玻璃幕墙支承结构体系连接设计
玻璃幕墙支承结构体系连接设计
广东金刚幕墙工程有限公司 陈 鹏
摘要：本文就玻璃幕墙横梁与立柱、硅酮结构密封胶、立柱与主体结构等的连接设计进行了介绍。
关键词 玻璃幕墙；立柱；横梁；连接设计
由面板与支承结构体系（支承装置与支承结构）组成的、可相对主体结构有一定位移能力或自身有一定变形能力、不承担主体结构所受作用的建筑外围护墙，称为建筑幕墙。按建筑幕墙的面板可将其分为玻璃幕墙、金属幕墙、石材幕墙、各种人造板材幕墙、采光顶与金属屋面及组合幕墙等。建筑幕墙普遍是框支承幕墙，按安装形式又可将其分为构件式幕墙、半单元幕墙、组合板块式幕墙、单元建筑幕墙等。本文重点就玻璃幕墙支承结构体系的连接设计进行介绍。
1 横梁与立柱连接设计
1.1横梁与立柱采用角码及不锈钢螺栓连接
在幕墙的连接设计中，横梁与立柱通常采用角码及不锈钢螺栓连接。在进行横梁与立柱连接的设计中，通常情况下，计算中考虑了螺栓、角码直接承受水平方向的风荷载、地震作用和竖向的自重荷载。
A、构造要求
(1)横梁可通过角码、螺钉或螺栓与立柱连接。角码应能承受横梁的剪力，其厚度不应小于3mm。
(2)横梁与立柱之间应留1.5～2mm伸缩缝，用双面带泡沫体充填，并用密封胶密封以利于克服横梁因热胀冷缩所产生的伸缩。
(3)角码和立柱采用不同金属材料时，应采用绝缘垫片分隔或采取其他有效措施防止双金属腐蚀。
图1给出了典型的连接节点构造。
B、设计计算
在立柱安装横梁的位置上安装铝角码，将横梁搁置在其上并用不锈钢螺丝定位。如图2所示。螺栓受剪，立柱壁与角钢壁受承压。计算中要区分横向和竖向不同的受力情况。竖向节点（角码与立柱及连接螺栓）要承受水平方向的风荷载、地震作用与竖直方向的重力荷载；横向节点（横梁与角码）由于横梁搁在角码上，只承受水平风荷载和地震作用。如图2所示。
其计算同钢结构连接计算，计算步骤如下：
(1)竖向螺栓计算：取两个方向荷载作用效应的合力：
(2)横向螺栓计算：只取水平方向荷载所产生的作用力进行计算及校核。
(3)承压验算：取竖向螺栓的合力进行计算及校核。
1.2横梁与立柱采用挂钩式插芯连接
横梁与立柱采用挂钩式插芯连接，最常见的就是广东兴发铝业开发的智慧型挂钩式幕墙系统，如图3。本系统连接受力比较合理，玻璃板块与立柱横梁连接安装设计了挂钩结构，玻璃板块四周挂钩全部插入立柱与横梁相应的槽口内，不用压板固定，实现了线面接触，能够承受较强风荷载值。
构造性能:
(1)安装连接件时能够调整上下左右偏差。
(2)横梁在热胀冷缩和地震作用下能够自由伸缩。
(3)横梁的抗扭和抗剪性能大大增强：由于横梁槽口与连接件槽口紧密结合，连接件上3个螺钉或螺栓采取三角形合理分布，加上连接件与卡紧件上下有一定的距离又紧贴横梁的内部两侧，因此横梁的抗扭及抗剪性能大大增强。
(4)横梁、连接件、卡紧件、扣板实现一次性切割，无须任何二次铣切加工。
(5)安装连接件、横梁、卡紧件的全过程十分方便；大量减轻制作、安装、施工人员的劳动强度，施工进度大大提高，而且可维护与更换性强。
(6)通用性强：可适用各种结构幕墙与立柱之间的连接。
1.3横梁与立柱采用不锈钢弹簧销连接
不锈钢弹簧销由销头、销柱及弹簧组成一体。横梁型材上有弹簧销孔，把弹簧销的弹簧和销柱部分先插于横梁相对应的型材孔内并定位，立柱对应位置开有销钉孔。安装时对销头施加压力，使弹簧变形达到销头与横梁两端齐平，此时把横梁推入立柱对应的位置，到达立柱上相应的孔位，弹簧销在弹簧的推力作用下把销头弹入立柱孔内，从而实现横梁与立柱的连接固定，如下图4所示。
不锈钢弹簧销主要验算其截面抗剪强度，弹簧销受剪承载能力按下式计算:
Dvbh= Nv×π×D2×fv/4 (GB50017-2003 7.2.1-1)
式中 Nv: 剪切面数； D: 螺栓公称直径； fv: 不锈钢弹簧销连接的抗剪强度计算值；Dvbh: 螺栓受剪承载能力；
连接部位铝型材壁承压验算，按下式计算：
Ncbl= D×∑t×fcb×Num/1000 (GB50017-2003 7.2.1-3)
式中 Ncbl: 连接部位幕墙横梁型材壁抗承压能力计算；
fcb: 构件承压强度设计值；
t: 连接部位铝型材壁厚: 2.5 mm
