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摘要：为分析幕墙支承结构（词条“支承结构”由行业大百科提供）设计计算要点，作者运用现有建筑结构分析理论，对常见幕墙支承结构设计计算分析思路进行梳理，在幕墙支承结构荷载（词条“荷载”由行业大百科提供）取值、支承结构设计、结构计算等方面提出了系统的方法。结论将为幕墙支承结构设计计算提供参考。
关键词：可靠度; 极限状态设计方法;设计使用年限; 幕墙支承结构设计; 结构计算
建筑幕墙支承结构对于建筑所处环境的风荷载（词条“风荷载”由行业大百科提供）、地震及气候特征等因素，应具有相应的适应能力与抵抗能力。在正常使用状态下，应具有良好的工作性能。在多遇地震作用下应能正常使用;在设防烈度地震作用下经一般修复后仍能继续使用;在罕遇地震作用下幕墙支承结构构件不得脱落。
幕墙支承结构应根据传力途径对支承结构及连接与锚固等依次设计和计算。幕墙支承结构应具有足够的承载能力（词条“承载能力”由行业大百科提供）、刚度、稳定性和相对于主体结构的位移能力。主体结构应能够承受幕墙传递的荷载和作用。连接件与主体结构的锚固承载力设计值应大于连接件本身的承载力设计值。必要时应校核主体结构与幕墙结构的相互影响。
本文对幕墙支承结构设计的几个要点：安全等级、极限状态设计方法、可靠度水平、设计基准期、设计使用年限、支承结构设计、构造设计等进行分析，明确了以上几个结构概念。
1 幕墙支承结构安全等级及设计使用年限
1.1. 幕墙支承结构安全等级
幕墙支承结构是建筑幕墙中能承受面板及连接的作用并具有适度刚度的由各连接部件有机组合而成的系统。幕墙支承结构构件是幕墙支承结构在物理上可以区分出的部件。幕墙支承结构模型是用于幕墙支承结构分析及设计的理想化幕墙支承结构体系。
幕墙支承结构设计时，应根据支承结构破坏可能产生的后果，采用不同的安全等级。安全等级统一划分为一级、二级、三级共三个等级，大量的一般结构列入二级，大型公共建筑等重要结构列为一级，小型或临时性储存建筑等次要结构列为三级。设计文件中应明确幕墙支承结构的安全等级。
同一建筑结构中的各种结构构件一般与整体结构采用相同的安全等级，可根据具体结构构件的重要程度和经济效果进行适当调整。
1.2. 极限状态设计方法及可靠度水平
幕墙支承结构极限状态是幕墙支承结构超过某一特定状态就不能满足规定的某一功能要求，此特定状态为该功能的极限状态。
极限状态设计方法是不使结构超越规定极限状态的设计方法。
幕墙支承结构极限状态分为承载能力极限状态、正常使用极限状态、耐久性极限状态。
采用以概率理论为基础的极限状态设计方法，用分项系数（词条“分项系数”由行业大百科提供）设计表达式计算,分为承载能力极限状态设计、正常使用极限状态设计、耐久性极限状态设计。
幕墙支承结构持久设计状况是在幕墙支承结构使用过程中一定出现，且持续期很长的设计状况，其持续期一般与设计使用年限为同一数量级。适用于幕墙支承结构使用时的正常情况。
幕墙支承结构短暂设计状况是在幕墙结构施工和使用过程中出现概率较大，与幕墙支承结构的设计使用年限相比，持续期很短的设计状况。适用于幕墙支承结构出现的临时情况，如施工、维修情况。
幕墙支承结构偶然设计状况是在幕墙结构施工和使用过程中出现概率较小，与幕墙支承结构的设计使用年限相比，持续期很短的设计状况。适用于幕墙支承结构出现的异常情况，如撞击、爆炸、火灾情况。
幕墙支承结构地震设计状况是在幕墙支承结构遭受地震的设计状况。适用于幕墙支承结构遭受地震的情况。
