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摘要：风荷载是幕墙结构的主要外部作用，沿海地区台风频繁，幕墙在台风中破损的事件时有发生，沿海地区幕墙项目要特别注意。本文依据今年在海南登陆的“摩羯”台风对海口某项目破坏情况为背景，首先分析了台风对幕墙的破坏形式，然后通过数据对比分析了幕墙各部分材料抗台风能力，分析表明幕墙按照现行荷载规范设计能够抵抗绝大部分台风的作用，最后总结一些影响和提高幕墙抗台风的能力的措施。
关键词：抗风设计;破坏形式;台风等级;预防措施
1、台风对建筑幕墙（词条“建筑幕墙”由行业大百科提供）的影响
(1)、玻璃面板被台风卷起的碎石击碎。裙楼和较低楼层玻璃破损较多，主楼高处反而没什么问题。从下图图片可以看到玻璃面板破碎落到地面上，而边框位置玻璃碎渣因为有结构胶作用粘结在框上。
(2)、金属面板被卷起的碎石或玻璃碎渣砸出凹坑，吊顶板被撕裂，连接螺钉被剪断。金属板在超强台风作用下，由于面板刚度不足，受力形式由面外弯曲（词条“弯曲”由行业大百科提供）变成面内张拉，张拉力要远远大与面板局部承压力和连接螺钉抗剪承载力（词条“承载力”由行业大百科提供），面板和螺钉很容易被撕裂和剪断。
(3)、地面堆放未安装上墙的单元板块和玻璃板块被吹倒和击碎。如下图所示面板堆放固定不牢，台风来临时将固定措施掀翻，面板没有覆盖被卷起的碎石击碎。
其它例如龙骨破坏，预埋件脱落，开启扇，玻璃面板整体脱落，此种情况现场较少见。
2、台风风速和荷载规范风速转换
《建筑结构荷载规范》GB50009-2012定义基本风速为“按当地空旷平坦地面上(B类地貌)10m高度处10min平均的风速观测数据，经概率统计得出50年一遇最大值确定的风速”。
台风根据风速可以分为三类：台风(32.7-41.4m/s)、强台风(41.5-50.9m/s)、超强台风(≥51m/s)，登陆时是从海面吹来的，其地貌相当于荷载规范中的A类地貌;而风速时距，则采用的是2min时距。所以“台风登陆时的最大风速”，指的是A类地貌条件下2min平均最大风速。
可见，荷载规范的“基本风速”和“台风登陆时的最大风速”还不能直接比较，二者之间我们需要换算，具体换算步骤如下。
第一步，需要将2min平均最大风速换算为10min平均最大风速。根据世界气象组织的指南，对于登陆台风，大致可按下式换算：
而能够抵抗多少级的台风，只需要计算基本风速对应到的“台风登陆时的最大风速”是多少就可以了。举例来说，海南海口的基本风压为0.75Kpa，按此标准设计的建筑，可以抵御最大风速34.6m/s(指标准地貌下10min平均)的风速作用，即12级风;也可以抵御登陆时最大风速41.4m/s(指A类地貌2min平均)的台风作用，即13级台风。湖北武汉的基本风压为0.35 Kpa，按此标准设计的建筑，可以抵御最大风速23.66m/s(指标准地貌下10min平均)的风速作用，即9级风;也可以抵御登陆时最大风速28.29m/s(指A类地貌2min平均)的台风作用，即11级台风。
当风速超过了表中所列的风速等级，建筑也未必发生破坏。因为在承载能力极限状态设计时，风荷载还需要乘上1.5的分项系数，材料还有一定的安全储备系数。下面通过具体数据分析玻璃幕墙中各类材料抗台风能力。
3 幕墙面板类材料极限抗台风能力分析
3.1 玻璃面板抗台风能力分析
根据玻璃幕墙规范条文说明，结合我国国情，玻璃面板整体安全系数K取2.5，对海口地区而言，考虑玻璃面板安全系数，按照现行规范设计能够抵抗的基本风压为0.75*2.5=1.875Kpa，对应荷载规范(标准地貌下10min平均)风速为54.77m/s，即16级风;也可以抵御登陆时最大风速65.5m/s(A类地貌2min平均)的台风作用，即18级台风。
3.2 铝板幕墙抗台风能力分析
铝板幕墙常见的材质3003-H14为例，强度设计值89Mpa，其屈服强度（词条“屈服强度”由行业大百科提供）为115Mpa。以铝板保持弹性（词条“弹性”由行业大百科提供）工作状态不发生屈服为判断依据，此时铝板总安全系数为115/89*1.5=1.94。对海口地区而言，面板能够抵抗的基本风压为0.75*1.94=1.46Kpa，对应荷载规范(标准地貌下10min平均)风速为48.33m/s，即15级风;对应台风最大风速57.79m/s，即17级。
