關于穿孔鋁板幕墻計算的幾點探討

　　一、在工程中的應用

　　穿孔鋁板指用純鋁或鋁合金材料通過壓力加工制成(剪切（詞條“剪切”由行業大百科提供）或鋸切)的獲得橫斷面為矩形，厚度均勻的矩形材料。構成要素有穿孔率、孔徑、板厚和板型，其中穿孔率是影響穿孔鋁板單元的核心因素，是影響其視覺整體感的表達、降低建筑能耗的設計關鍵。受加工成本、單元自重、單元平整性等因素的影響，作為外表皮使用的穿孔鋁板板厚常選用1.0mm~6.0mm板。玻璃-穿孔鋁板雙層幕墻應用實例：

圖1、合肥工業大學智能制造技術研究院

　　二、玻璃-穿孔鋁板幕墻的風壓取值探討

　　玻璃-穿孔鋁板幕墻，外表皮為穿孔鋁板面板，內表皮為玻璃面板;外表皮直接承受風荷載，但是由于孔洞的存在，風可以通過孔洞作用到內表皮，內表皮也承受風荷載。兩層表皮各自承受風荷載的大小取值很復雜，實際工程中通過風洞試驗的模擬能得到外表皮外壓、外表皮內壓、內表皮外壓的分布情況，從而得到比較準確的外表皮和內表皮風荷載取值。當缺少風洞試驗報告的時候，筆者查閱了一些國內外的風荷載規范和雙層幕墻規范以及相關文獻，希望能從中得到能運用到實際工程設計中的思路和方法。

　　1、中國地方規范《上海市建筑幕墻工程技術規范》DGJ 08-56-2012/J 12028-2012

　　上海市幕墻規范中第14.1.6條規定了外通風雙層幕墻風荷載的取值，外層幕墻承受全部風荷載，內層幕墻根據腔體體積與有效通風面積的比值進行相應的折減。類比到玻璃-穿孔幕墻，假定樓層高度為3.6m，幕墻分格為1.5m，中間腔體的大小為1.0m穿孔率為40%，計算V/Aen=2.5m，屬于0~20m的范圍，內層幕墻承風的比例為100%，即全部承風。外層穿孔鋁板的風荷載和內層玻璃幕墻的風荷載大小一致，取常規幕墻的風荷載值。

　　2、歐洲規范《Eurocode 1: Actions on structures-Part 1-4:General actions-Wind actions》BS EN 1991-1-4:2005

　　歐洲規范中第7.2.10條對多于一層表皮的風壓取值情況有比較詳細的規定。類比到玻璃-穿孔鋁板幕墻，外表皮開孔內表皮密閉，外層總壓力系數取值：正壓力系數=2/3*(常規外壓力系數);負壓力系數=1/3*(常規外壓力系數).內層總壓力系數取值：常規外壓力系數-常規內壓力系數=常規總壓力系數。類比到中國荷載規范風荷載局部體型系數取值如下：

注：大面指迎風面，轉角指與迎風面相鄰面的轉角區域。

　　3、風洞試驗相關文獻

　　風洞試驗模型縮尺比例一般為1:100，由于穿孔鋁板上的孔徑很小，風洞試驗模型很難模擬穿孔鋁板的真實情況，經查閱相關文獻，引用與之類似的風洞試驗報告結論作為參考：

　　(1)《長沙梅溪湖國際文化藝術中心圍護結構風荷載研究》——同濟大學土木工程防災國家重點實驗室，試驗模型為局部模型，縮尺比為1:15，雙層幕墻屋面板的外層為GRC板，內層為密閉防水層，兩層表皮之間的距離約600mm，外層GRC板之間沿縱橫分布有20mm和50mm的縫。

　　試驗報告結論：基于風洞試驗結果，可以發現對于雙層屋面板結構，相同位置處的外層內表面風壓和內層外表面風壓基本以致，即空腔內的風壓基本一致。另一方面，當外層幕墻的外表面的風壓為正值時，相應位置的空腔處的風壓也基本為正值，只是壓力大小有所降低;同樣當外層幕墻的外表面的風壓為負值(吸力)時，相應位置的空腔處的風壓也基本為負值，壓力絕對值同樣有所降低。這些結果表明雙層屋面板結構空腔部分的壓力基本與其外表面的風力相關，只是絕對值有所降低。

