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摘要：風(fēng)荷載是幕墻結(jié)構(gòu)的主要外部作用，沿海地區(qū)臺風(fēng)頻繁，幕墻在臺風(fēng)中破損的事件時有發(fā)生，沿海地區(qū)幕墻項目要特別注意。本文依據(jù)今年在海南登陸的“摩羯”臺風(fēng)對海口某項目破壞情況為背景，首先分析了臺風(fēng)對幕墻的破壞形式，然后通過數(shù)據(jù)對比分析了幕墻各部分材料抗臺風(fēng)能力，分析表明幕墻按照現(xiàn)行荷載規(guī)范設(shè)計能夠抵抗絕大部分臺風(fēng)的作用，最后總結(jié)一些影響和提高幕墻抗臺風(fēng)的能力的措施。
關(guān)鍵詞：抗風(fēng)設(shè)計;破壞形式;臺風(fēng)等級;預(yù)防措施
1、臺風(fēng)對建筑幕墻（詞條“建筑幕墻”由行業(yè)大百科提供）的影響
(1)、玻璃面板被臺風(fēng)卷起的碎石擊碎。裙樓和較低樓層玻璃破損較多，主樓高處反而沒什么問題。從下圖圖片可以看到玻璃面板破碎落到地面上，而邊框位置玻璃碎渣因為有結(jié)構(gòu)膠作用粘結(jié)在框上。
(2)、金屬面板被卷起的碎石或玻璃碎渣砸出凹坑，吊頂板被撕裂，連接螺釘被剪斷。金屬板在超強臺風(fēng)作用下，由于面板剛度不足，受力形式由面外彎曲（詞條“彎曲”由行業(yè)大百科提供）變成面內(nèi)張拉，張拉力要遠遠大與面板局部承壓力和連接螺釘抗剪承載力（詞條“承載力”由行業(yè)大百科提供），面板和螺釘很容易被撕裂和剪斷。
(3)、地面堆放未安裝上墻的單元板塊和玻璃板塊被吹倒和擊碎。如下圖所示面板堆放固定不牢，臺風(fēng)來臨時將固定措施掀翻，面板沒有覆蓋被卷起的碎石擊碎。
其它例如龍骨破壞，預(yù)埋件脫落，開啟扇，玻璃面板整體脫落，此種情況現(xiàn)場較少見。
2、臺風(fēng)風(fēng)速和荷載規(guī)范風(fēng)速轉(zhuǎn)換
《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012定義基本風(fēng)速為“按當(dāng)?shù)乜諘缙教沟孛嫔?B類地貌)10m高度處10min平均的風(fēng)速觀測數(shù)據(jù)，經(jīng)概率統(tǒng)計得出50年一遇最大值確定的風(fēng)速”。
臺風(fēng)根據(jù)風(fēng)速可以分為三類：臺風(fēng)(32.7-41.4m/s)、強臺風(fēng)(41.5-50.9m/s)、超強臺風(fēng)(≥51m/s)，登陸時是從海面吹來的，其地貌相當(dāng)于荷載規(guī)范中的A類地貌;而風(fēng)速時距，則采用的是2min時距。所以“臺風(fēng)登陸時的最大風(fēng)速”，指的是A類地貌條件下2min平均最大風(fēng)速。
可見，荷載規(guī)范的“基本風(fēng)速”和“臺風(fēng)登陸時的最大風(fēng)速”還不能直接比較，二者之間我們需要換算，具體換算步驟如下。
第一步，需要將2min平均最大風(fēng)速換算為10min平均最大風(fēng)速。根據(jù)世界氣象組織的指南，對于登陸臺風(fēng)，大致可按下式換算：
而能夠抵抗多少級的臺風(fēng)，只需要計算基本風(fēng)速對應(yīng)到的“臺風(fēng)登陸時的最大風(fēng)速”是多少就可以了。舉例來說，海南海口的基本風(fēng)壓為0.75Kpa，按此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的建筑，可以抵御最大風(fēng)速34.6m/s(指標(biāo)準(zhǔn)地貌下10min平均)的風(fēng)速作用，即12級風(fēng);也可以抵御登陸時最大風(fēng)速41.4m/s(指A類地貌2min平均)的臺風(fēng)作用，即13級臺風(fēng)。湖北武漢的基本風(fēng)壓為0.35 Kpa，按此標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計的建筑，可以抵御最大風(fēng)速23.66m/s(指標(biāo)準(zhǔn)地貌下10min平均)的風(fēng)速作用，即9級風(fēng);也可以抵御登陸時最大風(fēng)速28.29m/s(指A類地貌2min平均)的臺風(fēng)作用，即11級臺風(fēng)。
