幕墙结构连接设计要点

在现代建筑设计中，建筑幕墙结构连接设计犹如建筑的“关节”，其重要性不言而喻。它不仅是保障结构安全的关键环节，承受着风荷载、地震作用等多重考验，确保幕墙与主体结构的稳固连接；更是实现建筑使用功能的基石，使幕墙能够适应主体结构变形，满足隔热、防水等性能要求，为建筑内部营造舒适环境。同时，合理的连接设计还能提升工程的经济性，优化材料使用，简化施工工艺，降低建造成本。此外，它对增强幕墙的耐久性也至关重要，能有效抵抗环境侵蚀，便于维护和更换，延长使用寿命。而且，符合国家相关政策和标准的连接设计，是保障建筑工程质量和公共安全的必然要求。一、幕墙主龙骨与建筑主体的连接设计幕墙主龙骨与建筑主体的连接结构一般为隐蔽工程，有时不是很引人注意，但实际上它对整个幕墙的安全性、可靠性以及幕墙的整体优化设计起着举足轻重的作用。我们往往通过连接件把幕墙主龙骨与主体结构上布置合理的埋件，用适合的方法进行连接。1、幕墙主龙骨通常情况下都选用立柱做幕墙主龙骨，但实际上如果建筑主体结构合适的情况下也可采用横梁做主龙骨。横梁做主龙骨时，可以按多跨超静定梁进行计算，这样横梁和立柱的截面相对比较小，经济性也比较好。2、埋件埋件按其在主体结构上的位置划分，如图1,可分为上埋式、侧埋式和下埋式，其中下埋式受力较为不利，应谨慎使用；按其安装时间分为预埋式埋件和后补式埋件。图1 埋件位置分类后补式埋件只能通过机械螺栓和化学锚栓和主体结构进行连接。由于后补式埋件的安装质量受现场施工的条件和人员的影响非常大，不容易控制，经常达不到设计指标，尤其是国家已明文规定受拉部位不允许使用膨胀螺栓，所以如非必要尽量不采用后补式埋件。如图2，预埋式埋件根据埋件形状分为槽形埋件和爪形埋件。图2 埋件形式埋件与主体的连接强度直接决定了整个幕墙的安全，必须严格控制。在埋件设计时应注意以下几点：(1)预埋件锚筋与埋板的尺寸和位置在设计时应严格依据《玻璃幕墙工程规范》(JGJ102)及《混凝土结构设计规范》(GB50010)进行设计。(2)注意锚筋的长度不要超过结构尺寸（如梁厚度B），避免锚筋露出结构外。(3) 爪形埋件中A、B两型锚筋宜采用螺纹钢，且端部焊接短钢筋作锚固加强措施；C、D型的锚筋在设计时应考虑锚筋间的干涉及锚筋在安装时与结构配筋之间的干涉问题；E、F型埋件适合于需要进行防雷的部位。(4)埋板的大小在设计时应考虑幕墙的结构形式的需要。3、连接件幕墙主龙骨与埋件通过连接件进行连接。机械加工的幕墙龙骨精度高，而建筑土建施工的埋件误差通常非常大，所以要求连接件有足够的调节能力适应这种差异。连接件根据其可调节方式可分为普通连接件、三维连接件，如图3所示。连接件材料较为常用的是Q235钢板和型钢，或6061－T6铝型材。图3 连接件分类连接件形式多种多样，应根据工程实际需求，进行选择和设计。为了适应土建误差和施工方便，幕墙主龙骨与主体结构之间理论上应留有不小于50mm的间隙，并可三向调节：其中通常要求前后不小于±30mm，左右不小于±20mm，上下不小于±15mm。虽然普通连接件只有一个方向可以调节，但它可以与埋件进行点焊，如位置不合适，很容易拆下重新安装。三维连接件为了实现三维调整，一般通过两个连接件进行转接，并需要在埋板上有调节螺栓。调节螺栓可以用栽焊的办法安装在埋板上或选择带有滑槽的埋件。连接件调整到位后，需在合适的时候将连接件与埋件、连接件之间、连接件与螺栓垫片(厚度≥3mm)进行焊接处理或采用其他措施保证牢固不松动。螺栓需与螺栓垫片点焊或有其他防松脱措施。