3.3 石材面板抗台风能力分析
以花岗岩为例进行分析，材料分项系数2.15，考虑风荷载分项系数1.5，则花岗岩石材总的安全系数K为3.225。对海口地区而言，石材面板能够抵抗的基本风压为0.75*3.225=2.419Kpa，对应荷载规范(标准地貌下10min平均)风速为62.21m/s，即18级风;对应台风最大风速74.39m/s，即18级。
脆性材料由于在设计过程中取的安全系数更高，所以在抵抗台风方面具备更大的潜力，从上表可知，按照荷载规范设计，在海口地区大部分幕墙面板都能抵抗17级以上台风，上海地区大部分幕墙面板都能抵抗15级以上台风。
4 幕墙龙骨类材料极限抗台风能力分析
4.1 钢材和不锈钢（词条“不锈钢”由行业大百科提供）材抗台风能力分析
幕墙工程中常用的钢材为Q235（词条“Q235”由行业大百科提供）B/Q355B,不锈钢为304/316，以常见的钢材Q235B(t≤16mm)为例，强度设计值215Mpa，屈服强度为235Mpa。钢材保持弹性工作不发生屈服为判断依据，此时总安全系数为235/215*1.5=1.64。对海口地区而言，钢材能够抵抗的基本风压为0.75*1.64=1.23Kpa，对应荷载规范(标准地貌下10min平均)风速为44.36m/s，即14级风;对应台风最大风速53.04m/s，即16级。
4.2 铝合金型材抗台风能力分析
常见的铝合金型材有6061系列和6063系列，以6063-T6为例，强度设计值150Mpa，其屈服强度为180Mpa。型材总安全系数为180/150*1.5=1.8。对海口地区而言，型材能够抵抗的基本风压为0.75*1.8=1.35Kpa，对应荷载规范(标准地貌下10min平均)风速为46.48m/s，即15级风;对应台风最大风速57.79m/s，即17级。
4.3 拉索和拉杆抗台风能力分析
以幕墙用不锈钢拉杆为例，其抗拉强度设计值为屈服强度除以1.4，考虑风荷载分项系数1.5，则拉杆总安全系数为1.4*1.5=2.1。同理根据索结构规程对拉索整体安全系数为2*1.5=3。
5 幕墙连接系统极限抗台风能力分析
5.1 结构胶抗台风能力分析
现行国家标准规定了硅酮结构密封胶（词条“硅酮结构密封胶”由行业大百科提供）的拉伸强度值不低于0.6N/mm2。结构胶强度设计值取为0.2N/mm2，此时材料分项系数为3.0。考虑风荷载分项系数1.5，则结构胶总安全系数为4.5。
对海口地区而言，结构胶能够抵抗的基本风压为0.75*4.5=3.38Kpa，对应荷载规范(标准地貌下10min平均)风速为73.54m/s，即18级风;对应台风最大风速87.94m/s，即18级。
5.2 不锈钢螺栓（词条“螺栓”由行业大百科提供）抗台风能力分析
以A2-70不锈钢螺栓为例，强度设计值为325Mpa，其屈服强度为450Mpa，以螺栓正常工作状态不屈服为判断依据，此时螺栓总安全系数为450/325*1.5=2.08。同理对5.8级普通螺栓，屈服强度为400Mpa，强度设计值为210Mpa，此时螺栓整体安全系数为400/210*1.5=2.8。
对海口地区而言，A2-70不锈钢螺栓能够抵抗的基本风压为0.75*2.08=1.56Kpa，对应荷载规范(标准地貌下10min平均)风速为49.96m/s，即15级风;对应台风最大风速59.74m/s，即17级。
5.3 焊缝抗台风能力分析
以Q235B角焊缝为例，选用E43焊条，根据钢结构设计标准，焊缝强度设计值为焊缝金属抗拉强度的0.38倍，考虑风荷载分项系数采用1.5，则焊缝总安全系数为1/0.38*1.5=3.95。同理对Q355B钢材，选用E43焊条焊缝强度设计值为焊缝金属抗拉强度的0.41倍，考虑风荷载分项系数采焊缝总的安全系数为1/0.41*1.5=3.66。
对海口地区而言，Q235B角焊缝能够抵抗的基本风压为0.75*3.95=2.96Kpa，对应荷载规范(标准地貌下10min平均)风速为68.82m/s，即18级风;对应台风最大风速82.29m/s，即18级。