承载能力极限状态是对应于幕墙结构或结构构件达到最大承载力或不适于继续承载的变形的状态。当幕墙支承结构或结构构件出现下列状态之一时，就认定超过承载能力极限状态：幕墙支承结构构件或连接因应力超过材料强度而破坏，或应过度变形而不适于继续承载(如幕墙支承钢结构已经达到屈服强度，变形持续扩大，无法继续承载);幕墙支承结构或结构构件丧失稳定(如幕墙空间结构已经丧失稳定，如超高全玻幕墙玻璃肋结构已经侧向失去稳定，无法继续承载);幕墙支承结构或结构构件疲劳破坏(如幕墙开启窗结构及连接多次启闭已经疲劳破坏，无法继续承载)。
正常使用极限状态是对应于幕墙支承结构或支承结构构件达到正常使用的某一项规定限值的状态。当幕墙支承结构或结构构件出现下列状态时，就认定超过正常使用极限状态：影响幕墙正常使用或建筑外观效果的变形(如玻璃幕墙变形过大)。
正常使用极限状态包括不可逆正常使用极限状态和可逆正常使用极限状态。
不可逆正常使用极限状态是当产生超越正常使用的作用卸除后，该作用产生的后果不可恢复的正常使用极限状态。
可逆正常使用极限状态是当产生超越正常使用的作用卸除后，该作用产生的后果可恢复的正常使用极限状态。
耐久性极限状态是对应于幕墙支承结构或支承结构构件在环境影响下出现的劣化达到耐久性能的某一项规定限值或标志的状态。当幕墙支承结构或支承结构构件出现下列状态之一时，就认定超过耐久性极限状态：影响幕墙承载能力和正常使用的材料性能劣化(如幕墙支承钢结构防腐涂层已经丧失保护作用，密封胶老化);影响幕墙耐久性能的裂缝、变形、缺口、外观、材料削弱(如玻璃支承结构的玻璃肋边有缺口)。
幕墙支承结构设计应对幕墙结构各极限状态分别进行分析计算，幕墙结构在正常情况下即持久设计状况时，承载能力极限状态或正常使用极限状态的计算起控制作用。
作用效应是由作用引起的幕墙支承结构或幕墙支承结构构件的反应。包括构件截面内力(拉力、压力、剪力、弯矩、扭矩)及变形、裂缝。
结构抗力是幕墙支承结构和幕墙支承结构构件承受作用效应和环境影响的能力。
对幕墙支承结构的环境影响可分为永久影响、可变影响、偶然影响。
对幕墙支承结构的环境影响可具有机械的、物理的、化学的、生物的性质，有可能使幕墙支承结构的材料性能随时间方式不同程度的退化，行不利方向发展，降低材料力学性能，影响幕墙支承结构的安全性和适用性。其中环境湿度的因素最关键。
对幕墙支承结构的环境影响应尽量采用定量描述，也可根据材料特点，按其抗侵蚀性的程度划分等级，设计按等级采取相应构造措施。
幕墙支承结构对持久设计状况(如幕墙支承结构使用时正常情况)应进行承载能力极限状态设计，采用作用的基本组合;应进行正常使用极限状态设计;宜进行耐久性极限状态设计。
幕墙支承结构对短暂设计状况(如幕墙支承结构施工、维修时情况)应进行承载能力极限状态设计，采用作用的基本组合;根据需要进行正常使用极限状态设计;可不进行耐久性极限状态设计。
幕墙支承结构对偶然设计状况(如撞击、爆炸、火灾情况)应进行承载能力极限状态设计，采用作用的偶然组合;可不进行正常使用极限状态设计;可不进行耐久性极限状态设计。
幕墙支承结构对地震设计状况应进行承载能力极限状态设计，采用作用的地震组合;根据需要进行正常使用极限状态设计;可不进行耐久性极限状态设计。
幕墙支承结构设计值应采用按各作用组合中最不利的效应设计值。
幕墙支承结构极限状态设计应使幕墙支承结构的抗力大于等于幕墙支承结构的作用效应。
幕墙支承结构可靠度是幕墙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。