圖2、試驗模型照片

　　(2)《矩形建筑雙層幕墻的風荷載特征及陣風系數》——浙江大學建筑工程學院，風洞試驗項目為杭州黃龍綜合辦公樓，建筑平面為矩形，幕墻類型外通風雙層幕墻，試驗模型縮尺比為1:100，在外幕墻上相應位置開孔來模擬通風百葉窗。風洞模擬的結果見下表：

　　試驗得出的結論：對于矩形(L形)廊道式通風幕墻，內幕墻風載可按單幕墻的進行取值，并偏于安全;外幕墻風載，當其處于矩形長邊時，可按單幕墻的適當折減，當位于矩形拐角及短邊時，則需要放大處理。

　　(3)《典型體型高層建筑雙層幕墻風壓分布試驗》——浙江大學建筑工程學院，風洞試驗項目為浙江省麗水電力生產調度中心，建筑平面為帶小凹槽的圓形，幕墻類型外通風雙層幕墻，透空率為7.2%，試驗模型縮尺比為1:150，在外幕墻上相應位置開孔來模擬通風百葉窗。風洞模擬的結果見下圖：

　　試驗結論：對于弧形廊道式通風幕墻，內幕墻風載可按單幕墻的進行取值，并偏于安全;外幕墻風載，當其處于圓弧中段時，可按單幕墻的適當折減，當其位于圓弧端部時，需要進行放大。

　　綜述：玻璃-穿孔鋁板雙層幕墻的內外層風荷載局部體型系數的取值與單層幕墻風荷載局部體型系數的取值有較大差異，影響因素主要有雙層幕墻在建筑面上的分布情況、鋁板開孔情況、內外層空腔間的距離及空氣流通情況等。當在實際工程幕墻設計中缺乏風洞試驗數據時，幕墻風荷載局部體型系數可以參考以下取值(主要參考的歐標和風洞結論)：外層穿孔鋁板風荷載局部體型系數在大面區域取0.67，在轉角區域取1.8~1.9;內層玻璃幕墻風荷載局部體型系數按單層幕墻的取值。內外層幕墻面板直接承受風荷載，局部體型系數不折減，非直接承風的支撐龍骨按從屬面積對局部體型系數進行折減，最后計算的風荷載值均不小于1kPa。

　　三、穿孔面板的計算分析

　　1、鋁板幕墻的鋁板設計一般情況下均在鋁板背面設置加強筋把鋁板分為一個個小的區格，邊肋和中肋對小區格板的四邊形成約束，按四邊支承板的模型對鋁板區格進行計算。以板塊為2400mmx1200mm，3mm厚的鋁單板為例，風壓標準值（詞條“標準值”由行業大百科提供）按1.5kPa，加強筋沿短邊布置，按《金屬與石材幕墻工程技術規范》JGJ 133-2001的金屬板計算公式計算，加強筋的間距按800mm布置，滿足強度和撓度的要求。

　　2、穿孔鋁板在板上開了很多孔洞，削弱了面板的剛度，但是同時面板的承風面積也減小了，這兩方面對穿孔板的承載能力都有影響。根據實際工程情況把穿孔鋁板分為兩種類型：第一種為開孔規則、有空間布置加強筋而且不影響外觀效果的板;第二種為開孔不規則或者不允許布置加強筋的板，這里分析的板均為板塊較大的板，尺寸小的板和窄條形的板均不做分析(可按常規鋁單板設計)。

　　① 布置加強筋的穿孔板

　　計算思路和方法依據鋁單板的計算，選取區格單元和相應的邊支承模型。采用有限元對不開孔鋁板和兩種開孔率的開孔鋁板進行對比分析。

　　ANSYS模型(1200x800mm，3mm厚，面單元Shell163)：

　　面板變形云圖：

　　計算結果匯總：

　　從結果比值可以看出，穿孔鋁板比不開孔鋁板的最大撓度有所增大，并且開孔率越大，撓度也會稍有增長，考慮到實際工程中穿孔率一般不會太大(受限于孔的排列方式)，用常規鋁板的計算方法將計算結果的利用率控制在85%以下，可以滿足實際工程設計的需求。