當(dāng)風(fēng)速超過了表中所列的風(fēng)速等級，建筑也未必發(fā)生破壞。因為在承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時，風(fēng)荷載還需要乘上1.5的分項系數(shù)，材料還有一定的安全儲備系數(shù)。下面通過具體數(shù)據(jù)分析玻璃幕墻中各類材料抗臺風(fēng)能力。
3 幕墻面板類材料極限抗臺風(fēng)能力分析
3.1 玻璃面板抗臺風(fēng)能力分析
根據(jù)玻璃幕墻規(guī)范條文說明，結(jié)合我國國情，玻璃面板整體安全系數(shù)K取2.5，對海口地區(qū)而言，考慮玻璃面板安全系數(shù)，按照現(xiàn)行規(guī)范設(shè)計能夠抵抗的基本風(fēng)壓為0.75*2.5=1.875Kpa，對應(yīng)荷載規(guī)范(標(biāo)準(zhǔn)地貌下10min平均)風(fēng)速為54.77m/s，即16級風(fēng);也可以抵御登陸時最大風(fēng)速65.5m/s(A類地貌2min平均)的臺風(fēng)作用，即18級臺風(fēng)。
3.2 鋁板幕墻抗臺風(fēng)能力分析
鋁板幕墻常見的材質(zhì)3003-H14為例，強度設(shè)計值89Mpa，其屈服強度（詞條“屈服強度”由行業(yè)大百科提供）為115Mpa。以鋁板保持彈性（詞條“彈性”由行業(yè)大百科提供）工作狀態(tài)不發(fā)生屈服為判斷依據(jù)，此時鋁板總安全系數(shù)為115/89*1.5=1.94。對海口地區(qū)而言，面板能夠抵抗的基本風(fēng)壓為0.75*1.94=1.46Kpa，對應(yīng)荷載規(guī)范(標(biāo)準(zhǔn)地貌下10min平均)風(fēng)速為48.33m/s，即15級風(fēng);對應(yīng)臺風(fēng)最大風(fēng)速57.79m/s，即17級。
3.3 石材面板抗臺風(fēng)能力分析
以花崗巖為例進行分析，材料分項系數(shù)2.15，考慮風(fēng)荷載分項系數(shù)1.5，則花崗巖石材總的安全系數(shù)K為3.225。對海口地區(qū)而言，石材面板能夠抵抗的基本風(fēng)壓為0.75*3.225=2.419Kpa，對應(yīng)荷載規(guī)范(標(biāo)準(zhǔn)地貌下10min平均)風(fēng)速為62.21m/s，即18級風(fēng);對應(yīng)臺風(fēng)最大風(fēng)速74.39m/s，即18級。
脆性材料由于在設(shè)計過程中取的安全系數(shù)更高，所以在抵抗臺風(fēng)方面具備更大的潛力，從上表可知，按照荷載規(guī)范設(shè)計，在海口地區(qū)大部分幕墻面板都能抵抗17級以上臺風(fēng)，上海地區(qū)大部分幕墻面板都能抵抗15級以上臺風(fēng)。
4 幕墻龍骨類材料極限抗臺風(fēng)能力分析
4.1 鋼材和不銹鋼（詞條“不銹鋼”由行業(yè)大百科提供）材抗臺風(fēng)能力分析
幕墻工程中常用的鋼材為Q235（詞條“Q235”由行業(yè)大百科提供）B/Q355B,不銹鋼為304/316，以常見的鋼材Q235B(t≤16mm)為例，強度設(shè)計值215Mpa，屈服強度為235Mpa。鋼材保持彈性工作不發(fā)生屈服為判斷依據(jù)，此時總安全系數(shù)為235/215*1.5=1.64。對海口地區(qū)而言，鋼材能夠抵抗的基本風(fēng)壓為0.75*1.64=1.23Kpa，對應(yīng)荷載規(guī)范(標(biāo)準(zhǔn)地貌下10min平均)風(fēng)速為44.36m/s，即14級風(fēng);對應(yīng)臺風(fēng)最大風(fēng)速53.04m/s，即16級。
4.2 鋁合金型材抗臺風(fēng)能力分析
