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设计中常见的几个安全问题


1.前言

在幕墙设计过程中,经常会遇到一些常见的安全问题,而有些问题,往往容易被设计人员忽视或误解,这些安全问题主要以下:开口横梁的连接角码抗扭;临空栏杆立柱计算;超白钢化玻璃自爆率;幕墙防火层设计;玻璃幕墙室内护栏;石材幕墙的挂件设计。
下面分别对以上这几个常见的安全问题进行阐述。
2.开口横梁的连接角码抗扭
  开口横梁是一种常见的幕墙构造形式,横梁通过开口腔内的连接角码固定在立柱上,早年的玻璃幕墙主要是单层玻璃,自重不大,现在主要采用中空甚至中空夹层玻璃,玻璃的自重最少增加一倍,但设计时却往往容易忽视连接角码的抗扭强度计算,造成横梁外倾严重,甚至角码出现剪切破坏。下面通过一个示例来简单计算一下,连接角码在仅考虑玻璃自重的情况下的最大剪应力,计算参数详见图1。

开口横梁连接角码示意图?

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(1)基本参数:
玻璃幕墙分格假设为1200(宽)x1800(高)mm,玻璃采用6+12A+6mm中空玻璃;
角码采用6063-T6,抗剪强度设计值为85MPa,受扭截面为54x4mm;
玻璃偏心距离 e为51mm;
角码固定在立柱上的竖边厚度对开口横梁的抗扭有利,但考虑到加工及安装误差的影响,角码竖边与开口横梁的搭接量有限,并且计算复杂,为简化计算,故未考虑。
(2)角码在玻璃自重作用下的抗扭强度计算:
玻璃自重设计值 G=1.3×1.2×1.8×0.012×25.6=0.86 kN
单个横梁角码扭矩 Mw=G?2×e=0.43×0.051=0.022 kN.m
当n=54?(4=13.5>4)时
矩形抗扭截面系数 Wk=((n-0.63)b3)?3=((13.5-0.63)×43)?3=274.6 mm3
?最大纯扭剪应力 τ=Mw?(Wk=) 80.1MPa < 85MPa,满足计算要求。
从以上计算结果可知,在仅考虑纯扭作用下产生的剪应力的前提下,当玻璃配置为6+12A+6mm,分格为1.2x1.8米的中空玻璃时,连接角码应采用材质6063-T6铝型材,横梁连接角码基本满足计算要求。
  仅考虑玻璃自重的前提下,表1汇总了常见玻璃配置下横梁角码承受的玻璃最大面积临界表,表中数据仅供参考,实际计算中应考虑水平风荷载偏心作用下的扭矩,以及在风荷载和自重作用下的横梁角码承受的剪力等因素。如相应的玻璃配置超过最大面积临界值时,应采用可靠的横梁固定方式,如C形槽或闭口连接型材,以避免横梁外倾下坠甚至可能造成连接角码破坏。