幕墙支承结构设计应使幕墙支承结构在规定的设计使用年限内以规定的可靠度满足规定的各项功能要求。功能要求包括安全性、适用性、耐久性。
可靠度水平的设置应根据幕墙支承结构的安全等级、失效模式确定，对安全性、适用性、耐久性可采用不同的可靠度水平。
可靠度应采用可靠指标度量，而可靠指标应根据分析结合使用经验确定。可靠指标是度量幕墙支承结构构件可靠性大小的尺度，目标可靠指标是分项系数法采用的各分项系数取值的基本依据。安全等级每相差一级，可靠指标取值相差0.5。
幕墙支承结构持久设计状况按承载能力极限状态设计的可靠指标是以结构安全等级划分为二级时延性破坏取值3.2作为基准，其他情况相应增加减少0.5。可靠指标与失效概率（词条“失效概率”由行业大百科提供）运算值负相关。
幕墙支承结构持久设计状态按正常使用极限状态设计的可靠指标是根据作用效应的可逆程度在0至1.5间选取，作用效应可逆程度较高的可靠指标作用效应取低值，作用效应可逆程度较低的可靠指标作用效应取高值。作用效应可逆的可靠指标作用效应取0，作用效应可逆程度较低的可靠指标作用效应取1.5。
幕墙支承结构持久设计状态按耐久性极限状态设计的可靠指标是根据作用效应作用效应的可逆程度在1.0至2.0间选取。
1.3. 设计使用年限
幕墙支承结构的设计使用年限是设计规定的幕墙支承结构或幕墙支承结构构件不需大修即可按照预定目的使用的年限。
当界定幕墙为易于替换的结构构件时，幕墙支承结构的设计使用年限为25年;当界定幕墙为普通房屋和构筑物的结构构件时，幕墙支承结构的设计使用年限为50年;当界定幕墙为标志性建筑（词条“标志性建筑”由行业大百科提供）和特别重要的建筑结构时，幕墙支承结构的设计使用年限为100年。
当建筑设计有特殊规定时，幕墙支承结构的设计使用年限按照规定确定且不应小于25年。
2 支承结构设计
2.1. 支承结构设计及结构分析原则和结构模型
幕墙支承结构应按围护结构（词条“围护结构”由行业大百科提供）设计。幕墙支承结构设计应考虑永久荷载、风荷载、地震作用和施工、清洗、维护荷载。大跨度空间结构和预应力结构应考虑温度作用。可分别计算施工阶段和正常使用阶段的作用效应。斜幕墙还应考虑雪荷载、活荷载、积灰荷载。
幕墙结构设计值应采用按各作用组合中最不利的效应设计值。幕墙结构极限状态设计应使幕墙结构的抗力大于等于幕墙结构的作用效应。幕墙结构承载能力极限状态设计应使幕墙结构的抗力设计值与结构重要性系数的乘积大于等于幕墙结构的作用效应设计值。幕墙结构正常使用极限状态设计应使幕墙结构的挠度值不大于其相应限值。幕墙结构耐久性极限状态设计应使幕墙结构构件出现耐久性极限状态标志或限值的年限大于等于幕墙结构的设计使用年限。
幕墙支承结构分析是确定支承结构上作用效应的过程和方法。可采用结构计算、结构模型试验、原型试验(如幕墙抗风压性能试验)等方法。
幕墙支承结构分析的精度应能满足支承结构设计要求，必要时宜进行试验验证(如点支式玻璃幕墙点支承装置及玻璃孔边应力分析)。
幕墙支承结构分析宜考虑环境对幕墙结构的材料力学性能的影响(如湿度对结构胶)。对幕墙支承结构的环境影响可根据材料特点，按其抗侵蚀性的程度划分等级，设计按等级采取相应构造措施。
建立幕墙支承结构分析模型一般要对支承结构原型适当简化，突出考虑决定性因素，忽略次要因素，合理考虑构件及连接的力-变形关系因素。采用的基本假定和计算模型应能够合理描述所考虑的极限状态幕墙支承结构的作用效应。
2.2. 风荷载计算
