幕墙设计应谨慎使用角铝直接连接横梁与立柱的做法

随着时代的发展，各种形态的玻璃幕墙成为建筑师用来展示建筑整体效果的最主要的内容，为了突出建筑通透效果，既高又宽的大规格的玻璃面板用于了建筑立面。近些年来我国各地对建筑安全性要求不断提高，外立面玻璃幕墙安全更是重中之重，为防止玻璃发生意外破裂坠落造成伤人的安全事故，很多地方已要求外层玻璃必须使用夹层玻璃，加上国家对建筑节能要求越来越高，以往常用的普通中空玻璃已经不能有效满足越加严格的规范对传热系数的要求，因此中空夹层乃至双中空夹层的玻璃使用也愈来愈广泛，在这种发展趋势下，很多以往我们设计一般不被注意的方面产生出问题会显现出来，这里我们就设计中一个比较容易让人忽略的问题做一个简单分析，并能起到抛砖引玉效应，发展出新的设计思路，让我们的幕墙设计做到精益求精。

众所周知，一般的玻璃幕墙的横梁除了抵抗一部分作用在面板上的水平荷载（包括风荷载和水平地震荷载）并把传递到立柱，主要还有承受上方面板的自重荷载。根据《建筑玻璃应用技术规程JGJ113-2015》中对玻璃面板面积的限定规定，6+6的夹层玻璃最大许用面积是8m²，也就是说我们工程中常用6HS+1.14PVB+6HS+12A+6HS+1.14PVB+6HS的中空夹层玻璃最大面积只能用到8m²，假设玻璃宽度是1.8m的话，玻璃的最大高度接近4.44m。

对于一般的框架幕墙3m(高)×1.5m（宽）的玻璃分格还算是一个比较常规的尺寸，这个尺寸也远小于上面规定的面积限值，我们看一下常规的幕墙横梁与立柱是如何连接的：

角铝最薄弱截面所在部位(云线部位)：

从上图看出，我们很喜欢使用的是连接件角铝用来连接幕墙立柱与横梁，横梁与幕墙立柱之间是有缝隙的，所以位于这个缝隙部位的截面（A-A截面），是横梁传递到所有立柱之间的荷载最薄弱的部分，这个85mm×5mm的矩形铝合金截面要来承担所有横梁传递到立柱的荷载，现在的问题在于横梁上方重力产生的偏心扭矩这个85mm×5mmm的矩形铝合金截面是否能抵抗住的，这个截面是否能够承受这个扭矩，我们通过一个计算分析一下。

横梁上方玻璃面板（4片玻璃总厚度24mm）自重设计值为：1.35×25.6×10^-3×24 = 0.82944 kPa, Fg = 0.82944×2.8×1.5 / 2 = 1.74182 kN ,偏心扭矩T = Fg ×e2 = 1.74182×81.3×10^-3 = 0.14161 kN.m,对85mm×5mm铝合金截面扭转进行分析，截面所受剪应力如图所示：

 连接角码A-A截面几何特性：

Y方向(水平方向)的剪应力（τy应力图（N/mm²））彩图如下:

Z方向（竖直方向）的剪应力（τz应力图（N/mm²））彩图如下:

总体剪应力（τ应力图（N/mm²））彩图如下:

   剪应力线如下图示（τ应力图（N/mm²））:

从上面这些截面剪应力云图中可以看到，85mm×5mm截面的铝合金截面的剪应力最大的部位达到了209.53Mpa,如果使用6061-T6材质，已经远超过了115Mpa的设计值，其实作为转接件的角铝本身抗扭性能就不好，用其单肢截面抗扭，效果就更差了。

其实这个问题并非现在就存在，在以往的框架式玻璃幕墙中已经存在了，只是以前我们设计和计算并没注意这种设计的弊端，同时早期很多涉及幕墙的规范没有这方面要求，加上以往玻璃面板的重量比现在要轻很多，所以这个缺陷在以往工程中并没有得到明显反应，就算工程中碰到玻璃低头等问题，也往往从横梁截面是否太小，玻璃托条是否太短太薄，以及连接角铝与立柱连接螺栓是否太少这些方面去考虑，基本不会考虑到角铝抗扭的问题，虽然通过一些列修正措施，能解决一些问题，但是对于现在使用更大的玻璃面积，更重的玻璃重量让整个系统的最短板显现出来，不注重角铝截面本身的问题，用以前的思路设计幕墙，是绝对会出问题的。

   其实解决这个问题的思路有好多方式，最直接的方法是增加角码的厚度和长度，但是这样的方法效果并不明显，由于截面并非封闭的腔体，其扭转常量增加有限，而增加长度会使偏心距增加，反而增大了作用在截面上的扭矩，抵消了增加的截面抗扭能力。

   从上面修改思路扩展一下，我们如果把使用的角铝改成槽铝扭转常量增加可翻倍（如图说示），可以提高角码的抗扭能力，不过抗扭截面是开口截面,扭转常量与闭口截面相比差别是数量级的，开口截面能够提高的范围有限。

  当然我们如果能够解决磨具工艺，施工便利等情况下，设计出可用于工程的闭口腔体，是终极解决这个问题最直接的方法，不过我们还可以从另外一个思路解决这个问题，可以把横梁前端延伸到立柱前端，通过有效的机械连接措施，把横梁所受的扭矩直接传递到立柱，让扭矩转化成作用在立柱连接点上的弯矩，从根本上避免侧面的连接角码受扭转的情况，这种在适当增加了加工工序及安装工序的情况下的措施，可以从根本上解决这个问题。

   以上是我工程中对针对框架式玻璃幕墙横梁使用角码连接的一个分析判断，虽然只是幕墙设计中一个很不起眼的内容，但是如果我们对此深入探讨，也是能在上面深化出有新意的设计的内容，设计的魅力也是在对成熟的设计重新认知不断优化，并结合现代科学技术的发展，即可以解决产品缺陷的问题，又可以加入新的功能，让设计的创新得到不断的持续。

                                            设计部：徐雁

                                            2018-01-12