所有焊接部位均需要进行防腐处理。所有不同金属接触部位均应放置绝缘垫片，其中以尼龙垫片(2mm)最为合适，抗老化性好，有较好的硬度的同时又有一定的弹性。注意：由于所有的荷载最终都要通过连接件传递给主体，所以不管用什么方法，幕墙主龙骨与主体必须连接牢固，不允许采用弹性活动连接，不允许使用材质较软的弹性垫片，不允许产生相对滑移（实际地震时这些点连接措施方可能在动力荷载作用下发生破坏此时一些弹性措施才发生作用进行变形卸载，但初始静力荷载作用下则必须不产生相对滑移）。4、合理设置埋件不同的埋件设置，决定了不同的受力方式和计算力学模型，对优化设计，节约成本很关键，如图4是幕墙安装方式及受力模型示意。图4 幕墙安装方式及受力模型以上图示均以上端悬挂为例，其中拉弯杆件要比下端支撑的压弯构件受力好的多，不需计算失稳问题，所以实际设计中如无特殊情况，杆件均应采用上端悬挂。在相同的杆件和层高的情况下，这几种计算模型里，简支梁受力最为不利，对立柱的惯性矩和抵抗矩的要求最大，但简支梁安装简单，适应性强，有无窗台墙均可，对插芯的要求不高。外伸梁和双跨梁受力较简支梁有利的多，较为节约立柱材料，但对主体结构和设计均有要求。外伸梁尤其是双跨外伸梁，需要有窗台墙遮挡幕墙立柱接缝，并且插芯要有相当的强度来抵御所受弯矩。双跨梁则需要下返梁有足够的空间来安装第二个埋件，并且下支撑点应为长圆孔。在条件允许的情况下，双跨梁可以选择上埋和下埋的组合，这样中间支点最接近梁中间，受力最为有利。另外，一般情况下构件式幕墙和单元式幕墙均不建议简化为连续梁，虽然一些幕墙计算软件也提供这种算法，但这样做通常弊病比较大。因为我们认为只有达到以下条件才能称为连续梁：（1）插芯的惯性矩应大于与之相配的立柱的惯性矩；（2）在两个方向上总间隙均不应超过0.2mm；（3）插芯总长度应为立柱内腔对角线长度的4倍。但即使达到该条件，也会存在：不仅安装困难，防震效果不好，而且让较小尺寸的插芯惯性矩比大尺寸的立柱还要大，其壁厚需增加很多，再加上插芯总长度也加长了好多，经济上反而并不划算，所以实际中很少有人会这样设计。另外，如仍坚持按连续梁进行计算，立柱将偏于不安全。实际上完全可以按外伸梁或双跨梁来计算和设计，既节约铝型材，又很安全。二、幕墙主龙骨间插接设计规范要求竖龙骨间应预留不小于15mm的间隙，以适应和吸收主体沉降、温度作用、地震作用和施工误差。竖龙骨插接一般都通过插芯实现，插芯与竖龙骨间应采用机械连接方法加以固定，并应该紧密配合。其设计要点如下：（1）强度要求：当插芯位于支座按简支梁进行计算时，其所受弯矩接近于零，剪力最大；当插芯离支座较远按外伸梁进行计算时，其所受弯矩和剪力都较大。往往龙骨外伸部分受窗台墙的影响，一般都不会太长，所以插芯所受弯矩远远小于立柱所受弯矩。根据等强原则，插芯的安全系数不应小于竖龙骨，具体要求如下：1）插芯的壁厚应满足t≥3mm(实际工程中以t=4mm居多)，截面特性建议不宜低于竖龙骨型材截面；2）插芯与竖龙骨连接应符合变形协调原则，由于竖龙骨型材变形时，会产生弯曲变形，此时二者之间要满足一定的插接深度(《玻规》JGJ102规定插芯长度≥250mm)，为安装便捷其接触端应采用点线接触，如图5所示；图5 插芯点线接触要求（说明：1型方案尖点在受到挤压时，很容易发生较大变形，造成插芯与竖龙骨配合间隙加大；2型方案尖点虽然也会发生挤压变形，但由于是圆弧型，变形相对较小，对配合影响不大，其设计值应满足：a＝2～3mm，h＝1～4mm；3型方案尖点是一个1mm的平台，很难发生挤压变形。