【 第一幕墻網(wǎng) 】
1 概述
自玻璃誕生之日起，這種無色透明的物質(zhì)便與建筑結(jié)下了不解之緣。隨著“蘋果店”的火熱，通透、純凈的全玻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)使玻璃的材料特性發(fā)揮到了極致。當(dāng)我們樂見于越來越大的玻璃幅面、越來越高的幕墻跨度時(shí)，全玻結(jié)構(gòu)所具有的設(shè)計(jì)、施工問題也日漸凸顯。因此，只有充分認(rèn)識(shí)玻璃的特性，了解全玻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工的要點(diǎn)，才能在建筑師不斷挑戰(zhàn)技術(shù)極限的考驗(yàn)中，從容應(yīng)對(duì)。
2 玻璃特性分析
玻璃的原子排列為非結(jié)晶的整齊物質(zhì)，規(guī)則性低，這是玻璃高透質(zhì)脆的原因。不同于鋼材經(jīng)由彈性到塑性的破壞形式，玻璃的應(yīng)力、應(yīng)變幾乎呈線性關(guān)系，沒有明顯的塑性發(fā)展能力，破壞強(qiáng)度值高度離散。玻璃板的抗拉強(qiáng)度與玻璃表面的裂紋深度、形狀及分布高度關(guān)聯(lián)（見圖1）。當(dāng)作用有外荷載時(shí)，裂紋尖端會(huì)產(chǎn)生極高的應(yīng)力峰值，與其他材料相比，這樣的應(yīng)力峰值不會(huì)因塑性變形而減少。同時(shí)，承受長期荷載和發(fā)生不良化學(xué)反應(yīng)都會(huì)引發(fā)此裂紋的擴(kuò)展，造成玻璃承載力下降，圖2顯示了玻璃強(qiáng)度和荷載作用時(shí)間的關(guān)系。由于鋼化玻璃表面存在約占其總厚度1/6的受壓區(qū)，使其機(jī)械性能得到明顯提升，但一旦玻璃表面裂紋擴(kuò)展到受拉區(qū)，玻璃固有的應(yīng)變能將迅速釋放，鋼化玻璃將立即碎裂。
3 玻璃肋幕墻的構(gòu)造設(shè)計(jì)
作為全玻結(jié)構(gòu)，玻璃肋駁接系統(tǒng)運(yùn)用最為廣泛，在廣泛運(yùn)用的同時(shí)也暴露了一些技術(shù)問題。為傳力所需，往往一塊玻璃肋板需要開十多個(gè)孔，受力的復(fù)雜性及鉆孔帶來的損傷，使得玻璃肋板極易發(fā)生爆裂現(xiàn)象，引發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)。鑒于此，肋駁接幕墻的構(gòu)造設(shè)計(jì)必須充分適應(yīng)其材料特質(zhì)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。
3．1駁接件的設(shè)計(jì)
從前述的玻璃特性不難看出，在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)避免玻璃承受長期荷載，且當(dāng)玻璃作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用時(shí)，需采取一定的構(gòu)造措施以應(yīng)對(duì)玻璃突然破裂而造成的安全風(fēng)險(xiǎn)。按照常規(guī)的肋駁接系統(tǒng)，面板的自重需通過駁接件傳遞至肋板，由于面板重心與肋板連接件間存在一定間距，面板自重會(huì)對(duì)肋板產(chǎn)生附加彎矩，影響玻璃肋的承載力。借鑒張拉索桿體系幕墻的構(gòu)造特點(diǎn)，肋駁接幕墻系統(tǒng)可通過在肋板前端設(shè)置不銹鋼索的方式，化解重力、附加彎矩等長期荷載對(duì)玻璃肋的不利影響。如圖3所示，不銹鋼索隱藏于面板拼縫處，與面板中心基本重合，通過設(shè)于幕墻橫縫的鎖緊螺釘將肋駁接件鎖定于不銹鋼索上，用以固定幕墻面板。隱索的設(shè)置不僅可提高玻璃肋的承載力，更可在玻璃肋爆裂時(shí)，承托玻璃面板，避免幕墻整體垮塌，增加幕墻整體的安全度。設(shè)置重力索后，玻璃肋僅需承擔(dān)面板傳遞的水平荷載及自重，傳力更為直接，但為防止因隱索與玻璃肋變位不協(xié)調(diào)而帶來的附加力，面板駁接件與玻璃肋的連接宜為單孔鉸接方式，通過鉸孔轉(zhuǎn)動(dòng)，釋放附加彎矩的不利影響。 
3．2拼接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)
為適應(yīng)大跨度建筑造型，玻璃肋需要通過拼接才能成為整體，其所受的彎矩與肋的跨度平方成正比，跨度越大，拼接處的彎矩及剪力也越大。為減少拼接處內(nèi)力，拼接位置應(yīng)盡量靠近支座處。由于玻璃無塑性發(fā)展能力，拼接節(jié)點(diǎn)無法采用鋼結(jié)構(gòu)的等強(qiáng)連接方式，設(shè)置再多的連接螺栓也不能提高拼接接頭的連接強(qiáng)度。為此，業(yè)內(nèi)常采用膠粘方式，即通過涂刷在玻璃與不銹鋼板間的膠水來傳遞彎矩及剪力，形成等強(qiáng)連接。這種方法有效避免了栓接方式孔邊應(yīng)力集中所帶來的連接節(jié)點(diǎn)承載力低下問題，但在具體的構(gòu)造上還存在一些值得深入分析的要點(diǎn)。
