點支式玻璃幕墻全玻璃肋支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

2013-12-10 11:43:00 作者: 來源: 【大中小】我要評論（0）

0 引言

隨著社會經(jīng)濟飛速發(fā)展，玻璃幕墻支承系統(tǒng)日新月異地變化，需要設(shè)計者根據(jù)工程特征和力學(xué)知識進行分析處理。本文就廈門市某工程的點支式玻璃幕墻全玻璃肋支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計進行探討，并通過型式檢測給予驗證。由于種種原因，該幕墻工程由廈門市土木協(xié)會組織專家組進行設(shè)計論證。與會專家經(jīng)踏勘現(xiàn)場項目、審閱設(shè)計方案及聽取各參建單位對工程情況介紹后，經(jīng)討論、分析,認(rèn)為該玻璃幕墻支承系統(tǒng)是由豎向肋點支承、水平全玻支承，玻璃面板點支承于豎向夾膠玻璃肋，形成較可靠的傳力系統(tǒng)。

點支式玻璃幕墻全玻支承系統(tǒng)，增設(shè)水平全玻璃肋進行空間上的分隔，不僅增加造型美觀，而且增強豎向玻璃肋平面外的剛度和穩(wěn)定性，改變了力學(xué)計算模型。又因玻璃肋為脆性材料，不同于金屬材料，不考慮材料截面塑性發(fā)展系數(shù)，故采用線性小撓度理論計算支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移；并應(yīng)該正確考慮和分析結(jié)構(gòu)體系的整體穩(wěn)定性[6]。

1、工程概況與設(shè)計參數(shù)取值

1.1 工程概況與設(shè)計參數(shù)取值

本工程為酒店改擴建工程，位于廈門市湖濱北，主樓地下 1 層，地上 8 層，框支剪力墻結(jié)構(gòu)�，F(xiàn)改擴建的日本餐廳外墻為點支式玻璃幕墻，豎向玻璃（10+1.52+10mm）肋高 4.0～5.2 m，肋寬 250 ～300mm，水平玻璃（10+1.52+

10mm）肋 398mm，每塊玻璃（8+1.52+

8mm）面板和水平肋兩端均采用 2個 316 不銹鋼駁接件點支承于豎向肋，計算點標(biāo)高 10.000m。場地類別Ⅲ類，地面粗糙度 B 類，基本風(fēng)壓值 0.8kN / m2，7度抗震，8度抗震構(gòu)造設(shè)防，地震加速度0.2g，水平地震影響系數(shù)0.12。

1.2 點支式玻璃幕墻支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)計算單元簡圖（詳見圖1～圖3）

2、規(guī)范中全玻支承系統(tǒng)計算公式的適用范圍

玻璃幕墻玻璃肋截面高度和撓度計算。

（1）根據(jù)玻璃幕墻規(guī)范[1]提供的公式。

hr=(3wι h2/4fgt)0.5（單肋）

df=5wkιh4/32Ethr3

式中參數(shù)意義見規(guī)范。

（2）公式推導(dǎo)。

根據(jù)材料力學(xué)[3]提供的公式：

б max=M/Wx=（1/8wι h2)/(1/6thr2)≤fg

則：hr=(3wι h2/4fgt)0.5

df=5wkι h4/384EI=5wkι h4/ 384E(1/12)thr3

即：df=5wkι h4/32Ethr3

式中：бmax為最大拉（壓）應(yīng)力，M為橫截面上的彎矩，Wx為抗彎截面系數(shù)；EI 為抗彎剛度。

可見，規(guī)范中全玻支承系統(tǒng)玻璃肋的截面高度和撓度估算公式計算僅適用于玻璃肋板兩端為鉸支，受均布荷載作用，截面限于距形或方形。不適用于受集中荷載作用，且未考慮荷載作用時幕墻支承系統(tǒng)構(gòu)件截面強度。