在设计合理的情况下，它的防雷导通能力很好，插芯与立柱的接触面积理论上可满足规范上防雷的要求。其设计值应满足：a＝3～4mm，h＝1～4mm。其中，h取1～4mm是较为合理的，如h设计较高时建议宽度同时增加以确保其稳定性。）3）插芯与竖龙骨配合一般以内腔为基准来进行插芯外廓尺寸的设计。插芯与竖龙骨的配合间隙，跟插芯的插入深度有关。插入深度越大，型材尺寸越大，配合间隙也要留的越大。在正常使用情况下，对于2、3型插芯，为了有效抵抗风荷载，前后总间隙不宜太大，也不宜使用过盈和过渡配合造成安装困难，综合考虑取0～0.5mm小间隙为宜。由于与主体结构连接处理牢固后，需在此处考虑减震，同时间隙不能太大，所以左右总间隙取0.5～1.0mm为宜。开模时可以先开竖龙骨型材截面，再配插芯截面。不过对于1型插芯案，这样的配合由于其尖点变形导致间隙加大，对抵抗风荷载作用不利，此时间隙留的不宜偏大。4）上下层不同截面竖龙骨间插接要求：考虑经济性，可采用标准的转换槽以减少型材开模数量，如图6。图6 采用标准转换槽实现上下竖龙骨插接三、横竖龙骨间连接设计

横竖龙骨之间的连接方法种类繁多，但好的设计很少。比较典型的连接形式有如下几种：横竖插接式、角码胀浮式、角码插接式、通槽螺栓式、双向锁紧式等，下面谈谈相应的优缺点。1、横竖插接式图7 横竖插接式如图7所示，横竖插接是将横梁插入立柱的预留槽内，它的特点在于：(1)横梁所受的正负风荷载均直接传递给了夹持横梁的立柱,而横梁角码和与竖龙骨连接的螺钉连接组合只承受玻璃板块和横梁的重力。对螺纹连接威胁最大的就是像风荷载这样一直存在的交变荷载作用。在长期交变荷载作用下，如无防脱措施，螺纹连接迟早失效。而这种竖龙骨夹持横梁的结构因螺纹连接不承受风荷载，所以其安全性、可靠性和抵御风荷载的能力较好；(2)横梁承受玻璃的偏心压力后定会产生扭矩，为使横梁能够有效的抵抗该扭矩，不产生偏转，应注意以下两点：a.横梁与立柱的连接处有足够的强度来对横梁限位；b.横梁本身有足够的抗扭截面模量。横竖龙骨接触比较充分，在横梁与竖龙骨接触的局部产生的变形微乎其微，横梁角码也不承担扭矩，这样可有效避免横梁整体偏转。而且其横梁的闭腔结构的抗扭截面模量远远大于开腔横梁，其抵抗扭转的能力也很好；(3)横梁与竖龙骨之间有较大的间隙，可以吸收温差产生的热胀冷缩。因横梁与横梁角码之间的摩擦力很小，故其很难产生摩擦噪音；(4)横梁浮搁在横梁角码上，在地震平面变形时可自由摆动，吸收地震作用。2、角码胀浮式图8 角码胀浮式如图8所示，角码胀浮式的连接方法结构设计合理，性能出色，造价也很有优势，值得推广应用，其主要特点如下：（1）方盒式结构强度好，惯性矩、抵抗矩和抗扭截面模量是所有横梁和立柱连接形式里最大的，横梁本身抵御弯矩和扭矩的能力非常出色的；（2）横梁通过角码把力传递给了竖龙骨，所以角码本身的强度和与立柱连接强度，对幕墙的性能至关重要。角码与立柱不宜用螺钉或穿堂螺栓来连接，应该用沉头自攻钉，自攻钉固定部位的局部厚度不应小于4mm，角码加工沉孔部位的厚度7～8mm较为合适。自攻钉规格应选择ST4.8，数量4个，安装时钉头挂一点密封胶；（3）横梁角码与横梁之间的前后总间隙不应大于0.2mm，此时横梁两端被整个横梁角码胀住，从而限制了横梁扭转。横梁则浮搁在横梁角码上可以自由伸缩，这种结构各连接部位和横梁本身都可以有效限制扭转，所以它在这些幕墙结构中抗扭能力最强。（4）其防震、减噪和吸收热应力的原理和横竖插接式相同，最小间隙应通过计算而定，但取2mm一般也足够。