金屬幕墻超限設計專項論證
——成都招商大魔方14 號樓鋁板幕墻高度超限設計

屈胤儒 成都方大建筑科技有限公司設計院副院長、工程師

一、項目簡介

1、項目概況

成都招商大魔方14 號樓位于四川省成都市天府大道北段與錦城大道交叉口，由成都招商遠康房地產(chǎn)開發(fā)有限公司興建。項目總用地面積為2811.42m2，總建筑面積約為91 863.09 m2。項目建筑層數(shù)為地上51 層，地下4 層，建筑高度為201.600m。項目主要幕墻形式包括玻璃幕墻、鋁板幕墻、鋁合金格柵、鋁合金百葉等。其中，鋁板幕墻的最大高度為201.600m，超過了《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（JGJ 133—2001）[1]第1.0.2 條關(guān)于該規(guī)范適用于“建筑高度不大于150m 的民用建筑金屬幕墻工程”之規(guī)定。本項目鋁板幕墻超限類型為建筑高度超限，超高51.600m，超限部分的鋁板面積約5000m2。成都招商大魔方14 號樓具體分布詳見圖1。

圖1 立面示意圖

2、設計基本參數(shù)

基本風壓為0.30 kN/m2（50 年一遇，考慮樓群干擾效應系數(shù)1.1）；基本雪壓為0.10 kN/m2（50 年一遇）；就風荷載體型系數(shù)而言，大面區(qū)域為1.2，墻角區(qū)域為1.6；地面粗糙度為C 類；抗震設防烈度為7 度；基本地震加速度為0.10g；面材種類為3mm 鋁單板，采用角碼及不銹鋼螺釘固定；支撐結(jié)構(gòu)材料主要為Q235B 鋼材、6063-T6 鋁型材；建筑結(jié)構(gòu)形式為框架—核心筒結(jié)構(gòu)；幕墻設計使用年限為25 年。

二、設計方案

1、設計思路

對于本項目超限部位鋁板幕墻，首先考慮了建筑群體效應，將風荷載提高至1.1 倍，確保鋁板幕墻的結(jié)構(gòu)安全性。同時，充分考慮了超限部分鋁板幕墻的結(jié)構(gòu)安全儲備，將鋁板主龍骨的規(guī)格加大為100mm×60mm×5mm鋼矩管，將鋁板加勁肋的規(guī)格加大為40mm×40mm×3mm，并加密鋁板加勁肋的布設為300mm 間距。另外，加強超限部分鋁板的固定，加密鋁板角碼的布設為300mm間距，加大不銹鋼螺釘?shù)男吞枮镾T4.8。

2、連接設計

在設計中，超限部分鋁板主龍骨采用100mm×60mm×5m 鋼矩管，通過10#槽鋼轉(zhuǎn)接件與主體結(jié)構(gòu)內(nèi)的預埋件進行固定。橫梁采用L 50mm×5mm 等邊角鋼，固定端與主龍骨焊接，伸縮端采用不銹鋼螺栓與主龍骨連接。龍骨系統(tǒng)均采用Q235B 鋼材，表面熱浸鍍鋅處理。面板為3mm 厚單層鋁板，材質(zhì)為3003-H14，表面氟碳噴涂處理，背部設置加強肋。鋁板通過角碼、ST4.8 不銹鋼螺釘與龍骨系統(tǒng)固定，面板之間設置16mm 寬度膠縫，采用泡沫棒和硅酮耐候密封膠填充。具體連接設計詳見橫剖節(jié)點連接示意圖（見圖2）、豎剖節(jié)點連接示意圖（見圖3）。

圖2 橫剖節(jié)點連接示意圖

圖3 豎剖節(jié)點連接示意圖

3、工藝設計

鋁板加工時，面板四邊均折邊20mm，背面沿長邊方向布設加勁肋，加勁肋截面尺寸為40mm×40mm×3mm，布設間距約300mm。固定面板的角碼通過2 顆φ4 不銹鋼鉚釘固定到折邊上，角碼間距為300m。

三、結(jié)構(gòu)驗算

1、驗算依據(jù)

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009—-2012）[2]、《 建 筑 抗 震 設 計 規(guī) 范》（GB 50011—2010）[3]、《 建 筑 幕 墻》（GB /T 21086—2007）[4]、《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（JGJ 133—2001）等現(xiàn)行規(guī)范條文規(guī)定，結(jié)合本項目的建筑層高、鋁板分布等情況，針對本項目超限鋁板幕墻進行下述3 種類型的結(jié)構(gòu)驗算。結(jié)構(gòu)驗算主要采用SAP2000 有限元軟件進行分析。

2、主要驗算情況

類型一為標準層大面鋁板幕墻：位于建筑實體墻外側(cè)，結(jié)構(gòu)跨度為3800mm，采用連續(xù)梁設計模型，其中外伸長度為500mm，最大使用高度為188.660m，最大面板尺寸為 1375mm（寬）×2500mm（高）。

