玻璃幕墻風(fēng)荷載設(shè)計(jì)研究

王敬麗，李 寧

(河北工程大學(xué)土木工程學(xué)院，河北邯鄲056038)

所謂的建筑幕墻就是由支承結(jié)構(gòu)體系與面板組成的、可相對(duì)主體結(jié)構(gòu)有一定位移能力、不分擔(dān)主體結(jié)構(gòu)所受作用的建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)或裝飾性結(jié)構(gòu)。

隨著玻璃幕墻這種外裝修圍護(hù)結(jié)構(gòu)的興起，國(guó)內(nèi)外高層建筑采用玻璃幕墻的迅速增多，玻璃幕墻的建筑技術(shù)發(fā)展也十分迅速，如：北京長(zhǎng)城飯店(22層，83.85 m高)、北方國(guó)際傳媒中心(26層，104.3 m高)、芝加哥西爾斯大廈(110層，442 m高)、芝加哥漢·考蘭大廈(100層，344 m高)、德國(guó)慕尼黑奧林匹克體育館等，許多著名的建筑都以玻璃幕墻為外部裝修。

作為一種新型產(chǎn)業(yè)，玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是研究者主要的研究對(duì)象，其主要問(wèn)題是抗風(fēng)和抗震設(shè)計(jì)，但相對(duì)于抗震來(lái)說(shuō)，風(fēng)荷載是玻璃幕墻所受的主要荷載。故本文通過(guò)有限元的計(jì)算方法，對(duì)玻璃幕墻的三種形式分布進(jìn)行了抗風(fēng)設(shè)計(jì)的對(duì)比研究。

1 玻璃幕墻的三種構(gòu)造形式

玻璃幕墻形式各異, 設(shè)計(jì)計(jì)算所依據(jù)的力學(xué)模型也不盡相同, 因此, 有限元的計(jì)算方法在幕墻設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程中被廣泛采用。按照玻璃板塊的支承形式進(jìn)行分類, 玻璃幕墻可分為框支承幕墻、點(diǎn)支承幕墻以及全玻幕墻。下面分別介紹玻璃幕墻的三種不同構(gòu)造形式。

框支承玻璃幕墻(frame supported glass curtain wall): 玻璃面板四周由金屬框架支承的玻璃幕墻(圖1)。框支承玻璃幕墻最外面是玻璃板塊, 它支承在鋁合金橫梁上, 橫梁與立柱連接, 立柱則懸掛在主體結(jié)構(gòu)上。上、下層立柱通過(guò)活動(dòng)接頭連接, 可以相對(duì)移動(dòng), 以適應(yīng)溫度變形和樓層的軸向壓縮變形。按幕墻形式分：明框玻璃幕墻、隱框玻璃幕墻、半隱框玻璃幕墻；按幕墻安裝形式分：?jiǎn)卧讲Ａ粔Α?gòu)件式玻璃幕墻。

(1—橫梁；2—立柱)圖1 框支承玻璃幕墻截面示意

全玻幕墻(full glass curtain wall):由玻璃肋和玻璃面板構(gòu)成的玻璃幕墻，其結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。全玻玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)有單肋和雙肋兩種形式。全玻玻璃幕墻的板面不得與其他剛性材料直接接觸。其板面與裝修面或結(jié)構(gòu)面之間的空隙不應(yīng)小于8 mm，且應(yīng)采用密封膠密封。

(a)單肋 (b)雙肋(1—玻璃肋；2—玻璃面板)圖2 全玻幕墻玻璃肋截面示意

點(diǎn)支承玻璃幕墻(point-supported glass curtain wall)：由玻璃面板、點(diǎn)支承裝置和支承結(jié)構(gòu)構(gòu)成的玻璃幕墻。點(diǎn)支式玻璃幕墻的玻璃面板一般僅由支承點(diǎn)支承, 通常為四角支承(圖3), 也有六點(diǎn)或八點(diǎn)支承[2]。面板玻璃一般采用鋼化夾膠玻璃, 也有少數(shù)采用中空鋼化玻璃。

圖3 四點(diǎn)支承玻璃幕墻示意

2 有限元計(jì)算方法

本文根據(jù)模擬風(fēng)壓作用下三種不同安裝結(jié)構(gòu)的玻璃幕墻結(jié)構(gòu)各自的受力特點(diǎn), 對(duì)其分別建立了不同的玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的有限元模型。