3．2. 1粘接劑的選擇
由于連接節(jié)點(diǎn)需要通過粘結(jié)劑傳遞內(nèi)力，因此粘結(jié)劑必須具有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度。環(huán)氧類結(jié)構(gòu)膠抗剪及抗拉強(qiáng)度大，膠接接頭能長期承受振動(dòng)、疲勞及沖擊荷載，且具有較高的耐熱性和耐候性。通常鋼-鋼室溫抗剪強(qiáng)度>25MPa，抗拉強(qiáng)度≥33MPa。曾利用圖4所示的液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行某類環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠不銹鋼—玻璃的抗剪試驗(yàn)，抗剪強(qiáng)度可達(dá)17Mpa。同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果顯示環(huán)氧膠層厚度的均勻度對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度影響甚微，膠水流動(dòng)性適中，便于施膠。此點(diǎn)可有效解決實(shí)際工程中因鋼化玻璃、不銹鋼板表面不平整而造成的膠層厚薄不均，影響粘接強(qiáng)度問題。 
不銹鋼與玻璃的線脹系數(shù)不同，除考慮傳遞內(nèi)力外，粘接面還應(yīng)考慮兩種材質(zhì)之間的相對(duì)溫差位移。圖5模擬了不銹鋼與玻璃在40°C溫差作用下粘接面的溫差應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果顯示，粘接邊緣應(yīng)力已達(dá)80.8861Mpa，遠(yuǎn)大于鋼化玻璃邊緣強(qiáng)度。因此，粘結(jié)劑的選擇除了滿足抗剪強(qiáng)度外，還必須具有一定的變位能力，以化解或降低玻璃表面溫差應(yīng)力。通常，粘結(jié)劑的變位能力與粘接強(qiáng)度成反比，粘接強(qiáng)度越高，變位能力越弱，兩者需綜合考慮。 
3．2. 2拼接方式設(shè)計(jì)
圖7顯示了常規(guī)的膠粘方式，粘接部位采用整塊不銹鋼板連接上下玻璃肋板。當(dāng)遇大跨度玻璃肋施工時(shí)，按此方法拼裝成型的玻璃肋整體吊裝需配備大量的人力及機(jī)具。若為簡化吊裝，采用高空對(duì)接方式，則現(xiàn)場的施工環(huán)境又不利于粘接質(zhì)量。此外，粘接用環(huán)氧類膠十分穩(wěn)定，一旦粘接成型，只有通過高溫或者機(jī)械切除的方式進(jìn)行分離。因此，采用此種膠粘方式連接的玻璃肋，即使只是其中一段發(fā)生破損也必須全部更換，維修成本高昂。
從圖5的模擬結(jié)果可知，不同材料間存在溫差應(yīng)力，此應(yīng)力與材料的線膨脹系數(shù)差值及溫變幅度有關(guān)。從《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ113-2009中6.1.3條可知，玻璃線膨脹系數(shù)為1.0x10-5/°C，不銹鋼板的線膨脹系數(shù)為1.8x10-5/°C，鋼板的線膨脹系數(shù)為1.2 x10-5/°C。因此，采用鋼板與玻璃肋粘接可有效降低兩者間的溫差應(yīng)力。圖6模擬了鋼板與玻璃在40°C溫差作用下粘接面的溫差應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果顯示，粘接邊緣應(yīng)力為20.1968Mpa，較之不銹鋼板有顯著下降。
圖8顯示了一種分離式膠粘方式，先將小塊鋼板分別與每段玻璃肋粘接，然后再通過特制銷栓及整體不銹鋼板將上下兩段玻璃肋連成整體。這種拼接方式的優(yōu)勢在于，玻璃與鋼板之間的粘接可在工廠內(nèi)可控的溫度環(huán)境中完成，充分保證了粘接質(zhì)量。同時(shí)，選擇鋼板與玻璃粘接可減少兩者間的溫差應(yīng)力，降低對(duì)粘接用膠變位能力的要求。由于玻璃肋板為分離式設(shè)計(jì)，可大大簡化運(yùn)輸、安裝工作，大幅降低維修成本。內(nèi)側(cè)鋼板與外側(cè)不銹鋼板采用栓接方式，通過銷栓孔壁傳力，連接更為可靠。內(nèi)外側(cè)鋼板孔采用預(yù)先配鉆的方式進(jìn)行加工，可有效保證現(xiàn)場拼裝精度。由于玻璃肋與鋼板之間采用粘接方式，內(nèi)外鋼板間又依靠銷栓傳力，玻璃肋孔側(cè)不直接承受外載，可在保證玻璃截面強(qiáng)度的前提下，加大開孔直徑，并在孔內(nèi)填充彈性膠，以消除孔邊應(yīng)力集中的風(fēng)險(xiǎn)。 