本工程點支式玻璃幕墻支承系統(tǒng)，其豎向肋點支承系統(tǒng)橫向受集中荷載作用，水平全玻支承系統(tǒng)橫向受均布荷載作用（與面板采用硅酮結(jié)構(gòu)膠連接；一般采用硅酮建筑密封膠即可，不考慮荷載作用），故該支承系統(tǒng)設(shè)計不全適用于規(guī)范中提供的計算公式。

3、點支式玻璃幕墻支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計與建模

3.1 水平肋支承系統(tǒng)計算分析

本工程為了分隔水平空間，增加立體美觀，增設(shè)水平肋板，肋總寬度為398mm，凸出室外玻璃面板100mm，兩端與豎向肋點支承采用不銹鋼駁接件連接，與面板采用硅酮結(jié)構(gòu)膠連接，考慮抗震時受軸向力影響，且受均布荷載作用。采用線性小撓度理論計算支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和位移，此時水平玻璃肋力學(xué)計算模型可簡化為兩端鉸支的縱橫彎曲構(gòu)件，見圖4。

（1）水平玻璃肋截面高度驗算與荷載計算。

根據(jù)文獻[1]提供的公式計算得：

hr=134.8mm<398mm

故水平玻璃肋的截面高度滿足要求。

S=rGsGk+Ψwrwswk+ΨErEsEk=0.00238MPa

PE=rEβ EаmaxGk=1507.2N，PEk=1159.5N

式中參數(shù)意義見規(guī)范。

（2）水平玻璃肋強度驗算。

玻璃肋為脆性材料，不同于金屬材料，不考慮材料截面塑性發(fā)展系數(shù)，該結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算模型為兩端鉸支的縱橫彎曲構(gòu)件，根據(jù)文獻[3]提供的公式：

Mmax=1/8qι 2+(5qι 4/384EIx)×[PE/(1- PE/pcr)]

= (1/8)×0.00238×1100×27502+

(5×0.00238×1100×27504/384×72000 ×99820921) ×[1507.2/(1- 1507.2/7873554.8)]

=2475237N·mm

бmax= PE/A+ Mmax / Wx≤ fg

即：1507.2/19×398+2475237/[1/6×19×3982)]

=5.1MPa<50.4MPa

故幕墻水平玻璃肋強度滿足要求。

式中：Mmax為橫截面上的最大彎矩；q為均布荷載；P為壓桿軸向壓力；pcr為壓桿臨界力。

由于M0=1/8qι 2=2474828.1N·mm2475237 N·mm，即M0 ≈ M max�？梢姴Ａ粔γ姘灞�，自重較輕，跨度較小，水平全玻支承系統(tǒng)軸向受地震荷載作用影響較小，忽略不計，可按規(guī)范全玻支承系統(tǒng)進行估算，滿足工程精度要求。

（3）幕墻水平玻璃肋的撓度計算。

根據(jù)文獻[1]提供的公式計算得：

df=0.25mm<ι /200=13.8mm

幕墻水平玻璃肋的撓度滿足要求。為防玻璃自爆破壞，水平玻璃肋應(yīng)采用夾膠玻璃。

3.2 豎向玻璃肋力學(xué)建模分析

（1）由于水平肋用來分隔空間，當(dāng)使用硅酮建筑密封膠與面板連接，玻璃面板與豎向肋采用不銹鋼駁接件連接，面板荷載作用通過不銹鋼駁接件傳到豎向肋板。豎向玻璃肋計算模型可簡化為兩端簡支的縱橫彎曲構(gòu)件，見圖5。

（2）當(dāng)玻璃面板采用硅酮結(jié)構(gòu)膠與水平肋板連接，水平肋板與豎向肋采用不銹鋼駁接件連接，面板荷載作用直接傳到水平肋板，再由水平肋板傳到豎向肋板（因水平肋受荷平面內(nèi)變形遠(yuǎn)比玻璃面板受荷平面內(nèi)變形小，此時不銹鋼駁接件傳遞荷載小，可忽略其影響）。故豎向玻璃肋計算模型可簡化為兩端簡支的縱橫彎曲構(gòu)件，見圖 6。