2.1 框支承玻璃幕墻的有限元模型簡(jiǎn)化

根據(jù)框支承玻璃幕墻的受力特點(diǎn)，設(shè)定立柱的兩端與靜壓箱之間的連接視為鉸接, 而梁柱間的連接為剛性連接，本文采用彈性桿單元通過(guò)改變其剛度來(lái)模擬立柱上下兩端節(jié)點(diǎn)處的半剛性狀態(tài)[7]。模型自由度的約束依據(jù)玻璃幕墻的安裝結(jié)構(gòu)形式來(lái)實(shí)現(xiàn)。立柱懸掛結(jié)構(gòu)體上, 桿件上端固定, 下端釋放其軸線方向的自由度, 以減小立柱軸向由于溫度變化而產(chǎn)生的應(yīng)力。橫梁兩端與立柱固定連接,玻璃板塊四邊支撐于立柱與橫梁上。在對(duì)橫梁、立柱進(jìn)行有限元計(jì)算時(shí)采用考慮軸向力和剪切變形的空間梁?jiǎn)卧? 對(duì)玻璃采用彈性薄殼單元。

2.2 全玻玻璃幕墻的有限元模型簡(jiǎn)化

對(duì)于全玻玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)形式，面板玻璃通過(guò)膠縫與玻璃肋相連結(jié)時(shí)，面板可作為支承于玻璃肋的單向簡(jiǎn)支板設(shè)計(jì)。面板與玻璃肋的連接按鉸接設(shè)計(jì)。有限元計(jì)算采用彈性-大變形有限元分析模塊，計(jì)算過(guò)程中可以忽略玻璃膠縫的寬度。

2.3 點(diǎn)支承玻璃幕墻的有限元模型簡(jiǎn)化

點(diǎn)支承玻璃幕墻的玻璃面板由支承點(diǎn)支承, 通常為四點(diǎn)支承、六點(diǎn)支承、八點(diǎn)支承等，在風(fēng)荷載作用下，其受力可簡(jiǎn)化為四角簡(jiǎn)支受力或多點(diǎn)簡(jiǎn)支受力。由彈性薄板的小撓度彎曲變形理論，點(diǎn)支承玻璃面板的彎矩與撓度可采用彈性薄板的有限單元法程序計(jì)算[4]。

在進(jìn)行計(jì)算的過(guò)程中，風(fēng)荷載的施加以均布荷載的形式垂直作用于各個(gè)玻璃板塊的表面。

完成上述有限元計(jì)算前處理工作后, 進(jìn)入ANSYS的求解模塊(圖4), 選擇分析類型為靜態(tài)分析, 進(jìn)行解算,如圖5所示為三種玻璃幕墻結(jié)構(gòu)分別在ANSYS軟件中的計(jì)算流程圖。求解完成以后, 在后處理模塊中查看分析結(jié)果，然后進(jìn)一步對(duì)三種安裝結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行對(duì)比分析，進(jìn)而做出進(jìn)一步的總結(jié)分析。

圖4 ANSYS軟件進(jìn)行中的模型輸入

3 實(shí)例計(jì)算及結(jié)構(gòu)分析

如將玻璃幕墻的平板玻璃選取為2 m×2 m的方形平板面，板厚為1.4 cm。現(xiàn)在在玻璃板面的垂直方向上施加0.14

圖5 幕墻結(jié)構(gòu)在有限元程序中計(jì)算的流程

N/cm2的風(fēng)壓力。本例中，框支承玻璃幕墻選用常用的明框玻璃幕墻形式，全玻玻璃幕墻選用單肋玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)形式，點(diǎn)支承玻璃幕墻選用四點(diǎn)支承的結(jié)構(gòu)形式。

利用上述方法對(duì)三種不同的安裝構(gòu)造形式進(jìn)行有限元計(jì)算程序求解，從計(jì)算后可獲得各幕墻結(jié)構(gòu)形式的最大彎曲應(yīng)力值，見(jiàn)表1。

表1 各種幕墻結(jié)構(gòu)形式最大彎曲應(yīng)力 N/cm2

通過(guò)有限元計(jì)算程序求解取得的最大應(yīng)力值表中可以看出，框支承玻璃幕墻的最大應(yīng)力彎曲值遠(yuǎn)小于規(guī)范玻璃的允許應(yīng)力。而全玻玻璃幕墻和點(diǎn)式玻璃幕墻主應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了設(shè)計(jì)的允許應(yīng)力，而且點(diǎn)式玻璃幕墻是極其集中的破壞應(yīng)力，對(duì)結(jié)構(gòu)的破壞性能較強(qiáng)。

4 結(jié)束語(yǔ)

從以上的分析中可知，有框式玻璃幕墻是相對(duì)較安全的結(jié)構(gòu)形式。雖然，全玻玻璃幕墻和點(diǎn)式玻璃幕墻具有外形美觀、通透性好等特點(diǎn)，但是由于全玻玻璃幕墻和點(diǎn)式玻璃幕墻結(jié)構(gòu)形式易產(chǎn)生極其嚴(yán)重的破壞應(yīng)力，故在以后的選用和施工中需要特別的注意。

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