3．2. 3 肋支座設(shè)計(jì)
玻璃肋幕墻，無論采用何種固定方式，都需支承于主體結(jié)構(gòu)上，因此幕墻系統(tǒng)應(yīng)具有良好的追從性，以適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)的變位�！�玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003中7.1.3條明確：吊掛全玻幕墻的主體結(jié)構(gòu)或結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)有足夠的剛度，采用鋼桁架或鋼梁作為受力構(gòu)件時(shí)，其撓度限值df，lim宜取其跨度的1/250。通常，為追求全玻幕墻的通透性，其主體結(jié)構(gòu)跨度都較大，若以跨度8m為例，鋼梁的容許撓度為32mm，再加上加工、安裝誤差及溫度變形，玻璃肋板支座至少需滿足50mm以上的變位能力要求。因此，玻璃肋幕墻支承于鋼結(jié)構(gòu)系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)認(rèn)真核實(shí)其位移能力。采用圖9所示的成品肋支座可較好地適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)的豎向變位，玻璃肋上端通過肋板支座懸掛于主體結(jié)構(gòu)，下端通過肋板支座與固定耳板間的長孔，實(shí)現(xiàn)滑動(dòng)連接，滿足位移要求。 
4 工藝要點(diǎn)
玻璃裁切、開孔后會(huì)在玻璃邊緣形成損傷，而玻璃的邊緣強(qiáng)度通常在設(shè)計(jì)中起控制作用，因此面板及其孔洞邊緣均應(yīng)倒棱和磨邊，倒棱寬度不宜小于1mm，磨邊宜細(xì)磨，不得出現(xiàn)崩邊。玻璃肋由于采用夾層玻璃，需在單層玻璃上鉆大小不同的孔，以保證多孔對(duì)位。根據(jù)規(guī)范要求玻璃的鉆孔位置偏差應(yīng)小于±0.8mm，孔距偏差應(yīng)小于±1.0mm。為保證肋夾板處玻璃孔能有效傳力，玻璃孔直徑應(yīng)大于肋板直徑3mm以上，其間設(shè)置彈性襯套，玻璃孔周邊填充彈性膠。彈性膠可在玻璃孔周邊形成保護(hù)層，減緩玻璃表面裂紋擴(kuò)展，配合彈性襯套可消減孔位誤差，減少應(yīng)力集中。為保證連接安全，在驗(yàn)核螺孔傳力時(shí)，應(yīng)按單片計(jì)入，且應(yīng)扣除孔兩側(cè)倒棱寬度。
從前述分析可知，溫度作用對(duì)玻璃肋幕墻系統(tǒng)存在諸多影響。肋板的粘接溫度宜取使用環(huán)境溫度的中值，并應(yīng)在可控的環(huán)境中打膠粘接。鋼板與玻璃粘接前應(yīng)去除表面污物，鋼板可采用庚烷，玻璃可采用異丙醇進(jìn)行清潔。為提高粘接強(qiáng)度，鋼板表面應(yīng)適度打磨，以此增加接觸面積并銳化表面溝紋，提高膠接強(qiáng)度。在進(jìn)行全玻幕墻的安裝前應(yīng)復(fù)核主體鋼結(jié)構(gòu)的變位，根據(jù)施工環(huán)境溫度與極值溫度的變形差，控制好預(yù)留間隙，并應(yīng)盡量避免在極端氣候環(huán)境下施工。
5 結(jié)語
全玻結(jié)構(gòu)幕墻以其通透的質(zhì)感為建筑師所推崇，但玻璃為脆性材料，對(duì)外界因素的影響極為敏感，尤其是大跨度拼接的玻璃肋幕墻系統(tǒng)，在系統(tǒng)的構(gòu)造設(shè)計(jì)、材料選擇、施工工藝方面存在諸多技術(shù)要點(diǎn)。正如一個(gè)硬幣的兩面，任何事物的內(nèi)部都包含肯定的和否定的兩個(gè)方面，它們既對(duì)立又統(tǒng)一。當(dāng)我們享受玻璃結(jié)構(gòu)的光影魅力時(shí)，也必須正面玻璃自身的弱點(diǎn)，只有針對(duì)材料特性，因材設(shè)計(jì)才能使全玻幕墻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)日臻完善。
參 考 文 獻(xiàn)
[1] 張其林，玻璃幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) ，同濟(jì)大學(xué)出版社
[2] 玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范 JGJ102-2003
[3] 建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程 JGJ113-2009 |
