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摘要：為分析幕墻支承結構設計計算要點，作者運用現有建筑結構分析理論，對常見幕墻支承結構設計計算分析思路進行梳理，在幕墻支承結構荷載取值、支承結構設計、結構計算等方面提出了系統的方法。結論將為幕墻支承結構設計計算提供參考。
關鍵詞：可靠度; 極限狀態設計方法;設計使用年限（詞條“設計使用年限”由行業大百科提供）; 幕墻支承結構設計; 結構計算
建筑幕墻支承結構對于建筑所處環境的風荷載、地震及氣候特征等因素，應具有相應的適應能力與抵抗能力。在正常使用狀態下，應具有良好的工作性能。在多遇地震作用（詞條“地震作用”由行業大百科提供）下應能正常使用;在設防烈度地震作用下經一般修復后仍能繼續使用;在罕遇地震作用下幕墻支承結構構件不得脫落。
幕墻支承結構應根據傳力途徑對支承結構及連接與錨固等依次設計和計算。幕墻支承結構應具有足夠的承載能力（詞條“承載能力”由行業大百科提供）、剛度、穩定性和相對于主體結構的位移能力。主體結構應能夠承受幕墻傳遞的荷載和作用。連接件與主體結構的錨固承載力設計值應大于連接件本身的承載力設計值。必要時應校核主體結構與幕墻結構的相互影響。
本文對幕墻支承結構設計的幾個要點：安全等級、極限狀態設計方法、可靠度水平、設計基準期、設計使用年限、支承結構設計、構造設計等進行分析，明確了以上幾個結構概念。
1 幕墻支承結構安全等級及設計使用年限
1.1. 幕墻支承結構安全等級
幕墻支承結構是建筑幕墻中能承受面板（詞條“面板”由行業大百科提供）及連接的作用并具有適度剛度的由各連接部件有機組合而成的系統。幕墻支承結構構件是幕墻支承結構在物理上可以區分出的部件。幕墻支承結構模型是用于幕墻支承結構分析及設計的理想化幕墻支承結構體系。
幕墻支承結構設計時，應根據支承結構破壞可能產生的后果，采用不同的安全等級。安全等級統一劃分為一級、二級、三級共三個等級，大量的一般結構列入二級，大型公共建筑等重要結構列為一級，小型或臨時性儲存建筑等次要結構列為三級。設計文件中應明確幕墻支承結構的安全等級。
同一建筑結構中的各種結構構件一般與整體結構采用相同的安全等級，可根據具體結構構件的重要程度和經濟效果進行適當調整。
1.2. 極限狀態設計方法及可靠度水平
幕墻支承結構極限狀態是幕墻支承結構超過某一特定狀態就不能滿足規定的某一功能要求，此特定狀態為該功能的極限狀態。
極限狀態設計方法是不使結構超越規定極限狀態的設計方法。
幕墻支承結構極限狀態分為承載能力極限狀態、正常使用極限狀態、耐久性極限狀態。
采用以概率理論為基礎的極限狀態設計方法，用分項系數（詞條“分項系數”由行業大百科提供）設計表達式計算,分為承載能力極限狀態設計、正常使用極限狀態設計、耐久性極限狀態設計。
幕墻支承結構持久設計狀況是在幕墻支承結構使用過程中一定出現，且持續期很長的設計狀況，其持續期一般與設計使用年限為同一數量級。適用于幕墻支承結構使用時的正常情況。
幕墻支承結構短暫設計狀況是在幕墻結構施工和使用過程中出現概率較大，與幕墻支承結構的設計使用年限相比，持續期很短的設計狀況。適用于幕墻支承結構出現的臨時情況，如施工、維修情況。
幕墻支承結構偶然設計狀況是在幕墻結構施工和使用過程中出現概率較小，與幕墻支承結構的設計使用年限相比，持續期很短的設計狀況。適用于幕墻支承結構出現的異常情況，如撞擊、爆炸、火災情況。
幕墻支承結構地震設計狀況是在幕墻支承結構遭受地震的設計狀況。適用于幕墻支承結構遭受地震的情況。