分析表明：①由于水平肋板的存在，不僅可使面板變形減小，而且使豎向肋板的平面外計算長度變小，增強肋板平面外的穩(wěn)定性，加強支承系統(tǒng)的可靠性，即形成橫向和豎向框架結(jié)構(gòu)。②采用硅酮結(jié)構(gòu)膠或硅酮建筑密封膠對面板傳遞荷載路徑不同，對幕墻點支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算模型分析不同，對豎向肋承載力的計算結(jié)果差異不大。即采用計算模型圖5時，可偏安全地簡化為計算模型圖6（即兩兩集中荷載等效為一集中荷載）。

4、點支承豎向玻璃肋結(jié)構(gòu)計算分析

本工程實例采用硅酮結(jié)構(gòu)膠與面板連接，即計算模型見圖6，為簡化計算，不考慮面板對豎向玻璃肋的約束作用。

4.1 豎向玻璃肋受水平方向集中荷載作用

根據(jù)文獻[1，2]提供的公式計算得：

Pk1=965.8N, P1=1472.8N

Pk2=2400.8N, P2=3682.8N，P=5591N

4.2 豎向玻璃肋的強度計算

4.2.1 平面內(nèi)強度及撓度計算

（1）內(nèi)力計算及撓度計算。

豎向玻璃肋計算模型可簡化為兩端鉸支的縱橫彎曲構(gòu)件，見圖5，忽略P對豎向玻璃肋偏心的有利影響。根據(jù)文獻[3]提供的公式：

Mmax= M0+Pf0[1/(1- p/pcr)]

式中：

M0和f0分別為P=0 時橫向力所引起的梁跨中截面的彎矩和撓度。

根據(jù)結(jié)構(gòu)靜力計算手冊[4] 提供的公式：

①內(nèi)力計算。

M0=（[n2+1）/(8n)]P4ι

=[(52+1)/(8×5)] ×3682.8×5200

=12447864N·mm

②撓度計算。

f0=(5n4+2n2+1)/(384n3EI)Pk4ι3

= [(5×54+2×52+1)/ (384×53×72000×45000 000)]

×2400.8×52003

=7.0mm<ι /200=26mm

即豎向玻璃肋最大的撓度值滿足要求。

式中: n 為集中荷載個數(shù)。

Pcr=π2EIx/ι 2=1181401.8N

Mmax=12447864+5591×7

×[1/(1- 5591/1181401.8)]

=12487187N·mm

（2）強度計算。

根據(jù)文獻[3]提供的公式：

бmax= P/A+M0/Wx+Pf0[1/(1- p/pcr)]/Wx

即，P/A+ Mmax/Wx≤ fg

5591/300×20+12487187/300000

=42.6MPa<58.8MPa

豎向玻璃肋的強度滿足要求。

由于(Mmax- M0)/ M0=0.3%<5%，可見玻璃幕墻面板薄，自重較輕，軸力 P 對豎向玻璃肋的內(nèi)力影響很小，可忽略不計。即按文獻[4]提供的公式計算。故豎向玻璃肋力學(xué)模型可簡化為受彎構(gòu)件進行結(jié)構(gòu)內(nèi)力計算，滿足工程精度要求。

4.2.2 平面外強度及撓度計算

由于水平玻璃肋將豎向面板和豎向玻璃肋分隔成一個個小單元空間，從而加強面板和豎向玻璃肋平面外的側(cè)向支承，提高平面外的剛度。當(dāng)面板玻璃采用硅酮結(jié)構(gòu)膠與水平肋板連接，則平行于玻璃幕墻的集中水平地震作用可分解為與水平玻璃面板相對應(yīng)的多個集中水平力（最不利情況），此時每片水平玻璃肋簡化為兩端鉸接的連桿，豎向玻璃肋平面外的計算模型可簡化為兩端簡支的連續(xù)受彎梁，見圖 7。當(dāng)面板采用硅酮建筑密封膠與面板連接，則地震作用可分解為與不銹鋼駁接件相對應(yīng)的多個集中水平力，圖示略，為簡化計算，可偏安全同圖7 計算模型。