通過對標準層大面鋁板幕墻的結(jié)構(gòu)構(gòu)件及系統(tǒng)進行分析、計算得出：鋁板 的 強 度σ=48.329 7N/mm2＜97.0N/mm2；鋁板的撓度d=4.10mm ＜L/100=1 375/100=13.75mm； 主 龍 骨 的 強 度σ=112.528N/mm2＜215N/mm2； 主龍 骨 的 撓 度d=8.3623mm ＜L/300=3 800/300=12.67mm。由此可以看出，該系統(tǒng)符合使用要求。

類型二為4.1m 層高鋁板幕墻：位于51F 部位的建筑實體墻外側(cè)，結(jié)構(gòu)跨度為4100mm，采用雙跨梁設計模型，其中短跨長度為500mm，工程最大使用高度為192.760m，最大面板尺寸為1375mm（寬）×2450mm（高）。與標準層大面鋁板幕墻相比，最大面板寬度尺寸一樣，高度尺寸更小，在計算條件一樣的情況下，鋁板的強度和撓度的安全儲備更高。

通過對4.1m 層高鋁板幕墻的結(jié)構(gòu)構(gòu)件及系統(tǒng)進行分析、計算得出：主龍骨的強 度σ=125.262N/mm2＜215N/mm2；主龍骨的撓度d= 6.3877mm ＜L/300=3 600/300=12mm。由此可以看出，該系統(tǒng)符合使用要求。

類型三為層間造型鋁板幕墻：位于玻璃幕墻層間部位，造型鋁板的次龍骨與玻璃幕墻的主龍骨相連接，工程最大使用高度為192.760m，最大面板尺寸為1150mm（寬）×1300mm（高）。

通過對層間造型鋁板幕墻的結(jié)構(gòu)構(gòu)件及系統(tǒng)進行分析、計算得出：鋁板的強度σ=49.579N/mm2＜97.0N/mm2；鋁板的撓度d=2.876mm ＜L/100=1150/100=11.50mm；支撐龍骨的強度σ=108.58N/mm2＜215 N/mm2；支撐龍骨的撓度d=1.2139mm ＜L/300=900/300=3mm。由此可以看出，該系統(tǒng)符合使用要求。

表1 龍骨驗算結(jié)果匯總表

表2 面板驗算結(jié)果匯總表

3、驗算結(jié)果匯總

主要參數(shù)驗算結(jié)果匯總詳見龍骨驗算結(jié)果匯總表（見表1）、面板驗算結(jié)果匯總表（見表2）。

四、主要加強措施

為了確保超限鋁板部位鋁板幕墻連接可靠，在設計和生產(chǎn)方面的主要加強措施包括4個方面。

1、提高超限鋁板的荷載值

本項目為雙高層，考慮取值為1.1 的風力互相干撓系數(shù)。最大的鋁板分格尺寸并不位于最不利位置，為提高工程安全度，將最大分格尺寸的鋁板考慮為位于最不利位置，保證材料應力與應變有較大的富余度。例如，標準層鋁板幕墻最大的鋁板分格尺寸1375mm（寬）×2500mm（高）的標高為188.660m，結(jié)構(gòu)分析計算時按201.600m 的標高考慮。

2、加強超限部位鋁板的剛度設計

非超限部位鋁板， 加強肋截面為30mm×30mm×3mm， 布 設 間 距 為500mm。超限部位鋁板，加強肋截面增加為40mm×40mm×3mm，布設間距減小為300mm。通過受力分析，超限部位鋁板剛度利用率控制在50%以下，加強了鋁板本身的剛度性能。將鋁板角碼設置在加強肋的位置，焊接成為一個整體，使面板荷載更直接地傳遞到龍骨上。

3、加大超限部位鋁板幕墻的主龍骨

在80mm×60mm×5mm 鋼矩管就可以滿足結(jié)構(gòu)要求的情況下，選用截面尺寸更大的100mm×60mm×5mm 鋼矩管。通過受力分析，不同層高的立柱的強度利用率均控制在60%以下，富余度充足，加大龍骨本身的安全系數(shù)。

4、加強鋁板與龍骨體系的固定

減小超限部位鋁板角碼的間距，加大固定螺釘?shù)男吞?。為進一步確保超限鋁板連接的可靠性，固定角碼的間距由350mm 減少至300mm，固定螺釘由ST4.2 不銹鋼螺釘加大至ST4.8 不銹鋼螺釘。

綜合上述超限鋁板幕墻的設計、結(jié)構(gòu)驗算分析、加強措施，結(jié)合國內(nèi)諸多既有項目的成功經(jīng)驗，本項目鋁板幕墻高度超限的設計是合理的，也是可行的。