根据《建筑结构荷载规范》规定取值或采用风洞试验确定风荷载。对于台风地区，应根据施工阶段对局部体型系数和内压系数进行补充验算。
2.3. 地震作用计算及温差变化考虑
根据《建筑抗震设计规范》GB50011-2010规定。结构构件的地震作用只考虑由自身重力产生的水平方向地震作用和支座间相对位移产生的附加作用，采用等效侧力方法计算。
温度作用方面，对于温度变化引起的幕墙构件和玻璃的热胀冷缩，在构造上可以采取相应措施有效解决，避免因构件间挤压产生温度应力造成构件破坏，如连接间隙预留间隙。
《建筑抗震设计规范》GB50011-2010之3.7.1明确规定：非结构构件自身及其与结构主体的连接，应进行抗震设计;3.7.4再规定：围护墙应估计其设置对结构抗震的不利影响，避免不合理设置而导致主体结构的破坏;3.7.5还规定：幕墙、装饰贴面与主体结构应有可靠连接，避免地震时脱落伤人。因此，本文在进行幕墙结构设计时计算主要作用效应重力荷载和风荷载。
进行幕墙构件的承载力计算时，当重力荷载对幕墙构件的承载能力不利时，重力载荷和风载荷作用的分项系数(γG、γW)应分别取1.3和1.5;当重力荷载对幕墙构件的承载能力有利时(γG、γW)应分别取1.0和1.5。
2.4. 作用及效应计算
幕墙支承结构应按各效应组合中的最不利组合设计。建筑物转角部位、平面或立面突变部位的构件和连接应作专项验算。
幕墙支承结构计算模型应与结构的工况相一致。采用弹性方法计算幕墙支承结构时，先计算各荷载与作用的效应，然后将荷载与作用效应组合。考虑几何非线性影响计算幕墙结构时，应将荷载与作用组合后计算组合荷载与作用的效应。
规则构件可按解析或近似公式计算作用效应。具有复杂边界或荷载的构件，可采用有限元方法计算作用效应。采用有限元方法作结构验算时，应明确计算的边界条件、模型的结构形式、截面特征、材料特性、荷载加载情况等信息。转角部位的幕墙支承结构应考虑不同方向的风荷载组合（词条“荷载组合”由行业大百科提供）。
变形较大的幕墙支承结构，作用效应计算时应考虑几何非线性影响。对于复杂结构体系、桁架（词条“桁架”由行业大百科提供）支承结构及其它大跨度钢结构，应考虑结构的稳定性。
幕墙支承结构和主体结构的连接应满足幕墙的荷载传递，适应主体结构和幕墙间的相互变形，消减主体结构变形对幕墙体系的影响。异型空间结构及索结构应考虑主体结构和幕墙支承结构的协同作用，应会同主体结构设计对主体结构和幕墙结构整体计算分析。
2.5. 支承结构构件设计
构件式幕墙（词条“构件式幕墙”由行业大百科提供）非对称截面横梁应按弯曲或弯扭构件计算。当横梁为开口截面型材时，应按薄壁弯扭构件设计和计算。
构件式幕墙横梁截面按照面板作用于横梁上的荷载和横梁不同支承状况产生的弯矩、剪力和扭矩计算确定。横梁承受轴向力时，尚应验算轴向力影响。构件式幕墙横梁与立柱的连接应能承受垂直于幕墙平面的水平力、幕墙平面内的垂直力及绕横梁水平轴的扭转力，其连接构造，紧固件尺寸、数量应由计算确定。应验算横梁和立柱的连接，包括连接件及其与立柱之间所用螺钉、螺栓的抗剪、型材挤压、连接件扭转受剪等。幕墙立柱宜采用上端悬挂方式。立柱下端支承时，应作压弯构件设计，对受弯平面内和平面外作受压稳定验算，按《铝合金结构设计规范》GB50429和《钢结构设计标（词条“设计标”由行业大百科提供）准》GB50017的规定验算。梁柱双向滑动连接、销钉连接不能作为立柱的侧向约束。
