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摘要：風荷載是幕墻結構的主要外部作用，沿海地區臺風頻繁，幕墻在臺風中破損的事件時有發生，沿海地區幕墻項目要特別注意。本文依據今年在海南登陸的“摩羯”臺風對海口某項目破壞情況為背景，首先分析了臺風對幕墻的破壞形式，然后通過數據對比分析了幕墻各部分材料抗臺風能力，分析表明幕墻按照現行荷載規范設計能夠抵抗絕大部分臺風的作用，最后總結一些影響和提高幕墻抗臺風的能力的措施。
關鍵詞：抗風設計;破壞形式;臺風等級;預防措施
1、臺風對建筑幕墻（詞條“建筑幕墻”由行業大百科提供）的影響
(1)、玻璃面板被臺風卷起的碎石擊碎。裙樓和較低樓層玻璃破損較多，主樓高處反而沒什么問題。從下圖圖片可以看到玻璃面板破碎落到地面上，而邊框位置玻璃碎渣因為有結構膠作用粘結在框上。
(2)、金屬面板被卷起的碎石或玻璃碎渣砸出凹坑，吊頂板被撕裂，連接螺釘被剪斷。金屬板在超強臺風作用下，由于面板剛度不足，受力形式由面外彎曲（詞條“彎曲”由行業大百科提供）變成面內張拉，張拉力要遠遠大與面板局部承壓力和連接螺釘抗剪承載力（詞條“承載力”由行業大百科提供），面板和螺釘很容易被撕裂和剪斷。
(3)、地面堆放未安裝上墻的單元板塊和玻璃板塊被吹倒和擊碎。如下圖所示面板堆放固定不牢，臺風來臨時將固定措施掀翻，面板沒有覆蓋被卷起的碎石擊碎。
其它例如龍骨破壞，預埋件脫落，開啟扇，玻璃面板整體脫落，此種情況現場較少見。
2、臺風風速和荷載規范風速轉換
《建筑結構荷載規范》GB50009-2012定義基本風速為“按當地空曠平坦地面上(B類地貌)10m高度處10min平均的風速觀測數據，經概率統計得出50年一遇最大值確定的風速”。
臺風根據風速可以分為三類：臺風(32.7-41.4m/s)、強臺風(41.5-50.9m/s)、超強臺風(≥51m/s)，登陸時是從海面吹來的，其地貌相當于荷載規范中的A類地貌;而風速時距，則采用的是2min時距。所以“臺風登陸時的最大風速”，指的是A類地貌條件下2min平均最大風速。
可見，荷載規范的“基本風速”和“臺風登陸時的最大風速”還不能直接比較，二者之間我們需要換算，具體換算步驟如下。
第一步，需要將2min平均最大風速換算為10min平均最大風速。根據世界氣象組織的指南，對于登陸臺風，大致可按下式換算：
而能夠抵抗多少級的臺風，只需要計算基本風速對應到的“臺風登陸時的最大風速”是多少就可以了。舉例來說，海南海口的基本風壓為0.75Kpa，按此標準設計的建筑，可以抵御最大風速34.6m/s(指標準地貌下10min平均)的風速作用，即12級風;也可以抵御登陸時最大風速41.4m/s(指A類地貌2min平均)的臺風作用，即13級臺風。湖北武漢的基本風壓為0.35 Kpa，按此標準設計的建筑，可以抵御最大風速23.66m/s(指標準地貌下10min平均)的風速作用，即9級風;也可以抵御登陸時最大風速28.29m/s(指A類地貌2min平均)的臺風作用，即11級臺風。
當風速超過了表中所列的風速等級，建筑也未必發生破壞。因為在承載能力極限狀態設計時，風荷載還需要乘上1.5的分項系數，材料還有一定的安全儲備系數。下面通過具體數據分析玻璃幕墻中各類材料抗臺風能力。
3 幕墻面板類材料極限抗臺風能力分析
3.1 玻璃面板抗臺風能力分析
根據玻璃幕墻規范條文說明，結合我國國情，玻璃面板整體安全系數K取2.5，對海口地區而言，考慮玻璃面板安全系數，按照現行規范設計能夠抵抗的基本風壓為0.75*2.5=1.875Kpa，對應荷載規范(標準地貌下10min平均)風速為54.77m/s，即16級風;也可以抵御登陸時最大風速65.5m/s(A類地貌2min平均)的臺風作用，即18級臺風。
3.2 鋁板幕墻抗臺風能力分析
