玻璃-穿孔铝板双层幕墙的风压取值探讨及工程应用
1、工程应用
冲孔铝板是指采用纯铝或铝合金材料经压力加工（剪切或锯切）制成的具有矩形截面、厚度均匀的矩形材料。构成要素包括穿孔率、孔径、板厚和板型。穿孔率是影响穿孔铝板单元的核心因素，是影响其视觉完整性表达、降低建筑能耗的设计关键。受加工成本、单位重量、单位平整度等因素影响，用作外蒙皮的冲孔铝板厚度常为1.0mm~6.0mm。玻璃穿孔铝双层幕墙应用实例：
图1 合肥工业大学智能制造技术研究院
2、玻璃穿孔铝板幕墙风压值的探讨
玻璃穿孔铝板幕墙，外皮为穿孔铝板，内皮为玻璃板；外蒙皮直接承受风荷载，但由于孔的存在，风可以通过孔作用于内蒙皮，内蒙皮也承受风荷载。两层蒙皮各自承受的风荷载数值非常复杂。在实际工程中，通过风洞试验的模拟，可以获得外蒙皮的外压力、外蒙皮的内压力、内蒙皮的外压力的分布，从而得到更准确的外蒙皮。和内蒙皮风荷载值。在缺乏风洞试验报告的情况下，笔者查阅了一些国内外风荷载规范、双层幕墙规范及相关文献，希望得到可以应用于实际工程设计的思路和方法。
1.中国地方法规《上海市建筑幕墙工程技术规范》DGJ 08-56-2012/J 12028-2012
《上海市幕墙规范》第14.1.6条规定了外通风双层幕墙的风荷载值。外幕墙承受全部风荷载，内幕墙根据空腔容积与有效通风面积的比例相应减小。类比玻璃穿孔幕墙，假设层高为3.6m，幕墙网格为1.5m，中间空腔尺寸为1.0m，则穿孔率为40%。计算V/Aen=2.5m，落在0~20m范围内。内幕墙受风比例为100%，即全部受风。外侧穿孔铝板的风荷载与内侧玻璃幕墙相同，取常规幕墙的风荷载值。
2. 欧洲规范“Eurocode 1：结构作用 - 第 1-4 部分：一般作用 - 风作用” BS EN 1991-1-4:2005
欧洲规范第7.2.10条对多于一层表皮的风压值有较为详细的规定。类比玻璃穿孔铝幕墙，外层是开放的，内层是密封的。外层总压力系数为：正压系数=2/3*（常规外压系数）；负压系数=1/3*（常规外压系数）。压力系数）。内层总压力系数的值：常规外压系数-常规内压系数=常规总压系数。类比中国荷载规范，风荷载局部体形系数为：
幕墙类型/面积
外部压力大
角部外压
封闭内压
常规幕墙
+1.0
-1.4
±0.2
玻璃穿孔铝双层幕墙
外层
0.67
-0.47
内层
+1.0
-1.4
±0.2
注：大面指迎风面，角部指与迎风面相邻的面的角部区域。
3.风洞试验相关文献
风洞试验模型的比例尺一般为1：100。由于穿孔铝板的孔径很小，风洞试验模型很难模拟穿孔铝板的真实情况。查阅相关文献后，引用了同类风洞试验报告的结论。供参考：
（1）《长沙梅溪湖国际文化艺术中心围护结构风荷载研究》——同济大学土木工程防灾国家重点实验室，试验模型为局部模型，比例为1:15，双层幕墙房屋面板外层为GRC板，内层为密封防水层。两层皮之间的距离约为600mm。外GRC板之间垂直和水平分布有20mm和50mm的接缝。
试验报告结论：根据风洞试验结果可以发现，对于双层屋面板结构，外层内表面风压和内层外表面风压基本为相同位置相同，即腔内风压基本相同。另一方面，当外幕墙外表面风压为正时，相应腔体处的风压基本为正，但压力减小；同样，当外幕墙的外表面风压为负值（吸力）时，相应腔体处的风压基本为负值，压力的绝对值也减小。这些结果表明，双层屋面板结构空腔部分的压力基本上与其外表面的风力有关，但绝对值有所减小。
图2 测试模型照片
（2）《矩形建筑双层幕墙的风荷载特性及阵风系数》——浙江大学建筑工程学院，风洞试验项目为杭州黄龙综合办公楼，建筑平面为矩形，幕墙型式为外通风双层幕墙，测试模型比例为1:100，在幕墙上相应位置开孔，模拟通风百叶。风洞模拟结果如下表所示：
试验得出的结论是，对于矩形（L型）走廊式通风幕墙，可以根据单层幕墙的风荷载确定内层幕墙的风荷载，更加安全；外幕墙的风荷载，当位于矩形的长边时，可按单块幕墙适当减少，当位于矩形的角部和短边时，需被放大。
(3)《典型高层建筑双层幕墙风压分布试验》——浙江大学建筑工程学院。风洞试验项目为浙江省丽水电力生产调度中心。建筑平面呈圆形，有小凹槽，幕墙类型为外通风双层幕墙，透气率为7.2%，测试模型比例为1:150。外幕墙上相应位置开孔模拟通风百叶。风洞模拟结果如下图所示：
测试结论：对于弧形走廊通风幕墙，可按单块幕墙的值计算内层幕墙的风荷载，更安全；外层幕墙在弧线中段时的风荷载可按单层幕墙的适宜值计算。减号，当位于圆弧末端时，需要放大。
