玻璃幕墻的設計探討

彭立校

(江蘇信達置業有限公司，江蘇 南京　230036)

玻璃幕墻的設計探討

彭立校

(江蘇信達置業有限公司，江蘇 南京230036)

摘要:文章根據幕墻玻璃的受力特點，著重從結構安全的角度論述了玻璃幕墻在設計階段所需重點考慮的幾種問題。

關鍵詞:抗震；擾度；預應力模型；耐久性

玻璃幕墻建筑從它誕生之日起,就以其獨特的建筑功能和藝術魅力倍受人們,特別是建筑師和結構工程師的青睞,在百年左右的時間內幾乎風靡于全世界,而且至今仍處于方興未艾的上升勢頭。但可能因為它不是主體承重結構,似乎一直受到建筑設計部門的冷落,以為不存在什么值得研究的結構力學課題。其實這是一種誤解,下面結合現行《規范》中暴露出來的若干問題,從結構設計的角度,對玻璃幕墻今后的研究方向提出幾點看法。

1抗震設計問題

玻璃幕墻的抗震性能是比較脆弱的,原因是它不完全決定于自身的抗震能力,還要受到主體結構、連接件、支承框架等設計質量的影響。如果據此而消極地限制玻璃幕墻只能適用于“非抗震設計”工程,顯然是不現實的。事實上,有些玻璃幕墻建筑比較集中大城市。恰位于環太平洋地震帶上,關鍵問題是對玻璃幕墻的抗震設計要有個科學合理的理論依據。不難理解,目前廣泛應用的“振型分解反應譜法”不適于幕墻的抗震設計,因為地震時的地面運動并不直接傳遞到幕墻上,而是通過主體結構的地震響應,間接激勵幕墻發生振動。在這種情況下,“時程分析法”可能是一個值得推薦的動力分析方法,因為它對確定性和非確定性激勵、線性和非線性分析都適用。如果按確定性激勵考慮,則需提供主體結構。地震響應的位移時程曲線,這可通過模擬振動試驗來獲取。如果按非確定性激勵考慮迮可以將主體結構的地震響應處理成隨機過程,對幕墻進行振動分析,從整體概率意義上對它進行抗震設計。無論按哪一種激勵方式考慮,都要經歷一個研究過程,也都可以得到一個可靠的幕墻抗震設計方法。

2大小撓度問題

由于幕墻玻璃的三向幾何尺寸與橫向荷載集度可在較大范圍內變動,玻璃中心附近出平面的側向位移,有可能小于或大于玻板的厚度;也就是說,幕墻玻璃的力學分析,既可能屬于小撓度問題,也可能屬于大撓度問題。從結構力學的角度看,不論是小撓度還是大撓度還是打撓度問題,目前都有切實可行的分析方法,不存在任何麻煩,但兩種問題分析方法的繁簡則有很大差別。如果本來屬于大撓度問題而用小撓度分析方法去進行求解,就會對位移和應力作出過高估計,結果偏于保守。如果本來屬于小撓度問題而用大撓度分析方法去求解,在計算時間和勞動上就是一種浪費,就是工作上的盲目性。因此,如果在進行力學分析之前(而不是“之后”),有一個可靠而而便捷的判別公式,先期識別幕墻玻璃在地區風壓作用下應屬于大還是小撓度問題,在針對性的進行求解,無疑是比較科學合理的。截至目前為止,在國內外正式頒布的規范或標準中,似無這方面的知識信息,應該補上這個空白。

3合理設計程序問題

幕墻玻璃的抗風壓設計,簡言之,是在根據建筑功能要求和當地氣象條件,給定玻璃的平面尺寸和風壓值之后,選擇安全合理的玻璃厚度。處理這個常規設計問題,目前存在著兩種工作方法。一種是應用以大量實驗為基礎的經驗公式,按已知風壓和平面尺寸推算所需的玻璃厚度。這是一種比較簡便的直接方法,日、美、加、澳等國,都是采用的這種途徑。另一種是先設定一個玻璃后盾。這是通常習用的間接方法,我國現行《規范》和《幕墻工程手冊》建議的就是這個途徑。第1種途徑雖然應用直接而簡便,但由于彼此適用條件和方法、樣本規格和品質、材料基本強度等等各不相同,各國的經驗公式不盡一致,不宜相互借用,而且都有明顯的局限性。尤其當玻璃的長寬比、厚度、邊界條件等超出公式的適用范圍時,還是需要采用結構力學方法進行計算。第2種途徑雖然比較間接,但無上述的局限性。也有較強的通用性。缺點是初始厚度的選取全憑主觀實踐經驗,不容易做到經濟合理。因此,關于幕墻玻璃抗風壓設計,似宜從這樣3個方面進行考慮:① 先要有個選取初始厚度的簡便方法,它應主要基于理論分析,而不是單憑離散實驗數據的擬合;② 初始厚度選定之后,還要有個鑒定大小撓度問題的判別準則和判別指標,辨明問題的性質系屬于線性還是幾何非線性;③ 根據鑒定結果,再選用相應的結構力學方法進行分心,檢驗初始厚度的合理性。這樣做,或許能夠得到一個高效率的實用工作方法。

