋼化玻璃的標準能象國外標準那樣,將鋼化玻璃的表麵應力降到69MPa,我想能解決很大一部分鋼化玻璃自爆的問題。

  五、幕牆防火層設計

  幕牆防火層關係到幕牆結構乃至整個建築的安全,但在幕牆防火層設計中,一些設計人員往往對幕牆防火層的設計原理理解不清,導致構造設計存在安全隱患。如圖2所示,某幕牆項目的防火層節點設計就具有較普遍的代表性,主要有以下幾個方麵的問題:

​ 幕牆防火層常見問題示意圖
(1)梁底部防火層黃色部位的局部防火層厚度小於100mm,局部應進行加厚;

(2)如樓板部位不設計防火封堵層,一旦層間梁位置的幕牆玻璃麵板受熱炸裂後,下層的煙火將沿著箭頭方向竄到上一層樓麵,除非層間梁位置的背板也采用鍍鋅鋼板加100mm厚防火岩棉。所以,幕牆防火設計應設置兩道防火封堵層,確保幕牆防火安全。

(3)懸挑超過300mm以上的防火層,如支撐在鋁合金橫梁上,一旦橫梁遭受火災軟化失效,將直接導致梁底部防火層垮塌。所以,梁底部防火層應設置獨立的支承結構,並直接與主體結構連接固定。

(4)當主體結構不燃燒牆體高度小於800mm時,幕牆防火層底部至結構頂麵的有效高度應不小於800mm,同時,幕牆防火層構件係統的耐火極限應不低於1小時。幕牆防火層構件可采用國家標準《建築設計防火規範》GB 50016-2014附錄中的附表1“各類非木結構構件的燃燒性能和耐火極限”非承重牆部分提供的構件,如采用兩塊8mm厚矽酸鈣板中間填厚度為75mm以上,容重為100kg/m3的岩棉等,也可采用經國家級相關權威機構認可的其它防火構件。

  所以,當主體結構不燃燒牆體高度大於800mm時,且防火層懸挑距離小於300mm時,幕牆宜設置兩道防火封堵層;當主體結構不燃燒牆體高度小於800mm時,且防火層懸挑距離大於300mm時,幕牆應設置兩道防火層,防火層構件係統的耐火極限應滿足不小於1小時要求。​​

幕牆防火層設計示意圖​
​​六、玻璃幕牆室內安全護欄
  在玻璃幕牆設計中,建築師往往要求玻璃幕牆應設置室內安全護欄,設置的依據是《民用建築設計統一標準》GB50352-2019、《住宅設計規範》GB50096-2011以及《建築玻璃應用技術規程》JGJ 113-2015等,這些標準裏是否有要求設置室內安全護欄的相關規定呢?下麵主要針對這三部標準分別進行解讀。
  (1)《民用建築設計統一標準》裏關於欄杆的內容主要是在第6.7.3條、第6.11.6條和第6.12.4條。6.7.3條“陽台、外廊、室內回廊、內天井、上人屋麵及室外樓梯等臨空處應設置防護欄杆”,這條指的是臨空處的欄杆,顯然與幕牆室內護欄無關;6.12.4條“建築幕牆設置的防護設施應符合本標準第6.11.6條的規定”,所以主要看6.11.6條;6.11.6條“窗的設置應符合下列規定:3公共建築臨空外窗的窗台距樓地麵淨高不得低於0.8m,否則應設置防護設施,防護設施的高度由地麵起算不應低於0.8m。4居住建築臨空外窗的窗台距樓地麵淨高不得低於0.9m,否則應設置防護設施,防護設施的高度由地麵起算不應低於0.9m”,從這條可以看出,應設置防護設施的前期條件是臨空外窗,也就是說隻有幕牆上設置了可開啟外窗的部位且防護高度不滿足標準要求時,才需要設置防護設施,而不是所有玻璃幕牆都必須設置室內安全護欄作為安全設施。
  (2)《住宅設計規範》的6.1節“窗台、欄杆和台階”裏也有與《民用建築設計統一標準》類似的規定,但都是指外窗部分。
  (3)《建築玻璃應用技術規程》第7.3.2條規定“根據易發生碰撞的建築玻璃所處的具體部位,可釆取在視線高度設醒目標誌或設置護欄等防碰撞措施。碰撞後可能發生高處人體或玻璃墜落的,應采用可靠護欄”。首先在易發生碰撞的建築玻璃的部位,是“可”釆取醒目標誌“或”設置護欄,“可”是嚴格程度最低的用詞,換句話說就是也可不采用,或采用醒目標誌,不一定非要設置護欄;其次,玻璃幕牆的可碰撞部位的玻璃都為雙層,甚至三層玻璃,即使撞碎室內側玻璃,可能發生高處人體或玻璃墜落的概率也極低,所以也沒有要求必須采用安全護欄。
  其它標準尚未找到相關要求,所以,玻璃幕牆應在室內設置安全護欄的要求沒有標準依據,但可能發生碰撞的玻璃應嚴格按《建築玻璃應用技術規程》第7章“建築玻璃防人體衝擊規定”中安全玻璃最大許用麵積的相關規定執行。

七、石材幕牆的掛件設計

  石材幕牆采用背栓連接方式是常用做法,石材通過背栓與鋁型材掛件連接,詳見圖4。鋁型材掛件一般分為雙掛勾和單掛勾,雙掛勾由於上下兩個掛勾與鋁型材轉接件掛接,故能抵抗正、負風壓下的作用,而單掛勾隻與鋁型材角碼上部進行掛接,在石材承受負風壓時,掛件A截麵會產生一定的彎矩,需對該截麵進行強度校核。


石材幕牆背栓式雙掛勾、單掛勾掛件節點
​下麵通過示例來簡單計算一下鋁型材掛件在負風壓作用下的A截麵的受力情況。

  基本參數:

  假設石材麵板的麵積為1.0㎡,采用4個背栓固定,風荷載標準值為2kPa;

  石材自重由上部的鋁型材掛件承擔,考慮4個點受力的不均勻係數1.25;

  下部石材掛件為6063-T6,寬度為60mm,掛件A截麵壁厚4mm,受力偏心距為30mm。

  掛件抗彎強度:

  負風壓作用下掛件A截麵處集中力 F=(1.5×2.0×1.0×1.25)⁄4=0.938 kN

  掛件A截麵彎矩 Mf=0.938×0.03=0.028 kN.m

  抵抗矩 Wx=(60×42)⁄6=160 mm³

  掛件A截麵最大應力 σmax=Mf⁄Wx = 175.8MPa > 150MPa,不滿足計算要求。

  所以,石材采用單掛勾進行掛接時,往往容易忽視A截麵處的強度計算,在風荷載不大的條件下,通過上述計算可以看出,單掛勾掛件存在一定的安全隱患,需根據石材分格、風荷載以及掛件的厚度、偏心距等的具體情況進行強度複核,避免出現設計安全問題。當然,其它人造板幕牆如采用相同的構造設計時,也同樣應引起重視。





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