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常见玻璃配置下横梁角码承受玻璃最大面积临界表

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??三、临空栏杆立柱计算
作为重要的建筑幕墙危险源之一,临空栏杆的立柱计算尤为重要,但设计人员在计算栏杆立柱时,通常只是单独考虑风荷载和栏杆顶部的水平荷载,在两者中取大值,但国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009-2012第5.5.3条明确栏杆荷载的组合值系数应取0.7,即应考虑两种荷载组合工况:
风荷载+0.7x栏杆顶部水平荷载;
栏杆顶部水平荷载+0.6x风荷载。
下面通过示例来简单计算一下栏杆立柱在组合荷载作用下的受力情况。
(1)基本参数:
假设栏杆水平分格为1200mm,栏杆扶手高度为1150mm;
立柱采用10mm厚Q235B钢板,抗弯强度设计值为215MPa,立柱截面高度为100mm;
深圳地区,地面粗糙度为C类,栏杆只考虑所在标高5m,局部体型系数取1.625,则风荷载标准值为1.793kPa。
(2)立柱抗弯强度:
?风荷载作用下立柱根部弯矩 Mf=(1.5×1.793×1.2×1.152)?2=2.13 kN.m
顶部水平荷载作用下立柱根部弯矩 Ms=1.5×1.0×1.2×1.15=2.07 kN.m
如只计算两者中较大荷载作用下立柱抗弯强度。?
立柱截面抵抗矩 Wx=(10×1002)?6=16666.7 mm?
立柱根部最大应力 σmax=Mf?Wx = 128.0MPa < 215MPa,视乎满足计算要求。
但考虑风荷载控制作用下的立柱荷载组合时
立柱根部最大弯曲 Mmax=Mf+0.7×Ms=3.58 kN.m
立柱根部最大应力 σmax=Mmax?Wx = 215MPa,则基本满足计算要求。
由此可见,深圳地区栏杆立柱如采用Q235钢板,则最小截面应不小于100x10mm厚,否则不满足结构计算要求。如采用不锈钢板,根据计算则最小截面应不小于110x10mm厚。当然,栏杆立柱根部与主体结构的连接至关重要,也应重点计算。
表2中汇总了在不同风荷载标准值作用下,采用Q235钢板和不锈钢板的栏杆立柱截面尺寸分别见下表,栏杆分格为常用的1200mm(水平分格)x1150mm(高)。另外,表中/前面的尺寸为Q235钢板,/后面的尺寸为不锈钢板,表中尺寸仅供参考,从表中可以看出,不锈钢板截面高度需比Q235钢板大10mm。

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不同风荷载标准值对应的栏杆立柱截面汇总表

?  四、超白钢化玻璃自爆率
  十年前,超白钢化玻璃一度成为超低自爆率的神话故事,万分之一的自爆率经国内一些著名的玻璃厂家炒作后,成为了控制钢化玻璃自爆的一个重要手段,在行业标准《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 102修编版中明确“玻璃幕墙的面板,除夹层玻璃外应选用钢化超白浮法玻璃、均质钢化玻璃及其制品”,将超白钢化与均质钢化处理并列使用。当时最著名的依据是普通玻璃约每4~8吨存在一粒NiS,而超白玻璃约每600~800吨才存在一粒NiS,所以,超白钢化玻璃的自爆概率成几何数量级下降。
  但是,经过大量的工程实践发现,目前国内的超白钢化玻璃在外观上确实较普通钢化玻璃透明很多,而自爆率却远远没有玻璃厂家宣传的那样优秀。深圳某幕墙工程原设计采用的普通钢化玻璃,建设单位认为钢化玻璃的自爆数量比较高,且有安全隐患,在听取了超白钢化玻璃的相关先容后,将原钢化玻璃全部更换为国内一线品牌的超白钢化玻璃,并没有再进行均质处理,以为可以解决绝大部分问题了,极个别钢化玻璃再自爆也就认了,不曾想完成超白钢化玻璃的更换后,经物业几年的统计,超白钢化玻璃的自爆数量与钢化玻璃基本相同,甚至还超过了钢化玻璃的自爆数量。同期,其它几个幕墙工程也陆续发现了相同的情况,涉及国内绝大部分的一线玻璃品牌。通过这些幕墙工程实践总结,才真正意识到超白钢化玻璃的自爆概率远没有以前传说中的那样低。
  根据国内一线品牌玻璃厂家提供的超白钢化玻璃在做均质处理时的统计数据,也从另一个方面验证了这一点,表中对4家国内一线品牌玻璃生产厂家的超白钢化玻璃均质热浸处理过程中,对钢化玻璃自爆进行长时间跟踪的统计汇总,不过,支撑表中数据的相关信息如玻璃厚度、玻璃面积等均缺失,这些仅供参考。