3、角码插接式图9 角码插接式如图9所示，角码胀浮式也属于角码插接式。区别在于角码胀浮式是整个角码与横梁内腔配合，而角码插接式是角码的一边插入横梁内的槽口，并与之配合。根据其插接的位置不同可分为横向插接和竖向插接。不论横向与竖向插接，横梁均可以是半闭腔或开腔结构。它的特点在于：（1）由于角码插接式与横梁也是浮动连接，所以其减噪和吸收热应力性能也同样很好；（2）角码胀浮式是整个角码与整个横梁内腔配合，角码插接式是角码的一部分和横梁的一部分配合，所以角码插接式的角码连接处强度不如角码胀浮式；（3）半闭腔横梁的抗扭截面模量一般只有角码胀浮式的一半左右。而开腔横梁的抗扭截面模量则低得可怜，一般是角码胀浮式的1/20～1/40，所以不宜把横梁设计成开腔结构。尤其重要的一点是即便是开腔横梁加了扣板，它也只能按开腔型材进行计算，不能想当然地认为它是闭腔的。抗扭截面模量的具体计算方法可以查阅有关材料力学书籍；（4）角码横向插接式角码与横梁配合间隙(如图15放大图)如按防扭设计，应该取0～0.5mm为宜，如因型材误差及防震设计的要求间隙不应小于1mm，这个间隙的取值在此陷入两难境地。角码竖向插接式的防震间隙留在了下部，与防扭并不冲突；（5）半闭腔横梁因安装空间狭小，一般安装两个螺栓或两个自攻钉，并且角码较小，所以角码与竖龙骨的连接强度不好，容易产生扭转。角码插接式如采用半闭腔横梁，且设计合理的情况下，是可以考虑使用的。4、通槽螺栓式图10 通槽螺栓式图10所示，通槽螺栓式的横梁上有通长槽口可以让螺栓帽在里面滑动但不能转动。安装角码时，将其用螺母与预置在槽口内的螺栓连接牢固，同时吸收温差带来的变形。但如无可靠的的防脱落措施情况下，很容易失效。温差产生的热应力一开始并不足以克服静摩擦力，随着温差加大，这种力量越来越强。最后就会超过克服静摩擦力的临界值，突然产生相对滑动，在有一定接触面积和表面粗糙度的情况下，发出摩擦噪声。在玻璃板块重量的作用下，摩擦噪音很微弱，一般人耳很难听到。而螺栓的夹紧力是玻璃板块重量的4～20倍，其作用下产生的摩擦噪音清晰可闻。5、双向锁死式图11 双向锁死式如图11所示，通槽螺栓式如严格定义的话，也应属于双向锁死式。区别在于通槽螺栓式比双向锁死式要强那么一点点：在克服重重阻力后，通槽螺栓式的横梁与横梁角码之间还是可以伸缩的，而双向锁死式在连接被破坏之前，连机会都没有。双向锁死式将横梁与横梁角码，横梁角码与立柱两处用螺栓、螺钉、自攻钉等螺纹连接或抽钉全部锁死。双向锁死式因其将横梁与横梁角码完全锁死，完全限制了横梁的热胀冷缩，带来了极大的弊病。在横梁与角码的连接被破坏前，限制膨胀产生的挠度变形是很大的，以1400mm的横梁伸长2mm计算，其挠度值高达37，而横梁的允许变形只有7.8mm，可见不考虑热胀冷缩的因素危害有多大。实际上，产生这么大的挠度是根本不可能的，因为如此大的热应力早就把横梁与角码连接处的薄弱部位给破坏了，常见的是将横梁拉成长孔。如使用螺栓连接可能还好一点，用了其他几种连接，在热应力的反复作用下，其连接是很容易要失效的。6、总结通过以上连接形式的分析，可以总结出以下的方法和原则：(1)横梁应采用尽量采用闭腔式结构。闭腔式结构不容易失稳，其壁厚一般较开腔式薄，不管从性能上还是经济性上都有优势；(2)横梁与横梁角码的连接必须是浮动连接，并有平面变形空间，用以防震、减噪和吸收热应力；(3)必须保证横梁角码与立柱的连接强度，让它们之间不产生相对滑动和转动；(4)安装和加工必须方便，质量容易保证，并使横梁与立柱的连接结构可以被维修。