　　② 不布置加強筋的穿孔板

　　由于板塊較大且不布置加強筋，如果按常規鋁板的設計思路來設計和計算，可以通過把穿孔板的厚度加大的方式來提高穿孔板自身剛度以抵抗外荷載，但實際工程中加大厚度的方式會使成本過高，不適用于一般工程的需要。規范中對金屬板四周折邊處的約束情況均按簡支承邊來考慮，依據經典彈性力學板殼理論給出計算公式，這有一定的局限性，如果把板四周折邊處的約束做強，不僅約束住板平面外的平動，同時也約束住平面內的平動，即對X/Y/Z三個方向的位移都約束，這樣面板承受外荷載產生變形時，周邊約束會對面板有拉扯的作用，從而阻止變形的進一步增大。

　　ANSYS模型(1200x2400mm，3mm厚，面單元)：

　　面板應力和變形云圖：

　　從應力和變形云圖的分析結果可知，在穿孔板中部孔周邊的應力最大，而且應力的分布主要集中在平行短邊方向的豎向孔與孔間板帶區域，兩種穿孔板的最大應力為27MPa，滿足3003-H24鋁合金板的抗彎強度設計值100MPa。最大撓度發生在面板中部，穿孔板的最大撓度為9.4mm，滿足變形的限值要求。最大變形計算結果匯總如下：

　　查看邊約束反力，在面內方向長邊反力為34kN，折算為線荷載為14.2kN/m，如果連接螺栓按@200來布置，單個螺栓承受約3kN的剪力標準值，選用M6的螺栓或機絲可以滿足要求。側向的作用力也會對長邊方向支撐龍骨產生不利作用，在龍骨左右分格一致的時候，側向作用力的不利作用會相互抵消;在邊部只有單邊分格的龍骨受力需要既能抵抗垂直面板方向荷載作用，也能抵抗平行面板的側向荷載作用。

　　邊X/Y/Z的約束，可以通過具體的節點做法(供參考)來實現：

　　注：方案二節點引自墨西哥BBVA銀行工程的框架開放式雙層幕墻外層穿孔鋁板節點。此工程建筑高度234.85m，外層面板用3mm厚菱形穿孔鋁板，邊長為1.7m，對角線尺寸為2686m*2100m。

　　四、本文的局限和不足

　　在玻璃-穿孔鋁板雙層幕墻風荷載取值部分，本文羅列了各國規范及近些年的相關文獻和著作，通過歸納、總結和類比的方式，給出了實際工程中玻璃-穿孔鋁板幕墻內外層風荷載局部體型系數的建議取值，但是缺乏真正的理論推導和實際的試驗數據以及相應的驗證方法。

　　在針對穿孔鋁板計算分析部分，本文通過對比規范公式的計算方法和思路，結合有限元分析的計算結果，給出了有無加強筋兩種形式穿孔鋁板的計算思路和解決方法。本文所作的一些結論只代表筆者的一家之言，如果有更嚴謹的理論推導依據和思路，以及相應的試驗數據，歡迎大家批評、指正。

　　參考文獻：

　　[1] 《建筑結構荷載規范》GB 50009-2012

　　[2] 《金屬與石材幕墻工程技術規范》JGJ 133

　　[3] 《雙層幕墻工程技術規范》QB/JH 102-2008

　　[4] 《上海市建筑幕墻工程技術規范》DGJ 08-56-2012/J 12028-2012

　　[5] 《建筑結構靜力計算手冊》建筑結構靜力計算手冊編寫組

　　[6] 《Eurocode 1: Actions on structures-Part 1-4:General actions-Wind actions》BS EN1991-1-4:2005

　　[7] 《Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures》ASCE/SEI 7-10

　　[8] 《長沙梅溪湖國際文化藝術中心圍護結構風荷載研究》，同濟大學土木工程防災國家重點實驗室

　　[9] 《矩形建筑雙層幕墻的風荷載特征及陣風系數》，浙江大學建筑工程學院

　　[10] 《典型體型高層建筑雙層幕墻風壓分布試驗》，浙江大學建筑工程學院

　　[11] 《均勻穿孔鋁板在均布荷載作用下的簡單計算探究》，北京江河，羅正午

　　[12] 《大板塊穿孔鋁板無加強筋設計研究》，沈陽遠大 洪欣;沈陽市建筑設計院，王友慶