承載能力極限狀態是對應于幕墻結構或結構構件達到最大承載力或不適于繼續承載的變形的狀態。當幕墻支承結構或結構構件出現下列狀態之一時，就認定超過承載能力極限狀態：幕墻支承結構構件或連接因應力超過材料強度而破壞，或應過度變形而不適于繼續承載(如幕墻支承鋼結構（詞條“鋼結構”由行業大百科提供）已經達到屈服強度，變形持續擴大，無法繼續承載);幕墻支承結構或結構構件喪失穩定(如幕墻空間結構已經喪失穩定，如超高全玻幕墻玻璃肋結構已經側向失去穩定，無法繼續承載);幕墻支承結構或結構構件疲勞破壞(如幕墻開啟窗結構及連接多次啟閉已經疲勞破壞，無法繼續承載)。
正常使用極限狀態是對應于幕墻支承結構或支承結構構件達到正常使用的某一項規定限值的狀態。當幕墻支承結構或結構構件出現下列狀態時，就認定超過正常使用極限狀態：影響幕墻正常使用或建筑外觀效果的變形(如玻璃幕墻變形過大)。
正常使用極限狀態包括不可逆正常使用極限狀態和可逆正常使用極限狀態。
不可逆正常使用極限狀態是當產生超越正常使用的作用卸除后，該作用產生的后果不可恢復的正常使用極限狀態。
可逆正常使用極限狀態是當產生超越正常使用的作用卸除后，該作用產生的后果可恢復的正常使用極限狀態。
耐久性極限狀態是對應于幕墻支承結構或支承結構構件在環境影響下出現的劣化達到耐久性能的某一項規定限值或標志的狀態。當幕墻支承結構或支承結構構件出現下列狀態之一時，就認定超過耐久性極限狀態：影響幕墻承載能力和正常使用的材料性能劣化(如幕墻支承鋼結構防腐涂層已經喪失保護作用，密封膠老化);影響幕墻耐久性能的裂縫、變形、缺口、外觀、材料削弱(如玻璃支承結構的玻璃肋邊有缺口)。
幕墻支承結構設計應對幕墻結構各極限狀態分別進行分析計算，幕墻結構在正常情況下即持久設計狀況時，承載能力極限狀態或正常使用極限狀態的計算起控制作用。
作用效應是由作用引起的幕墻支承結構或幕墻支承結構構件的反應。包括構件截面內力(拉力、壓力、剪力、彎矩、扭矩)及變形、裂縫。
結構抗力是幕墻支承結構和幕墻支承結構構件承受作用效應和環境影響的能力。
對幕墻支承結構的環境影響可分為永久影響、可變影響、偶然影響。
對幕墻支承結構的環境影響可具有機械的、物理的、化學的、生物的性質，有可能使幕墻支承結構的材料性能隨時間方式不同程度的退化，行不利方向發展，降低材料力學性能，影響幕墻支承結構的安全性和適用性。其中環境濕度的因素最關鍵。
對幕墻支承結構的環境影響應盡量采用定量描述，也可根據材料特點，按其抗侵蝕性的程度劃分等級，設計按等級采取相應構造措施。
幕墻支承結構對持久設計狀況(如幕墻支承結構使用時正常情況)應進行承載能力極限狀態設計，采用作用的基本組合;應進行正常使用極限狀態設計;宜進行耐久性極限狀態設計。
幕墻支承結構對短暫設計狀況(如幕墻支承結構施工、維修時情況)應進行承載能力極限狀態設計，采用作用的基本組合;根據需要進行正常使用極限狀態設計;可不進行耐久性極限狀態設計。
幕墻支承結構對偶然設計狀況(如撞擊、爆炸、火災情況)應進行承載能力極限狀態設計，采用作用的偶然組合;可不進行正常使用極限狀態設計;可不進行耐久性極限狀態設計。
幕墻支承結構對地震設計狀況應進行承載能力極限狀態設計，采用作用的地震組合;根據需要進行正常使用極限狀態設計;可不進行耐久性極限狀態設計。
幕墻支承結構設計值應采用按各作用組合中最不利的效應設計值。
幕墻支承結構極限狀態設計應使幕墻支承結構的抗力大于等于幕墻支承結構的作用效應。