超白钢化玻璃均质处理中自爆统计汇总表

??通常,玻璃行业内普遍认可钢化玻璃自爆率的正常水平一般为3‰,当然,这只是笼统的进行比较,并不科学,但从表3可以看,统计样板中国足球协会超级联赛白钢化玻璃的平均自爆率基本与钢化玻璃相近,只有一个玻璃厂家的超白钢化玻璃的自爆率较低,但也远远达不到万分之一的水平,而按标准要求经过均质处理的钢化玻璃是能够达到万分之一自爆率的水平。
  从以上分析可以得出,目前以国内现有原片、工艺生产的绝大部分超白钢化玻璃并不能解决降低自爆率的问题,只有通过均质处理的钢化玻璃才能真正实现大大降低自爆率。国外幕墙工程通常都是采用均质处理的玻璃作为钢化玻璃降低自爆率的唯一的技术要求,而不是也可采用超白玻璃。
  所以,降低钢化玻璃的自爆率,以目前的行业状况,只能采取均质处理的钢化玻璃,而不是选用超白的钢化玻璃,当然,前提是均质热浸处理的钢化玻璃必须严格按照国标《建筑用安全玻璃 第四部分:均质钢化玻璃》GB15763.4-2009的相关规定实行,并且严格控制升温速度和炉内温度的均匀性。另外,如果国内钢化玻璃的标准能象国外标准那样,将钢化玻璃的表面应力降到69MPa,我想能解决很大一部分钢化玻璃自爆的问题。

  五、幕墙防火层设计

  幕墙防火层关系到幕墙结构乃至整个建筑的安全,但在幕墙防火层设计中,一些设计人员往往对幕墙防火层的设计原理理解不清,导致构造设计存在安全隐患。如图2所示,某幕墙项目的防火层节点设计就具有较普遍的代表性,主要有以下几个方面的问题:
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? 幕墙防火层常见问题示意图
(1)梁底部防火层黄色部位的局部防火层厚度小于100mm,局部应进行加厚;

(2)如楼板部位不设计防火封堵层,一旦层间梁位置的幕墙玻璃面板受热炸裂后,下层的烟火将沿着箭头方向窜到上一层楼面,除非层间梁位置的背板也采用镀锌钢板加100mm厚防火岩棉。所以,幕墙防火设计应设置两道防火封堵层,确保幕墙防火安全。

(3)悬挑超过300mm以上的防火层,如支撑在铝合金横梁上,一旦横梁遭受火灾软化失效,将直接导致梁底部防火层垮塌。所以,梁底部防火层应设置独立的支承结构,并直接与主体结构连接固定。

(4)当主体结构不燃烧墙体高度小于800mm时,幕墙防火层底部至结构顶面的有效高度应不小于800mm,同时,幕墙防火层构件系统的耐火极限应不低于1小时。幕墙防火层构件可采用国家标准《建筑设计防火规范》GB 50016-2014附录中的附表1“各类非木结构构件的燃烧性能和耐火极限”非承重墙部分提供的构件,如采用两块8mm厚硅酸钙板中间填厚度为75mm以上,容重为100kg/m3的岩棉等,也可采用经国家级相关权威机构认可的其它防火构件。