鋁板幕墻常見的材質3003-H14為例，強度設計值89Mpa，其屈服強度（詞條“屈服強度”由行業大百科提供）為115Mpa。以鋁板保持彈性（詞條“彈性”由行業大百科提供）工作狀態不發生屈服為判斷依據，此時鋁板總安全系數為115/89*1.5=1.94。對海口地區而言，面板能夠抵抗的基本風壓為0.75*1.94=1.46Kpa，對應荷載規范(標準地貌下10min平均)風速為48.33m/s，即15級風;對應臺風最大風速57.79m/s，即17級。
3.3 石材面板抗臺風能力分析
以花崗巖為例進行分析，材料分項系數2.15，考慮風荷載分項系數1.5，則花崗巖石材總的安全系數K為3.225。對海口地區而言，石材面板能夠抵抗的基本風壓為0.75*3.225=2.419Kpa，對應荷載規范(標準地貌下10min平均)風速為62.21m/s，即18級風;對應臺風最大風速74.39m/s，即18級。
脆性材料由于在設計過程中取的安全系數更高，所以在抵抗臺風方面具備更大的潛力，從上表可知，按照荷載規范設計，在海口地區大部分幕墻面板都能抵抗17級以上臺風，上海地區大部分幕墻面板都能抵抗15級以上臺風。
4 幕墻龍骨類材料極限抗臺風能力分析
4.1 鋼材和不銹鋼（詞條“不銹鋼”由行業大百科提供）材抗臺風能力分析
幕墻工程中常用的鋼材為Q235（詞條“Q235”由行業大百科提供）B/Q355B,不銹鋼為304/316，以常見的鋼材Q235B(t≤16mm)為例，強度設計值215Mpa，屈服強度為235Mpa。鋼材保持彈性工作不發生屈服為判斷依據，此時總安全系數為235/215*1.5=1.64。對海口地區而言，鋼材能夠抵抗的基本風壓為0.75*1.64=1.23Kpa，對應荷載規范(標準地貌下10min平均)風速為44.36m/s，即14級風;對應臺風最大風速53.04m/s，即16級。
4.2 鋁合金型材抗臺風能力分析
常見的鋁合金型材有6061系列和6063系列，以6063-T6為例，強度設計值150Mpa，其屈服強度為180Mpa。型材總安全系數為180/150*1.5=1.8。對海口地區而言，型材能夠抵抗的基本風壓為0.75*1.8=1.35Kpa，對應荷載規范(標準地貌下10min平均)風速為46.48m/s，即15級風;對應臺風最大風速57.79m/s，即17級。
4.3 拉索和拉桿抗臺風能力分析
以幕墻用不銹鋼拉桿為例，其抗拉強度設計值為屈服強度除以1.4，考慮風荷載分項系數1.5，則拉桿總安全系數為1.4*1.5=2.1。同理根據索結構規程對拉索整體安全系數為2*1.5=3。
5 幕墻連接系統極限抗臺風能力分析
5.1 結構膠抗臺風能力分析
現行國家標準規定了硅酮結構密封膠（詞條“硅酮結構密封膠”由行業大百科提供）的拉伸強度值不低于0.6N/mm2。結構膠強度設計值取為0.2N/mm2，此時材料分項系數為3.0。考慮風荷載分項系數1.5，則結構膠總安全系數為4.5。
對海口地區而言，結構膠能夠抵抗的基本風壓為0.75*4.5=3.38Kpa，對應荷載規范(標準地貌下10min平均)風速為73.54m/s，即18級風;對應臺風最大風速87.94m/s，即18級。
5.2 不銹鋼螺栓（詞條“螺栓”由行業大百科提供）抗臺風能力分析
以A2-70不銹鋼螺栓為例，強度設計值為325Mpa，其屈服強度為450Mpa，以螺栓正常工作狀態不屈服為判斷依據，此時螺栓總安全系數為450/325*1.5=2.08。同理對5.8級普通螺栓，屈服強度為400Mpa，強度設計值為210Mpa，此時螺栓整體安全系數為400/210*1.5=2.8。
對海口地區而言，A2-70不銹鋼螺栓能夠抵抗的基本風壓為0.75*2.08=1.56Kpa，對應荷載規范(標準地貌下10min平均)風速為49.96m/s，即15級風;對應臺風最大風速59.74m/s，即17級。
5.3 焊縫抗臺風能力分析