总结：玻璃穿孔铝双层幕墙内外层风荷载局部体形系数数值与风局部体形系数数值相差较大单层幕墙的荷载。影响因素主要包括双层幕墙在建筑表面的分布情况。实际工程幕墙设计中缺乏风洞试验数据时，风的局部体形系数幕墙的荷载可参考以下数值（主要参考欧洲标准和风洞结论）： 外冲孔铝板风荷载局部体形系数大面积取0.67，大面积取1.8角落区域~1.9；内层玻璃幕墙风荷载局部体形系数按单层幕墙取值。内外幕墙板直接承受风荷载，局部体形系数不降低。不直接受风的支撑龙骨，根据所属面积降低局部体形系数。最终计算的风荷载值不小于1kPa。
3、冲孔板的计算与分析
1、铝板幕墙的铝板设计一般在铝板背面设置加强筋，将铝板分成小格子。侧肋和中肋对社区网格的四个边形成约束。铝板是根据四面支撑板的模型构造的。计算面积。以板材尺寸为2400mmx1200mm、厚度为3mm的铝单板为例，标准风压值为1.5kPa，沿短边布置加强筋。按《金属石材幕墙工程技术规范》JGJ 133-2001金属板计算公式计算。加强筋间距为800mm，满足强度和挠度要求。
2、冲孔铝板板面上有很多孔，削弱了面板的刚度，但同时面板的承风面积也减少了。这两个方面都对冲孔铝板的承重能力产生影响。根据实际工程情况，冲孔铝板分为两种：第一种是具有规则开口和空间，可以放置加强筋而不影响美观的板材；二是板材开孔不规则或不允许放置加强筋。 ，这里分析的板材均为较大板材，小尺寸板材和窄条板不分析（可按常规铝单板设计）。
① 带加强筋的穿孔板
计算思路和方法以铝单板计算为基础，选择区域网格单元及相应的边缘支撑模型。利用有限元对两种孔隙率比的不穿孔铝板和穿孔铝板进行对比分析。
ANSYS模型（1200x800mm，3mm厚，表面单元Shell163）：
面板变形云图：
计算结果总结：
铝板型
最大挠度（毫米）
比率
无孔铝板
11.37
1.00
18.7%穿孔率铝板
12.68
1.12
32.5%穿孔率铝板
13.29
1.17
从结果比中可以看出，穿孔铝板的最大挠度大于不穿孔铝板，且穿孔率越大，挠度也会略有增加。考虑到实际工程中的穿孔率一般不会太大（受限于孔的排列方式），采用常规铝板的计算方法将计算结果的利用率控制在85%以下，可以满足需要实际工程设计。
② 无加强筋的穿孔板
由于板材较大，且没有加强筋，如果设计计算时按照常规铝板的设计思路，可以通过增加冲孔板的厚度来增加冲孔板本身的刚度，以抵抗外部荷载。但在实际工程中，冲孔板的厚度会有所增加。厚度法成本过高，不适合一般工程需要。规范中将金属板周围折叠边的约束全部视为简支边，并基于经典弹性力学的板壳理论给出了计算公式。这有一定的局限性。如果加强板周围折边的约束，则 不仅约束板平面外的平移，而且约束平面内的平移，即约束 X/Y/Z 三个方向的位移。这样，当面板在外部载荷作用下发生变形时，外围约束就会对面板产生影响。它具有拉力作用，防止变形进一步增加。
ANSYS模型（1200x2400mm，3mm厚，表面单元）：
面板应力和变形云图：
从应力与变形云图分析结果可以看出，穿孔板中间孔周围的应力最大，应力分布主要集中在与板短边方向平行的垂直孔内。孔之间的区域。两块穿孔板的最大应力为27MPa，满足3003-H24铝合金板抗弯强度100MPa的设计值。最大挠度发生在面板中部，冲孔板最大挠度为9.4mm，满足变形极限要求。最大变形计算结果总结如下：
铝板型
18.9%穿孔率铝板
33.8%穿孔率铝板
边缘约束情况
平面内有约束
平面内无约束
平面内有约束
平面内无约束
最大挠度（毫米）
9.07
37.44
9.41
38.2
检查侧面约束反作用力。面内方向的长边反力为34kN，换算成线载荷为14.2kN/m。如果已连接
螺栓@200布置，单个螺栓承受标准剪力约3kN。 M6螺栓或机丝即可满足要求。侧向力也会对长边支撑龙骨产生不利影响。当龙骨左右分度一致时，侧向力的不利影响会相互抵消；侧面，只有一侧分割的龙骨需要受力。它可以抵抗面板垂直方向的载荷和平行面板的横向载荷。
边X/Y/Z的约束可以通过具体的节点实践来实现（仅供参考）：
注：方案二的节点来源于墨西哥BBVA银行项目框架式开放式双层幕墙外层穿孔铝板节点。本项目建筑高度234.85m。外面板采用3mm厚菱形穿孔铝板，边长1.7m，对角线尺寸2686m*2100m。
4.本文的局限性和不足
在玻璃穿孔铝板双层幕墙的风荷载值部分，本文列出了近年来的国家标准以及相关文件和工作。通过归纳、总结、类比，给出玻璃穿孔铝板幕墙在实际工程中的内在价值和外在价值。层风荷载局部体形系数的建议值，但缺乏真实的理论推导、实际试验数据和相应的验证方法。
在冲孔铝板的计算分析部分，本文比较了标准公式的计算方法和思路，并结合有限元分析的计算结果，为有筋和无筋两种形式的冲孔铝板提供了计算思路和解决方案。本文得出的一些结论仅代表作者的观点。如果有比较严谨的理论推导依据和思路，以及相应的实验数据，欢迎大家批评指正。
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