常見的鋁合金型材有6061系列和6063系列，以6063-T6為例，強度設(shè)計值150Mpa，其屈服強度為180Mpa。型材總安全系數(shù)為180/150*1.5=1.8。對海口地區(qū)而言，型材能夠抵抗的基本風(fēng)壓為0.75*1.8=1.35Kpa，對應(yīng)荷載規(guī)范(標(biāo)準(zhǔn)地貌下10min平均)風(fēng)速為46.48m/s，即15級風(fēng);對應(yīng)臺風(fēng)最大風(fēng)速57.79m/s，即17級。
4.3 拉索和拉桿抗臺風(fēng)能力分析
以幕墻用不銹鋼拉桿為例，其抗拉強度設(shè)計值為屈服強度除以1.4，考慮風(fēng)荷載分項系數(shù)1.5，則拉桿總安全系數(shù)為1.4*1.5=2.1。同理根據(jù)索結(jié)構(gòu)規(guī)程對拉索整體安全系數(shù)為2*1.5=3。
5 幕墻連接系統(tǒng)極限抗臺風(fēng)能力分析
5.1 結(jié)構(gòu)膠抗臺風(fēng)能力分析
現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了硅酮結(jié)構(gòu)密封膠（詞條“硅酮結(jié)構(gòu)密封膠”由行業(yè)大百科提供）的拉伸強度值不低于0.6N/mm2。結(jié)構(gòu)膠強度設(shè)計值取為0.2N/mm2，此時材料分項系數(shù)為3.0。考慮風(fēng)荷載分項系數(shù)1.5，則結(jié)構(gòu)膠總安全系數(shù)為4.5。
對海口地區(qū)而言，結(jié)構(gòu)膠能夠抵抗的基本風(fēng)壓為0.75*4.5=3.38Kpa，對應(yīng)荷載規(guī)范(標(biāo)準(zhǔn)地貌下10min平均)風(fēng)速為73.54m/s，即18級風(fēng);對應(yīng)臺風(fēng)最大風(fēng)速87.94m/s，即18級。
5.2 不銹鋼螺栓（詞條“螺栓”由行業(yè)大百科提供）抗臺風(fēng)能力分析
以A2-70不銹鋼螺栓為例，強度設(shè)計值為325Mpa，其屈服強度為450Mpa，以螺栓正常工作狀態(tài)不屈服為判斷依據(jù)，此時螺栓總安全系數(shù)為450/325*1.5=2.08。同理對5.8級普通螺栓，屈服強度為400Mpa，強度設(shè)計值為210Mpa，此時螺栓整體安全系數(shù)為400/210*1.5=2.8。
對海口地區(qū)而言，A2-70不銹鋼螺栓能夠抵抗的基本風(fēng)壓為0.75*2.08=1.56Kpa，對應(yīng)荷載規(guī)范(標(biāo)準(zhǔn)地貌下10min平均)風(fēng)速為49.96m/s，即15級風(fēng);對應(yīng)臺風(fēng)最大風(fēng)速59.74m/s，即17級。
5.3 焊縫抗臺風(fēng)能力分析
以Q235B角焊縫為例，選用E43焊條，根據(jù)鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，焊縫強度設(shè)計值為焊縫金屬抗拉強度的0.38倍，考慮風(fēng)荷載分項系數(shù)采用1.5，則焊縫總安全系數(shù)為1/0.38*1.5=3.95。同理對Q355B鋼材，選用E43焊條焊縫強度設(shè)計值為焊縫金屬抗拉強度的0.41倍，考慮風(fēng)荷載分項系數(shù)采焊縫總的安全系數(shù)為1/0.41*1.5=3.66。
對海口地區(qū)而言，Q235B角焊縫能夠抵抗的基本風(fēng)壓為0.75*3.95=2.96Kpa，對應(yīng)荷載規(guī)范(標(biāo)準(zhǔn)地貌下10min平均)風(fēng)速為68.82m/s，即18級風(fēng);對應(yīng)臺風(fēng)最大風(fēng)速82.29m/s，即18級。
6 幕墻埋件抗臺風(fēng)能力分析
6.1 預(yù)埋件抗臺風(fēng)能力分析
預(yù)埋件計算公式中HRB400級鋼筋，屈服強度360MPa，錨筋面積計算中采用強度設(shè)計值300MPa。可以近似認(rèn)為材料分項系數(shù)為1.2，考慮風(fēng)荷載分項系數(shù)預(yù)埋件總安全系數(shù)為180/150*1.5=1.8。對海口地區(qū)而言，螺栓能夠抵抗的基本風(fēng)壓為0.75*1.8=1.35Kpa，對應(yīng)荷載規(guī)范(標(biāo)準(zhǔn)地貌下10min平均)風(fēng)速為46.48m/s，即15級風(fēng);對應(yīng)臺風(fēng)最大風(fēng)速57.79m/s，即17級。
