超高玻璃肋幕墻計算及設計淺析

　　隨著科學技術的不斷發(fā)展和人們對美的追求，玻璃幕墻在建筑的各個領域得到越來越廣泛的應用，其結構形式也發(fā)生著日新月異的變化｡其中，由面玻璃及玻璃肋組成的全玻璃系統(tǒng)因其通透､美觀，在工程中也得到了眾多設計師和業(yè)主的青睞｡但是，由于目前對玻璃這種脆性材料的結構性能尚無全面詳盡的理論及試驗研究，尤其對于超高玻璃肋這種幕墻類型的計算，國內幕墻設計規(guī)范對其強度計算和穩(wěn)定性計算沒有明確規(guī)定，因此有必要對于超高玻璃肋中的一些計算問題，特別是強度計算和穩(wěn)定性計算進行深入研究和探討｡

　　玻璃肋結構通常由面板玻璃和玻璃肋組成，玻璃肋板與面板玻璃一般垂直放置，承受面板玻璃傳來的風荷載和地震荷載等水平荷載｡根據JGJ102-2003玻璃幕墻工程技術規(guī)范中的規(guī)定，通過驗算玻璃肋的截面高度和玻璃肋的撓度來校核玻璃肋的強度｡具體的詞條解釋和公式規(guī)范中有規(guī)定，本文不再羅列｡

　　由于玻璃肋的厚度較薄，玻璃肋板類似于承受單面均勻荷載的矩形薄板｡玻璃肋在面內荷載的作用下，首先發(fā)生平面內彎曲變形｡隨著載荷的增加保持平面內彎曲的能力逐漸減小｡在平面內微小撓動下，就有可能發(fā)生平面外彎曲并扭轉，即稱為平面外失穩(wěn)或者側向屈曲｡因此，為了防止發(fā)生玻璃肋的平面外失穩(wěn)，對于超高玻璃肋應進行平面外穩(wěn)定驗算｡

　　玻璃幕墻工程技術規(guī)范中建議對于“高度大于8m的玻璃肋應考慮平面外的穩(wěn)定驗算；高度大于12m的玻璃肋，應進行平面外穩(wěn)定驗算，必要時應采取防止側向失穩(wěn)的構造措施”｡但是規(guī)范中沒有給出穩(wěn)定性計算的具體方法，本文在這里進行探討和驗算｡

　　澳大利亞的玻璃規(guī)范AS1228-2006Glassin-building給出了多種邊界條件下的玻璃肋的整體穩(wěn)定性驗算｡對于超高玻璃肋，可認為玻璃肋的一邊有連續(xù)的約束，其極限側向屈曲彎矩可由下式求得：

　　其中，Mcr為極限側向屈曲彎矩，N·mm；(EI)y為玻璃肋繞弱軸方向的抗彎剛度，N·mm 2；h為玻璃肋高度，mm；hr為玻璃肋截面的高度，mm；GJ為玻璃肋的抗扭剛度，N/mm2；y0為側向約束與中性軸的距離，mm；yh為載荷作用點與中性軸的距離，mm｡

　　當承受正風壓時（載荷向內），yo與yh取異號；當承受負風壓時（載荷向外），yo與yh取同號，極限側向屈曲彎矩較承受正風壓時小，這也反映了彎矩的作用使玻璃肋自由邊受壓而產生更為不利的影響｡

　　根據上述公式以及采用有限元法對玻璃肋的研究分析發(fā)現，玻璃肋的極限側向屈曲彎矩主要與玻璃肋的厚度和高度有關，玻璃肋的寬度對于超高玻璃肋的極限側向屈曲彎矩的提高作用并不明顯｡而玻璃肋的自重對于玻璃肋的整體穩(wěn)定有一定影響，采用懸掛式玻璃肋要比落地式玻璃肋具有更高的抗側向屈曲能力，這是由于懸掛系統(tǒng)中的玻璃肋的自重產生了對于抗側向屈曲有利的拉力作用｡不過，與玻璃肋的厚度和高度相比，自重在其中的影響還是較小的｡

　　上面的計算方法是采用規(guī)范中的公式手算屈曲載荷，在設計過程中還可以采用有限元計算軟件ANSYS結構屈曲分析的方法計算屈曲載荷｡ANSYS提供兩種分析結構屈曲的技術：非線性屈曲分析和特征值屈曲分析（線性屈曲分析）｡

　　在本文中采用特征值屈曲分析的方法｡在計算中，如果施加一個單位荷載，求解得到的特征值就表示臨界荷載，當施加非單位荷載時，求解得到的特征值乘以施加的載荷就得到臨界載荷｡

　　特征值的提取方法ANSYS主要提供了兩種，子空間方法（subspace）和蘭索斯分塊方法（BlockLanczos），它們都是使用完全矩陣｡在本文中采用了蘭索斯分塊方法（BlockLanczos），提取第一階模態(tài)進行分析｡

　　北京某工程采用玻璃肋幕墻，幕墻規(guī)格為15m×10.8m，計算高度為11m｡采用平齊式連接方式，吊掛玻璃系統(tǒng)｡

　　在某工程中，玻璃面板的分格為2.221m×2.1m，玻璃肋的高度為9.9m，截面寬度為0.6m，采用TP12+1.52PVB+TP12的鋼化夾膠玻璃，承受水平風荷載和地震荷載作用｡

　　經過計算，水平荷載的標準值為：

        

　　水平荷載的設計值為：

        

　　玻璃肋的截面高度：

        

　　玻璃肋撓度計算：

　　玻璃肋的截面寬度和撓度計算均符合設計要求｡

　　根據JGJ102-2003玻璃幕墻工程技術規(guī)范7.3.7條：高度大于8m的玻璃肋宜考慮平面外的穩(wěn)定驗算，采用有限元軟件ANSYS進行玻璃肋的穩(wěn)定計算，計算時考慮玻璃肋前端的玻璃對其提供的側向支撐作用｡

　　玻璃肋板的有限元計算模型如圖1所示｡

　　施加單位荷載，經過計算，玻璃肋一階屈曲模態(tài)變形圖如圖2所示｡

　　經過穩(wěn)定性計算，得到第一階屈曲模態(tài)特征值為：12.075，由于施加的荷載為單位荷載，所以SET項第一階的屈曲系數12.075即為最小的屈曲載荷｡即玻璃肋發(fā)生平面外失穩(wěn)的臨界荷載為12.075N/mm，本工程中玻璃肋受到的荷載為：5.84kN/m<19.495kN/m，則此超高玻璃肋的整體穩(wěn)定性滿足設計要求｡

　　1）目前國內對于玻璃肋的穩(wěn)定性的設計及計算的理論還比較少，在設計計算時可以參考板殼理論和國外的一些規(guī)范｡

　　2）玻璃肋的自重對于其穩(wěn)定性有一定的影響，但影響作用較小｡玻璃肋的厚度及高度對于玻璃肋的整體穩(wěn)定有較大影響｡

　　3）可以通過有限元軟件ANSYS進行屈曲特征值分析，得到玻璃肋的屈曲荷載｡這種方法簡便直觀，準確性高｡