  所以,当主体结构不燃烧墙体高度大于800mm时,且防火层悬挑距离小于300mm时,幕墙宜设置两道防火封堵层;当主体结构不燃烧墙体高度小于800mm时,且防火层悬挑距离大于300mm时,幕墙应设置两道防火层,防火层构件系统的耐火极限应满足不小于1小时要求。??
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幕墙防火层设计示意图?
??六、玻璃幕墙室内安全护栏
  在玻璃幕墙设计中,建筑师往往要求玻璃幕墙应设置室内安全护栏,设置的依据是《民用建筑设计统一标准》GB50352-2019、《住宅设计规范》GB50096-2011以及《建筑玻璃应用技术规程》JGJ 113-2015等,这些标准里是否有要求设置室内安全护栏的相关规定呢?下面主要针对这三部标准分别进行解读。
  (1)《民用建筑设计统一标准》里关于栏杆的内容主要是在第6.7.3条、第6.11.6条和第6.12.4条。6.7.3条“阳台、外廊、室内回廊、内天井、上人屋面及室外楼梯等临空处应设置防护栏杆”,这条指的是临空处的栏杆,显然与幕墙室内护栏无关;6.12.4条“建筑幕墙设置的防护设施应符合本标准第6.11.6条的规定”,所以主要看6.11.6条;6.11.6条“窗的设置应符合下列规定:3公共建筑临空外窗的窗台距楼地面净高不得低于0.8m,否则应设置防护设施,防护设施的高度由地面起算不应低于0.8m。4居住建筑临空外窗的窗台距楼地面净高不得低于0.9m,否则应设置防护设施,防护设施的高度由地面起算不应低于0.9m”,从这条可以看出,应设置防护设施的前期条件是临空外窗,也就是说只有幕墙上设置了可开启外窗的部位且防护高度不满足标准要求时,才需要设置防护设施,而不是所有玻璃幕墙都必须设置室内安全护栏作为安全设施。
  (2)《住宅设计规范》的6.1节“窗台、栏杆和台阶”里也有与《民用建筑设计统一标准》类似的规定,但都是指外窗部分。
  (3)《建筑玻璃应用技术规程》第7.3.2条规定“根据易发生碰撞的建筑玻璃所处的具体部位,可釆取在视线高度设醒目标志或设置护栏等防碰撞措施。碰撞后可能发生高处人体或玻璃坠落的,应采用可靠护栏”。首先在易发生碰撞的建筑玻璃的部位,是“可”釆取醒目标志“或”设置护栏,“可”是严格程度最低的用词,换句话说就是也可不采用,或采用醒目标志,不一定非要设置护栏;其次,玻璃幕墙的可碰撞部位的玻璃都为双层,甚至三层玻璃,即使撞碎室内侧玻璃,可能发生高处人体或玻璃坠落的概率也极低,所以也没有要求必须采用安全护栏。
  其它标准尚未找到相关要求,所以,玻璃幕墙应在室内设置安全护栏的要求没有标准依据,但可能发生碰撞的玻璃应严格按《建筑玻璃应用技术规程》第7章“建筑玻璃防人体冲击规定”中安全玻璃最大许用面积的相关规定实行。

七、石材幕墙的挂件设计

  石材幕墙采用背栓连接方式是常用做法,石材通过背栓与铝型材挂件连接,详见图4。铝型材挂件一般分为双挂勾和单挂勾,双挂勾由于上下两个挂勾与铝型材转接件挂接,故能抵抗正、负风压下的作用,而单挂勾只与铝型材角码上部进行挂接,在石材承受负风压时,挂件A截面会产生一定的弯矩,需对该截面进行强度校核。
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石材幕墙背栓式双挂勾、单挂勾挂件节点
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?下面通过示例来简单计算一下铝型材挂件在负风压作用下的A截面的受力情况。

  基本参数:

  假设石材面板的面积为1.0㎡,采用4个背栓固定,风荷载标准值为2kPa;

  石材自重由上部的铝型材挂件承担,考虑4个点受力的不均匀系数1.25;

  下部石材挂件为6063-T6,宽度为60mm,挂件A截面壁厚4mm,受力偏心距为30mm。

  挂件抗弯强度:

  负风压作用下挂件A截面处集中力 F=(1.5×2.0×1.0×1.25)?4=0.938 kN

  挂件A截面弯矩 Mf=0.938×0.03=0.028 kN.m

  抵抗矩 Wx=(60×42)?6=160 mm?

  挂件A截面最大应力 σmax=Mf?Wx = 175.8MPa > 150MPa,不满足计算要求。

  所以,石材采用单挂勾进行挂接时,往往容易忽视A截面处的强度计算,在风荷载不大的条件下,通过上述计算可以看出,单挂勾挂件存在一定的安全隐患,需根据石材分格、风荷载以及挂件的厚度、偏心距等的具体情况进行强度复核,避免出现设计安全问题。当然,其它人造板幕墙如采用相同的构造设计时,也同样应引起重视。
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