6.2 后置埋件抗臺風(fēng)能力分析
根據(jù)混凝土后錨固規(guī)程可得，在后錨固系統(tǒng)的各項計算中，錨栓鋼材的受拉受剪破壞承載力分項系數(shù)最小為1.2，考慮風(fēng)荷載分項系數(shù)后置埋件總安全系數(shù)為180/150*1.5=1.8。對海口地區(qū)而言，后置埋件能夠抵抗的基本風(fēng)壓為0.75*1.8=1.35Kpa，對應(yīng)荷載規(guī)范(標(biāo)準(zhǔn)地貌下10min平均)風(fēng)速為46.48m/s，即15級風(fēng);對應(yīng)臺風(fēng)最大風(fēng)速57.79m/s，即17級。
7 幕墻抗臺風(fēng)能力影響因素
從前面分析數(shù)據(jù)可知，按照現(xiàn)行荷載規(guī)范設(shè)計，即使面板、桿件、連接系統(tǒng)的利用率接近100%，在正常條件下幕墻各部分桿件的安全應(yīng)該不會有問題，但是為什么按照正常規(guī)范設(shè)計的建筑幕墻在強臺風(fēng)作用下還會出現(xiàn)不正常破壞呢，主要有以下幾點原因：
1、復(fù)雜建筑群風(fēng)荷載遠超規(guī)范。由于建筑群之間狹窄間隙引起“穿堂風(fēng)”效應(yīng)，建筑表面造型異常突變引起風(fēng)荷載體變化，對于復(fù)雜建筑局部位置的風(fēng)荷載值往往存在風(fēng)洞實驗報告值比理論計算值大很多的情況，這也間接說明此處在臺風(fēng)荷載作用下幕墻承受的臺風(fēng)等級要遠遠高于外界報道的臺風(fēng)等級。
2、建筑工程材料負公差嚴(yán)重。以冷彎空心鋼管為例，根據(jù)規(guī)范要求當(dāng)壁厚小于等于10mm時，允許偏差為0.1倍壁厚，120*60*4mm鋼管按照規(guī)范現(xiàn)場到貨120*60*3.6mm可滿足規(guī)范要求，但是后者截面特性抵抗矩只有前者的91%，甚至很多材料負公差都超過了規(guī)范值，這對抗風(fēng)能力也有一定影響。
3、應(yīng)力集中現(xiàn)象對材料強度的影響。在幕墻工程中存在大量的開缺，開洞現(xiàn)象，計算過程中我們往往忽略這些開洞位置應(yīng)力集中影響，例如存在圓孔的板條在兩端拉伸時孔邊產(chǎn)生的最大應(yīng)力約為截面上平均應(yīng)力的3倍。這種應(yīng)力集中現(xiàn)象對鋼材等塑性材料而言，由于塑性（詞條“塑性”由行業(yè)大百科提供）變形應(yīng)力重分布，應(yīng)力集中現(xiàn)象逐漸消失。但對于玻璃、石材等脆性材料而言，一旦應(yīng)力集中后的應(yīng)力超過材料極限強度，就會發(fā)生破壞。
4、現(xiàn)場施工情況的折減，幕墻勞務(wù)工人技術(shù)水平參差不齊，現(xiàn)場施工工藝在標(biāo)準(zhǔn)施工工藝的基礎(chǔ)上存在一定的折扣，例如鋁板打釘間距，焊縫焊高遠小于設(shè)計值，這些都間接降低了幕墻系統(tǒng)的抗風(fēng)能力。
8、提高幕墻抗臺風(fēng)能力的措施
1、幕墻設(shè)計過程中對風(fēng)荷載較大的位置(檐口位置。連廊吊頂位置，建筑表面外輪廓突變位置)預(yù)留一定的富余量，提高整體的安全儲備。
2、對與一些容易發(fā)生臺風(fēng)破壞的位置，在幕墻設(shè)計過程中要增加一些附加構(gòu)造措施，例如開啟扇的防墜繩子，金屬屋面的抗風(fēng)夾。
3、材料進廠嚴(yán)格按照規(guī)范驗收，對偏差超過規(guī)范的材料，現(xiàn)場驗收人員要同設(shè)計人員溝通確認(rèn)能否降級使用還是退場處理。
4、對于位于底層的幕墻采取一些臨時保護措施如柔性織物覆蓋。防止面板被飛濺的碎石擊碎。
5、提高現(xiàn)場管理人員和勞務(wù)工人的技術(shù)水平，嚴(yán)格按圖紙施工。
參考文獻
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作者單位：中建裝飾綠創(chuàng)科技有限公司