同理，忽略P 對豎向玻璃肋的影響。根據(jù)文獻[4]提供的公式計算得：

（1）玻璃面板采用硅酮結(jié)構(gòu)膠與水平肋板連接時

Mmax=111927N·mm,бmax=5.6MPa<84MPa

fmax=0.5mm<5.5mm

（2）玻璃面板采用硅酮建筑密封膠與面板連接時

Mmax=99530N·mm ,бmax=5.0MPa<84MPa

fmax=0.5mm<5.5mm

故豎向玻璃肋平面外的內(nèi)力及撓度均滿足要求。同樣也說明采用硅酮結(jié)構(gòu)膠或硅酮建筑密封膠對幕墻點支承系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的力學(xué)計算模型分析不同，對豎向肋受荷計算結(jié)果差異不大。

4.3 未設(shè)置水平玻璃肋支承時豎向玻璃肋校核

（1）平面內(nèi)強度及撓度計算。

豎向玻璃肋未設(shè)置水平玻璃肋支承時，水平玻璃面板兩端采用不銹鋼駁接件連接，其力學(xué)計算模型可簡化為兩端簡支的縱橫彎曲構(gòu)件，見圖 5。同上述平面內(nèi)計算結(jié)果，均滿足要求。

（2)平面外強度及撓度計算

由于水平玻璃面板兩端通過采用不銹鋼駁接件連接，水平玻璃面板把豎向分隔成一個個小單元空間，則平行于玻璃幕墻的集中水平地震作用可分解為與不銹鋼駁接件相對應(yīng)的多個集中水平力。此時由于未設(shè)置水平玻璃肋，水平玻璃面板對豎向玻璃肋的約束作用較小，則根據(jù)文獻[5]知，每片水平玻璃面板可簡化為彈性支座，豎向玻璃肋平面外的計算模型可簡化為兩端簡支的連續(xù)受彎梁，見圖8。

同理：忽略P對豎向玻璃肋的影響。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)[5]計算可知：圖8 彈性支座的變形量 C=ι /EA≈0 mm，即忽略 C 對支座的影響。不考慮偏心矩對豎向肋的有利影響。計算模型可簡化為圖 7，其計算結(jié)果同上述平面外的計算結(jié)果，均滿足要求。

比較是否設(shè)置水平玻璃肋兩種情況可知：由于玻璃幕墻面板薄，自重較輕,當(dāng)層高5m 以下時，是否有設(shè)置水平玻璃肋，對豎向肋板平面內(nèi)和對平面外的強度及撓度差異不大，甚至相同。但兩種情況下的力學(xué)計算模型截然不同，其安全性儲備不同。即增設(shè)水平肋板，使豎向肋板的平面外計算長度變小，增強肋板平面外的剛度和穩(wěn)定性，使橫向、豎向支撐系統(tǒng)形成較好的框架結(jié)構(gòu)體系。

同時也說明豎向肋是一道重要的支撐構(gòu)件，其豎向肋應(yīng)采用夾膠玻璃。條件允許或重要公共場所，建議豎向肋采用多層夾膠玻璃，其安全性儲備更好。

5、玻璃幕墻型式檢測結(jié)果

幕墻型式檢測樣品為一個層高，含兩根豎向肋板（10mm+1.52pvB+10mm 夾膠玻璃），三根水平肋板（19mm厚鋼化玻璃）和四塊面板（8mmLow- E+1.52pvB+8mm 夾膠玻璃），外形尺寸為 3000mm×4020mm，支座間距為 3830mm。檢測結(jié)果見表 1，檢測結(jié)果表明符合設(shè)計要求。