6 幕墙埋件抗台风能力分析
6.1 预埋件抗台风能力分析
预埋件计算公式中HRB400级钢筋，屈服强度360MPa，锚筋面积计算中采用强度设计值300MPa。可以近似认为材料分项系数为1.2，考虑风荷载分项系数预埋件总安全系数为180/150*1.5=1.8。对海口地区而言，螺栓能够抵抗的基本风压为0.75*1.8=1.35Kpa，对应荷载规范(标准地貌下10min平均)风速为46.48m/s，即15级风;对应台风最大风速57.79m/s，即17级。
6.2 后置埋件抗台风能力分析
根据混凝土后锚固规程可得，在后锚固系统的各项计算中，锚栓钢材的受拉受剪破坏承载力分项系数最小为1.2，考虑风荷载分项系数后置埋件总安全系数为180/150*1.5=1.8。对海口地区而言，后置埋件能够抵抗的基本风压为0.75*1.8=1.35Kpa，对应荷载规范(标准地貌下10min平均)风速为46.48m/s，即15级风;对应台风最大风速57.79m/s，即17级。
7 幕墙抗台风能力影响因素
从前面分析数据可知，按照现行荷载规范设计，即使面板、杆件、连接系统的利用率接近100%，在正常条件下幕墙各部分杆件的安全应该不会有问题，但是为什么按照正常规范设计的建筑幕墙在强台风作用下还会出现不正常破坏呢，主要有以下几点原因：
1、复杂建筑群风荷载远超规范。由于建筑群之间狭窄间隙引起“穿堂风”效应，建筑表面造型异常突变引起风荷载体变化，对于复杂建筑局部位置的风荷载值往往存在风洞实验报告值比理论计算值大很多的情况，这也间接说明此处在台风荷载作用下幕墙承受的台风等级要远远高于外界报道的台风等级。
2、建筑工程材料负公差严重。以冷弯空心钢管为例，根据规范要求当壁厚小于等于10mm时，允许偏差为0.1倍壁厚，120*60*4mm钢管按照规范现场到货120*60*3.6mm可满足规范要求，但是后者截面特性抵抗矩只有前者的91%，甚至很多材料负公差都超过了规范值，这对抗风能力也有一定影响。
3、应力集中现象对材料强度的影响。在幕墙工程中存在大量的开缺，开洞现象，计算过程中我们往往忽略这些开洞位置应力集中影响，例如存在圆孔的板条在两端拉伸时孔边产生的最大应力约为截面上平均应力的3倍。这种应力集中现象对钢材等塑性材料而言，由于塑性（词条“塑性”由行业大百科提供）变形应力重分布，应力集中现象逐渐消失。但对于玻璃、石材等脆性材料而言，一旦应力集中后的应力超过材料极限强度，就会发生破坏。
4、现场施工情况的折减，幕墙劳务工人技术水平参差不齐，现场施工工艺在标准施工工艺的基础上存在一定的折扣，例如铝板打钉间距，焊缝焊高远小于设计值，这些都间接降低了幕墙系统的抗风能力。
8、提高幕墙抗台风能力的措施
1、幕墙设计过程中对风荷载较大的位置(檐口位置。连廊吊顶位置，建筑表面外轮廓突变位置)预留一定的富余量，提高整体的安全储备。
2、对与一些容易发生台风破坏的位置，在幕墙设计过程中要增加一些附加构造措施，例如开启扇的防坠绳子，金属屋面的抗风夹。
3、材料进厂严格按照规范验收，对偏差超过规范的材料，现场验收人员要同设计人员沟通确认能否降级使用还是退场处理。
4、对于位于底层的幕墙采取一些临时保护措施如柔性织物覆盖。防止面板被飞溅的碎石击碎。
5、提高现场管理人员和劳务工人的技术水平，严格按图纸施工。
参考文献
[1]中华人民共和国建设部.玻璃幕墙工程技术规范:JGJ102-2003[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.
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[4] 中华人民共和国住房与城乡建设部.混凝土后锚固设计规程:JGJ145-2013[S].北京：中国建筑工业出版社，2013
[5] 中华人民共和国住房与城乡建设部.钢结构设计标准:GB50017-2017[S].北京：中国建筑工业出版社，2017.
[6] 中华人民共和国住房与城乡建设部.索结构技术规程:JGJ257-2012[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.
作者单位：中建装饰绿创科技有限公司