4預應力模型問題

鋼化玻璃常用于防暴或安全要求較高的場合,它是以浮法玻璃等位原片,經過物理方法加工而成的,其工藝流程主要包括“均勻加熱”和“急劇冷卻”2個過程,即先將原片在加熱爐中均勻加熱至軟化溫度(約630～700℃),使之呈塑性狀態;然后快速移至鋼化風柵中,通過均勻密布的噴孔將壓縮空氣對稱地噴吹玻璃的兩側表面,使之急劇冷卻。在冷卻過程中,由于玻璃的中心內層同外側表層之間存在很大的溫度梯度,表層產生壓應力,內層產生拉應力。因此,在工作荷載作用之前,鋼化玻璃種已有預應力存在,國內外有關文獻曾描繪它的定性分布示意。由于這個預應力的存在,使鋼化玻璃有較強的機械力學性能和良好的熱穩定性。在幕墻設計中應如何反映鋼化玻璃的這個優良性能,國內外有關規范都只是簡單地加大它強度設計值的取值,如我國和日本均取為浮法玻璃強度設計的3倍,美國取為4倍,澳大利亞取為2.5倍等。這樣的處理無疑是遠遠不夠的,它沒有充分利用鋼化玻璃的內在品質。比較科學的思路應該是:先跟試驗實測數據量化它的預應力分布規律,使之成為可以進行定量分析的“預應力模型”;再通過理論分析,提出計入預應力影響的、鋼化玻璃的線性和非線性計算方法。

5玻璃的耐久性問題

實踐證明,在垂直板面的分布荷載作用下,玻璃的彎曲強度σ(Mpa)與荷載持續時間T(s)有關。根據實驗數據的統計分析,其數學形式可表為:

σnT=const

(1)

這意味著,玻璃的彎曲強度與荷載持續時間的n次根成反比,或者說,荷載持續時間愈長,玻璃的彎曲強度愈低。如果單從形式上看,當T→∞時,σ→0,這顯然是不現實的,因此。它應有個適用范圍。大多數研究者認為。當σ短期荷載強度的25%-40%時,這個公式才是有這一關系反應的規律當然很重要,因為玻璃承受的有短期荷載(如風荷載),也有較長期荷載(如雪荷載),但作用都很頻繁,這就會影響玻璃的使用壽命。

顯然,式中的指數n是個關鍵參數,因為它直接決定玻璃的彎曲強度隨荷載持續時間延長而遞減的速度。若令T1和T2 2個不同持續時間的彎曲強度分別為σ1和σ2,則由式(1)可得:

(2)

關于n的取值,因不同研究者的工作條件(包括試驗方法.樣本尺寸.玻璃的化學成分和熱處理方式等)而異,國外的實驗資料大體在12≤n≤20范圍內波動。例如,若取n=20,并令T1=1s時的σ1作為一個單位,則當T2=10s,1min,1h,1d時,對應的σ2按式(2)不難算得依次為σ2=0.891,0.815,0.664,0.566,這與文獻[8]的實驗結果基本上是一致的。

對于國產玻璃,也應通過實驗確定自己的n值。這是很容易辦到的,因為由式(1)直接推出:

(3)

由此可見,只需通過實驗測得兩個不同荷載持續時間T1和T2的彎曲強度σ1和σ2,就可由此極易推出n值。有個這個n值,就可以按式(2)對玻璃的安全性做出診斷和預測,這無疑是有現實意義的。

6結束語

值得探討的問題遠不止這些,如夾層玻璃.中空玻璃.全玻璃幕墻的應用均極普遍,但國內外有關規范或標準對此均略而不詳?？傊?玻璃幕墻設計中的技術問題,并不像人們原來估計的那么簡單,而是大有文章可做,本文難免有掛一漏萬之嫌,權當一塊引玉之磚而已。

[參考文獻]

[1]呂子華，呂令毅 . 矩陣結構力學[M].北京：中國建筑工業出版社，1997.

[2]趙西安. 幕墻工程手冊[M].北京：中國建筑工業出版社,1996.

[3]王永恒.建筑玻璃應用手冊[M].武漢：武漢工業大學出版社，1993.

[4]JGH 102-96.玻璃幕墻工程技術規范[S].

(責任編輯陳化鋼)

The design of glass curtain wall

PENG Li-xiao

(Jiangsu Cinda Real Estate Co., LTD., Nanjing, Jiangsu Province, 230036,China)

Abstract:Based on the mechanical characteristics of glass curtain wall, mainly from the perspective of the structural safety,this paper discusses several key consideration required for glass curtain wall in the design stage.

Key words:earthquake; immunity; prestressed model; durability

收稿日期：2016-02-20；修回日期：2016-03-10

作者簡介：彭立校(1981- )，男，安徽蒙城人，一級建造師、安全工程師，從事幕墻工程的技術及項目管理工作。

DOI：10.3969/j.issn.1671-6221.2016.02.005

中圖分類號：TU352

文獻標識碼：A

文章編號：1671-6221(2016)02-0017-03