Nnum: 弹簧销个数
2 硅酮结构密封胶设计
硅酮结构密封胶应根据不同的受力情况进行承载力极限状态验算。在风荷载、水平地震作用下，硅酮结构密封胶的拉应力或剪应力设计值不应大于其强度设计值f1，f1应取0.2N／mm2；在永久荷载作用下，硅酮结构密封胶的拉应力或剪应力设计值不应大于其强度设计值f2，f2应取0.01N／mm2。
竖向隐框、半隐框玻璃幕墙中玻璃和铝框之间硅酮结构密封胶的粘接宽度Cs，应根据受力情况分别按下列规定计算。
(1)在风荷载作用下，粘接宽度Cs应按下式计算：
式中：ω为作用在计算单元上的风荷载设计值，α为矩形玻璃短边长度；f1为结构胶的在风荷载或地震作用下的强度设计值。
(2)在风荷载和水平地震作用下，粘接宽度Cs应按下式计算：
式中：qE为作用在计算单元上的地震作用设计值。
(3)在玻璃永久荷载作用下，粘接宽度Cs应按下式计算；
式中：qG为幕墙玻璃单位面积重力荷载设计值；a、b分别为矩形玻璃板的短边和长边长度；f2为结构胶在永久荷载作用下的强度设计值。
(4)水平倒挂的隐框、半隐框玻璃和铝框之间硅酮结构密封胶的粘接宽度Cs应按下式计算：
(5)硅酮结构密封胶的粘接厚度ts应符合下式的要求：
式中：ts为结构胶的粘贴厚度；us为幕墙玻璃的相对铝合金框的位移，必要时考虑温度变化产生的相对位移；δ为结构胶的变为承受能力，取对应于其受拉应力为0.14MPa时的伸长率；hg为玻璃面板高度；θ为风荷载标准值作用下主体结构的楼层弹性层间位移角限值。
3 立柱与主体结构连接设计
幕墙结构的立柱宜直接连接在主体结构上，并使其处于受拉工作。幕墙结构与主体结构间的连接设计必须保证具有足够的承载能力、刚度和相对于主体结构的位移能力。连接件应进行承载力计算，且连接件与主体结构的锚固强度应大于连接件本身的承载力设计值。
3.1 立柱与主体结构连接设计
通常幕墙的立柱应直接与主体结构连接，以保持幕墙的承载力和侧向稳定性。有时由于主体结构平面的复杂性，使有些立柱与主体结构有较大的距离，难以直接连接其上，这时，要在幕墙立柱和主体结构之间设置连接桁架或连接型钢。
当幕墙的立柱是铝合金时，铝合金与钢材的热膨胀系数不同，温度变形有差异。铝合金立柱与钢桁架连接后会产生温度应力。设计中应考虑温度应力的影响，或者使连接有相对位移能力，减小温度应力。
幕墙立柱是竖向杆件，在重力荷载作用下如果处于受压状态，为满足稳定性的要求，必定使截面尺寸较大，材料消耗较多；如果采用悬挂方式，则使立柱受拉，截面相对较小，设计较为经济。
幕墙横梁与立柱的连接，立柱与锚固件或主体结构钢梁、钢材的连接，通常通过螺栓、焊缝或铆钉实现。《钢结构设计规范》对上述连接均做了详细的规定，可参照上述规定进行连接设计。
3.2设计要求如下：
幕墙与主体结构连接的固定支座应有足够的强度，材质宜采用铝合金、不锈钢或表面热镀锌处理的碳钢。固定支座采用长圆孔等措施使得支座有适当的调节范围，其调节范围均不小于±20mm。
幕墙与主体结构连接设计应考虑以下的基本要求：
(1)对重力荷载、风荷载、地震作用和温度作用有足够的承载能力。
(2)在上述荷载和作用下，不应使幕墙构件产生有害的变形。
(3)当主体结构与幕墙产生相对位移时，不应影响幕墙的正常使用。
连接件应通过计算或实物试验，确认连接件在各受力方向有足够的承载力和变形能力。受力的铆钉和螺栓，每处不得少于2个，以增强连接处对突发情况的安全可靠度。
连接件与主体结构的锚固力应大于连接件本身的承载力。同样与连接件直接连接的主体结构的承载力也应大于连接件的承载力。
幕墙不应全部采用膨胀螺栓与主体结构连接。膨胀螺栓一般只能部分用于旧建筑物加装幕墙，此时也应每隔3～4层加一层锚固件连接。新建建筑中，幕墙应通过预埋件与主体结构连接，预埋件应在混凝土施工时预先埋入。膨胀螺栓只能作为局部附加连接措施。膨胀螺栓宜设计为受剪，不宜设计为受拉。
4 结束语
玻璃幕墙支承结构体系连接设计是幕墙设计的基础，选择好的支承结构体系需充分考虑到结构安全性、加工及施工简易性、经济合理性。随着幕墙结构形式复杂化、多样化的发展，其连接形式也会有所变化或者采取多种连接形式的组合，但其设计原理、构造要求及计算内容是相通的。
更多内容详见《门窗幕墙月刊》杂志