幕墻支承結構可靠度是幕墻結構在規定的時間內，在規定的條件下，完成預定功能的概率。
幕墻支承結構設計應使幕墻支承結構在規定的設計使用年限內以規定的可靠度滿足規定的各項功能要求。功能要求包括安全性、適用性、耐久性。
可靠度水平的設置應根據幕墻支承結構的安全等級、失效模式確定，對安全性、適用性、耐久性可采用不同的可靠度水平。
可靠度應采用可靠指標度量，而可靠指標應根據分析結合使用經驗確定。可靠指標是度量幕墻支承結構構件可靠性大小的尺度，目標可靠指標是分項系數法采用的各分項系數取值的基本依據。安全等級每相差一級，可靠指標取值相差0.5。
幕墻支承結構持久設計狀況按承載能力極限狀態設計的可靠指標是以結構安全等級劃分為二級時延性破壞取值3.2作為基準，其他情況相應增加減少0.5。可靠指標與失效概率（詞條“失效概率”由行業大百科提供）運算值負相關。
幕墻支承結構持久設計狀態按正常使用極限狀態設計的可靠指標是根據作用效應的可逆程度在0至1.5間選取，作用效應可逆程度較高的可靠指標作用效應取低值，作用效應可逆程度較低的可靠指標作用效應取高值。作用效應可逆的可靠指標作用效應取0，作用效應可逆程度較低的可靠指標作用效應取1.5。
幕墻支承結構持久設計狀態按耐久性極限狀態設計的可靠指標是根據作用效應作用效應的可逆程度在1.0至2.0間選取。
1.3. 設計使用年限
幕墻支承結構的設計使用年限是設計規定的幕墻支承結構或幕墻支承結構構件不需大修即可按照預定目的使用的年限。
當界定幕墻為易于替換的結構構件時，幕墻支承結構的設計使用年限為25年;當界定幕墻為普通房屋和構筑物的結構構件時，幕墻支承結構的設計使用年限為50年;當界定幕墻為標志性建筑（詞條“標志性建筑”由行業大百科提供）和特別重要的建筑結構時，幕墻支承結構的設計使用年限為100年。
當建筑設計有特殊規定時，幕墻支承結構的設計使用年限按照規定確定且不應小于25年。
2 支承結構設計
2.1. 支承結構設計及結構分析原則和結構模型
幕墻支承結構應按圍護結構設計。幕墻支承結構設計應考慮永久荷載（詞條“永久荷載”由行業大百科提供）、風荷載、地震作用和施工、清洗、維護荷載。大跨度空間結構和預應力結構應考慮溫度作用。可分別計算施工階段和正常使用階段的作用效應。斜幕墻還應考慮雪荷載、活荷載、積灰荷載。
幕墻結構設計值應采用按各作用組合中最不利的效應設計值。幕墻結構極限狀態設計應使幕墻結構的抗力大于等于幕墻結構的作用效應。幕墻結構承載能力極限狀態設計應使幕墻結構的抗力設計值與結構重要性系數的乘積大于等于幕墻結構的作用效應設計值。幕墻結構正常使用極限狀態設計應使幕墻結構的撓度值不大于其相應限值。幕墻結構耐久性極限狀態設計應使幕墻結構構件出現耐久性極限狀態標志或限值的年限大于等于幕墻結構的設計使用年限。
幕墻支承結構分析是確定支承結構上作用效應的過程和方法。可采用結構計算、結構模型試驗、原型試驗(如幕墻抗風壓性能試驗)等方法。
幕墻支承結構分析的精度應能滿足支承結構設計要求，必要時宜進行試驗驗證(如點支式玻璃幕墻點支承裝置及玻璃孔邊應力分析)。
幕墻支承結構分析宜考慮環境對幕墻結構的材料力學性能（詞條“力學性能”由行業大百科提供）的影響(如濕度對結構膠)。對幕墻支承結構的環境影響可根據材料特點，按其抗侵蝕性的程度劃分等級，設計按等級采取相應構造措施。
建立幕墻支承結構分析模型一般要對支承結構原型適當簡化，突出考慮決定性因素，忽略次要因素，合理考慮構件及連接的力-變形關系因素。采用的基本假定和計算模型應能夠合理描述所考慮的極限狀態幕墻支承結構的作用效應。