以Q235B角焊縫為例，選用E43焊條，根據鋼結構設計標準，焊縫強度設計值為焊縫金屬抗拉強度的0.38倍，考慮風荷載分項系數采用1.5，則焊縫總安全系數為1/0.38*1.5=3.95。同理對Q355B鋼材，選用E43焊條焊縫強度設計值為焊縫金屬抗拉強度的0.41倍，考慮風荷載分項系數采焊縫總的安全系數為1/0.41*1.5=3.66。
對海口地區而言，Q235B角焊縫能夠抵抗的基本風壓為0.75*3.95=2.96Kpa，對應荷載規范(標準地貌下10min平均)風速為68.82m/s，即18級風;對應臺風最大風速82.29m/s，即18級。
6 幕墻埋件抗臺風能力分析
6.1 預埋件抗臺風能力分析
預埋件計算公式中HRB400級鋼筋，屈服強度360MPa，錨筋面積計算中采用強度設計值300MPa。可以近似認為材料分項系數為1.2，考慮風荷載分項系數預埋件總安全系數為180/150*1.5=1.8。對海口地區而言，螺栓能夠抵抗的基本風壓為0.75*1.8=1.35Kpa，對應荷載規范(標準地貌下10min平均)風速為46.48m/s，即15級風;對應臺風最大風速57.79m/s，即17級。
6.2 后置埋件抗臺風能力分析
根據混凝土后錨固規程可得，在后錨固系統的各項計算中，錨栓鋼材的受拉受剪破壞承載力分項系數最小為1.2，考慮風荷載分項系數后置埋件總安全系數為180/150*1.5=1.8。對海口地區而言，后置埋件能夠抵抗的基本風壓為0.75*1.8=1.35Kpa，對應荷載規范(標準地貌下10min平均)風速為46.48m/s，即15級風;對應臺風最大風速57.79m/s，即17級。
7 幕墻抗臺風能力影響因素
從前面分析數據可知，按照現行荷載規范設計，即使面板、桿件、連接系統的利用率接近100%，在正常條件下幕墻各部分桿件的安全應該不會有問題，但是為什么按照正常規范設計的建筑幕墻在強臺風作用下還會出現不正常破壞呢，主要有以下幾點原因：
1、復雜建筑群風荷載遠超規范。由于建筑群之間狹窄間隙引起“穿堂風”效應，建筑表面造型異常突變引起風荷載體變化，對于復雜建筑局部位置的風荷載值往往存在風洞實驗報告值比理論計算值大很多的情況，這也間接說明此處在臺風荷載作用下幕墻承受的臺風等級要遠遠高于外界報道的臺風等級。
2、建筑工程材料負公差嚴重。以冷彎空心鋼管為例，根據規范要求當壁厚小于等于10mm時，允許偏差為0.1倍壁厚，120*60*4mm鋼管按照規范現場到貨120*60*3.6mm可滿足規范要求，但是后者截面特性抵抗矩只有前者的91%，甚至很多材料負公差都超過了規范值，這對抗風能力也有一定影響。
3、應力集中現象對材料強度的影響。在幕墻工程中存在大量的開缺，開洞現象，計算過程中我們往往忽略這些開洞位置應力集中影響，例如存在圓孔的板條在兩端拉伸時孔邊產生的最大應力約為截面上平均應力的3倍。這種應力集中現象對鋼材等塑性材料而言，由于塑性（詞條“塑性”由行業大百科提供）變形應力重分布，應力集中現象逐漸消失。但對于玻璃、石材等脆性材料而言，一旦應力集中后的應力超過材料極限強度，就會發生破壞。
4、現場施工情況的折減，幕墻勞務工人技術水平參差不齊，現場施工工藝在標準施工工藝的基礎上存在一定的折扣，例如鋁板打釘間距，焊縫焊高遠小于設計值，這些都間接降低了幕墻系統的抗風能力。
8、提高幕墻抗臺風能力的措施
1、幕墻設計過程中對風荷載較大的位置(檐口位置。連廊吊頂位置，建筑表面外輪廓突變位置)預留一定的富余量，提高整體的安全儲備。
2、對與一些容易發生臺風破壞的位置，在幕墻設計過程中要增加一些附加構造措施，例如開啟扇的防墜繩子，金屬屋面的抗風夾。
3、材料進廠嚴格按照規范驗收，對偏差超過規范的材料，現場驗收人員要同設計人員溝通確認能否降級使用還是退場處理。
4、對于位于底層的幕墻采取一些臨時保護措施如柔性織物覆蓋。防止面板被飛濺的碎石擊碎。
5、提高現場管理人員和勞務工人的技術水平，嚴格按圖紙施工。
參考文獻
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作者單位：中建裝飾綠創科技有限公司