钢铝组合截面立柱构造截面中，不参与组合截面共同工作的铝材（词条“铝材”由行业大百科提供）部份，仍须按实际受力状况作局部受力和连接部位的强度计算。钢铝共同工作构件应有可靠的连接措施保障二者变形协同，组合截面可按刚度分配原理。钢铝共同工作的组合截面，应按材料力学方法验算两种型材间的剪力传递，按计算要求设置抗剪螺钉。
单元式幕墙支承结构计算根据传力途径依次复核单元板块各板块的承载能力。板块及连接承载力、刚度等应能满足运输、吊装要求。单元板块连接应分别复核吊装和使用状态下的承载能力，板块与主体结构的连接点不应对板块产生初始应力。吊装孔位于构件应力较大的区域时，对该部位应专门计算设计。荷载偏心对计算结果影响明显时，应考虑荷载偏心产生的效应。复核顶横梁与立柱连接、单元板块与主体结构连接时应计入相邻上单元板块传递的荷载。
单元式幕墙采用对接组合构件时，对接处横梁与立柱应分别按其所承受的荷载和作用计算。单元式幕墙采用插接式组合构件时立柱的荷载计算应按照左、右立柱协同变形分配荷载后按各自承担的荷载及作用分别计算。大型、弧面及其他异型单元板块的连接结构设计应采用有限元方法计算分析，可设置板内支撑系统加强整体刚度。
高度在12米以上吊挂全玻璃幕墙的玻璃肋应进行平面外稳定验算，转角处应验算整体稳定。
点支式玻璃幕墙支承结构设计不考虑玻璃面板刚度的影响。点支承玻璃幕墙的支承结构体系采用玻璃结构时应采用空间结构有限元分析方法，必要时采用结构试验验证计算。
幕墙索结构设计应符合《索结构技术规程》JGJ257及《点支式玻璃幕墙工程技术规程》CECS127的规定。在任何荷载作用组合下拉索均应保持受拉状态。幕墙索结构计算应考虑几何非线性影响。幕墙索结构荷载状态分析应在初始预应力状态的基础上，考虑永久荷载、活荷载、雪荷载、风荷载、地震作用、温度作用、主体结构变形作用及施工荷载。温度效应组合系数取0.6，温差取张拉阶段与使用阶段的最大绝对值。幕墙索结构与主体结构的连接应能适应主体结构的位移，主体结构应能承受幕墙索结构的支座反力。索结构挠度限值应会同主体结构设计共同确定。
2.6. 强度设计值
强度设计值应按《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003、《铝合金（词条“合金”由行业大百科提供）结构设计规范》GB 50429-2007、《钢结构设计标准》GB 50017-2017、《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB 50018、《金属与石材幕墙工程技术规范》、《人造板材幕墙工程技术规范》JGJ336的规定采用。
2.7. 挠度限值
挠度限值应符合《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102、《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113、《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133的规定、《人造板材幕墙工程技术规范》JGJ336的规定。
3 结论
针对幕墙结构设计的几个要素：安全等级、极限状态设计方法、可靠度水平、设计基准期、设计使用年限、支承结构设计、面板及连接设计等进行分析，本文进行了其内在本质的逻辑关系，明确了以上几个结构概念，为理清幕墙结构设计思路建立了良好的理论基础。提出主要的观点：幕墙结构设计使用年限应在设计中规定;会通过结构试验方法来证明特殊幕墙结构计算经验公式。
作者单位：广东世纪达建设集团有限公司