2.2. 風荷載計算
根據《建筑結構荷載規范》規定取值或采用風洞試驗確定風荷載。對于臺風地區，應根據施工階段對局部體型系數和內壓系數進行補充驗算。
2.3. 地震作用計算及溫差變化考慮
根據《建筑抗震設計規范》GB50011-2010規定。結構構件的地震作用只考慮由自身重力產生的水平方向地震作用和支座間相對位移產生的附加作用，采用等效側力方法計算。
溫度作用方面，對于溫度變化引起的幕墻構件和玻璃的熱脹冷縮，在構造上可以采取相應措施有效解決，避免因構件間擠壓產生溫度應力造成構件破壞，如連接間隙預留間隙。
《建筑抗震設計規范》GB50011-2010之3.7.1明確規定：非結構構件自身及其與結構主體的連接，應進行抗震（詞條“抗震”由行業大百科提供）設計;3.7.4再規定：圍護墻應估計其設置對結構抗震的不利影響，避免不合理設置而導致主體結構的破壞;3.7.5還規定：幕墻、裝飾貼面與主體結構應有可靠連接，避免地震時脫落傷人。因此，本文在進行幕墻結構設計時計算主要作用效應重力荷載和風荷載。
進行幕墻構件的承載力計算時，當重力荷載對幕墻構件的承載能力不利時，重力載荷和風載荷作用的分項系數(γG、γW)應分別取1.3和1.5;當重力荷載對幕墻構件的承載能力有利時(γG、γW)應分別取1.0和1.5。
2.4. 作用及效應計算
幕墻支承結構應按各效應組合中的最不利組合設計。建筑物轉角部位、平面或立面突變部位的構件和連接應作專項驗算。
幕墻支承結構計算模型應與結構的工況相一致。采用彈性方法計算幕墻支承結構時，先計算各荷載與作用的效應，然后將荷載與作用效應組合。考慮幾何非線性影響計算幕墻結構時，應將荷載與作用組合后計算組合荷載與作用的效應。
規則構件可按解析或近似公式計算作用效應。具有復雜邊界或荷載的構件，可采用有限元方法計算作用效應。采用有限元方法作結構驗算時，應明確計算的邊界條件、模型的結構形式、截面特征、材料特性、荷載加載情況等信息。轉角部位的幕墻支承結構應考慮不同方向的風荷載組合（詞條“荷載組合”由行業大百科提供）。
變形較大的幕墻支承結構，作用效應計算時應考慮幾何非線性影響。對于復雜結構體系、桁架（詞條“桁架”由行業大百科提供）支承結構及其它大跨度鋼結構，應考慮結構的穩定性。
幕墻支承結構和主體結構的連接應滿足幕墻的荷載傳遞，適應主體結構和幕墻間的相互變形，消減主體結構變形對幕墻體系的影響。異型空間結構及索結構應考慮主體結構和幕墻支承結構的協同作用，應會同主體結構設計對主體結構和幕墻結構整體計算分析。
2.5. 支承結構構件設計
構件式幕墻非對稱截面橫梁（詞條“橫梁”由行業大百科提供）應按彎曲或彎扭構件計算。當橫梁為開口截面型材時，應按薄壁彎扭構件設計和計算。
構件式幕墻橫梁截面按照面板作用于橫梁上的荷載和橫梁不同支承狀況產生的彎矩、剪力和扭矩計算確定。橫梁承受軸向力（詞條“軸向力”由行業大百科提供）時，尚應驗算軸向力影響。構件式幕墻橫梁與立柱的連接應能承受垂直于幕墻平面的水平力、幕墻平面內的垂直力及繞橫梁水平軸的扭轉力，其連接構造，緊固件尺寸、數量應由計算確定。應驗算橫梁和立柱的連接，包括連接件及其與立柱之間所用螺釘、螺栓的抗剪、型材擠壓、連接件扭轉受剪等。幕墻立柱宜采用上端懸掛方式。立柱下端支承時，應作壓彎構件設計，對受彎平面內和平面外作受壓穩定驗算，按《鋁合金結構設計規范》GB50429和《鋼結構設計標準》GB50017的規定驗算。梁柱雙向滑動連接、銷釘連接不能作為立柱的側向約束。
鋼鋁組合截面立柱構造截面中，不參與組合截面共同工作的鋁材部份，仍須按實際受力狀況作局部受力和連接部位的強度計算。鋼鋁共同工作構件應有可靠的連接措施保障二者變形協同，組合截面可按剛度分配原理。鋼鋁共同工作的組合截面，應按材料力學方法驗算兩種型材間的剪力傳遞，按計算要求設置抗剪螺釘。
單元式幕墻支承結構計算根據傳力途徑依次復核單元板塊各板塊的承載能力。板塊及連接承載力、剛度等應能滿足運輸、吊裝（詞條“吊裝”由行業大百科提供）要求。單元板塊連接應分別復核吊裝和使用狀態下的承載能力，板塊與主體結構的連接點不應對板塊產生初始應力。吊裝孔位于構件應力較大的區域時，對該部位應專門計算設計。荷載偏心對計算結果影響明顯時，應考慮荷載偏心產生的效應。復核頂橫梁與立柱連接、單元板塊與主體結構連接時應計入相鄰上單元板塊傳遞的荷載。
單元式幕墻采用對接組合構件時，對接處橫梁與立柱應分別按其所承受的荷載和作用計算。單元式幕墻采用插接式組合構件時立柱的荷載計算應按照左、右立柱協同變形分配荷載后按各自承擔的荷載及作用分別計算。大型、弧面及其他異型單元板塊的連接結構設計應采用有限元方法計算分析，可設置板內支撐系統加強整體剛度。
高度在12米以上吊掛全玻璃幕墻的玻璃肋應進行平面外穩定驗算，轉角處應驗算整體穩定。
點支式玻璃幕墻支承結構設計不考慮玻璃面板剛度的影響。點支承玻璃幕墻的支承結構體系采用玻璃結構時應采用空間結構有限元分析方法，必要時采用結構試驗驗證計算。
幕墻索結構設計應符合《索結構技術規程》JGJ257及《點支式玻璃幕墻工程技術規程》CECS127的規定。在任何荷載作用組合下拉索均應保持受拉狀態。幕墻索結構計算應考慮幾何非線性影響。幕墻索結構荷載狀態分析應在初始預應力狀態的基礎上，考慮永久荷載、活荷載、雪荷載、風荷載、地震作用、溫度作用、主體結構變形作用及施工荷載。溫度效應組合系數取0.6，溫差取張拉階段與使用階段的最大絕對值。幕墻索結構與主體結構的連接應能適應主體結構的位移，主體結構應能承受幕墻索結構的支座反力。索結構撓度限值應會同主體結構設計共同確定。
2.6. 強度設計值
強度設計值應按《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ102-2003、《鋁合金結構設計規范》GB 50429-2007、《鋼結構設計標準》GB 50017-2017、《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》GB 50018、《金屬與石材幕墻工程技術規范》、《人造板材幕墻工程技術規范》JGJ336的規定采用。
2.7. 撓度限值
撓度限值應符合《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ102、《建筑玻璃應用技術規程》JGJ113、《金屬與石材幕墻工程技術規范》JGJ133的規定、《人造板材幕墻工程技術規范》JGJ336的規定。
3 結論
針對幕墻結構設計的幾個要素：安全等級、極限狀態設計方法、可靠度水平、設計基準期、設計使用年限、支承結構設計、面板及連接設計等進行分析，本文進行了其內在本質的邏輯關系，明確了以上幾個結構概念，為理清幕墻結構設計思路建立了良好的理論基礎。提出主要的觀點：幕墻結構設計使用年限應在設計中規定;會通過結構試驗方法來證明特殊幕墻結構計算經驗公式。
作者單位：廣東世紀達建設集團有限公司
