大跨度全玻幕墻系統技術分析

朱江

摘 要：大跨度全玻幕墻系統是以夾膠鋼化玻璃為面板，以金屬桿件、玻璃肋及橫豎向穩定鎖為組合支撐系統，通過支撐組合系統將力傳遞到主體結構上的建筑幕墻。本文通過我司承建的項目實例，分析了較為復雜受力情況下，大跨度全玻幕墻的設計要點。

關鍵詞：夾膠鋼化玻璃；不銹鋼吊夾；穩定拉鎖

一、大跨度全玻幕墻案列分析

我司承建的大跨度全玻幕墻系統用于宴會廳外立面，豎向高度為12m，寬度為2.5m。面板玻璃采用15mm超白鋼化+2.28PVB+12mm超白鋼化夾膠彩釉玻璃，玻璃肋采用19 +1.52PVB+19超白鋼化夾膠玻璃。

在前期方案討論階段，有以下三種方案：

1.玻璃面層采用整塊玻璃，即單片玻璃為寬度2.5m，高度12m，該方案結構形式單一，設計相對簡單，受力模型較為明確。但是咨詢玻璃廠家后，這種超常規的玻璃面板供貨周期長、成本高，施工中運輸、安裝都存在較大的風險，包括后期的玻璃破損更換成本都是要高出普通玻璃幾倍。綜合考慮成本及安裝風險等因素，該方案未被采用。

2.玻璃面板采用兩片拼接，即單片玻璃寬度為2.5m，高度為6m，上下兩片玻璃通過鋼板拼接成一塊，所有重力傳到頂部的吊掛構件上。該方案材料及安裝成本相對而言，稍低于第1種方案，但是上下兩片玻璃的拼接構件較為復雜，存在安全隱患，故該方案未被采用。

3.綜合考慮前兩種方案的優缺點，最終采用兩片玻璃各自受力的形式，上片玻璃吊掛，下片玻璃落地的設計思路，既可以解決大玻璃板塊的高成本，也可以達到合理受力的目的。

本工程面板規格（面板寬度2.5m，高度6m）、自重（面板重1036kg，肋玻璃重263kg）較大，并且是上、下兩片玻璃拼接的大跨度全玻幕墻，總豎向跨度12m，受力較大且復雜，在綜合分析該幕墻受力后，在傳統的單片全玻幕墻的受力模型基礎上，進行優化。傳統的落地式，上片玻璃自重需要傳遞到下片玻璃，上、下片玻璃拼接處連接較為復雜，受力穩定性也不理想；如果采用吊掛式，上端的吊夾受力增大一倍，下片玻璃傳力至上片玻璃的構造也存在風險，另外當上片玻璃自爆后，下片玻璃將失去支撐，存在較大的安全隱患。綜上，本工程采用上片玻璃吊掛，下片玻璃落地的設計理念，大樣詳見下圖：

上端連接構造分析：

上片玻璃面板及玻璃肋均采用吊掛式，使上片玻璃自重由上端吊夾支撐，后端玻璃肋承擔水平力，上端吊掛由雙面不銹鋼夾板、無紡布加環氧樹脂專用結構膠、不銹鋼螺栓組合件配合使用。結構膠使玻璃與不銹鋼吊夾充分粘結，并且避免了玻璃與不銹鋼板的剛性接觸，螺栓穿過玻璃與鋼板，主要承擔玻璃的自重。該設計使玻璃自重在結構膠與吊夾結構作用下，存在著雙保險的效果。整個吊夾隱藏在鋁板吊頂內，復雜的受力構件完全不影響外觀效果，巧妙地增加了整個全玻幕墻的通透與整潔。

中間連接構造分析：

中間支撐根據建筑師的要求，盡可能的弱化該部分的可視性能，以滿足受力要求而不影響外觀效果為主要設計思路。基于此，中部支撐構件采用特制細長不銹鋼桿件，前端夾住上、下片玻璃，后端焊接于主體鋼結構上。該桿件不承受玻璃自重，主要承擔玻璃的水平力。

中間支撐桿件設計的巧妙構思主要有以下三點：

1.經結構計算，只承擔水平力的情況下，該不銹鋼板高度只需要150mm，細長圓桿為直徑60mm，遠小于最初構思的1500mm高度，尺寸了縮小了近10倍。

2.橫、豎向穩定拉索通過構件中的圓孔夾緊，橫向φ10拉索與水平玻璃縫隙同一高度，豎向φ10拉索與玻璃豎向縫隙等分格設置，即所有拉索都設置在玻璃縫隙后面，不會打斷玻璃的整體性外觀。

3.桿件噴涂成淺色系，透過玻璃觀看，基本不影響建筑外觀的通透性；整體效果得到了建筑師的充分肯定。

下端連接構造分析：

下片玻璃采用落地式設計，讓玻璃自重直接落在鋼槽內，上端用不銹鋼支撐桿件支撐，后端用玻璃肋承受水平力，整個支撐構造都隱藏于鋁板面層內。

二、玻璃面板與連接件結合處設計要點分析

本工程玻璃面板與不銹鋼連接件之間的連接采用的是雙保險設計，即螺栓可承受玻璃面板的重力，環氧樹脂膠也可承受玻璃面板的重力。鋼化夾膠玻璃面板用兩片不銹鋼連接件夾住，結合面設置無紡布和環氧樹脂膠，用三組M20的螺栓夾緊不銹鋼板和玻璃面板，螺栓穿過的玻璃孔內需要設置尼龍套，尼龍套與玻璃面板之間、尼龍套與螺栓之間灌注環氧樹脂膠，避免玻璃孔的應力集中。在單獨驗算螺栓承受重力、單獨驗算環氧樹脂膠承受重力均能夠滿足要求的前提下，通過玻璃與不銹鋼板間粘接環氧樹脂膠、三組M20的螺栓共同受力，承擔玻璃的重力，可預防螺栓與玻璃孔位置不均勻受力、環氧樹脂膠失效的風險。

環氧樹脂膠單獨承受玻璃面板重力時，膠剪切力的驗算：

本工程采用的是強力環氧膠，根據廠家的技術報告，此類產品的剪切強度在20MPa（2x107N/m2）左右。

本工程中面板產生的剪切力 =G/4A

式中

G——單塊玻璃的重量（N）

A——單個不銹鋼連接件與玻璃的接觸面積（m2）

G=69.12Kg/m2X2.5mX6mX10N/Kg=10360N

A=4x350x130x10-6m2=0.182m2

=10360N/0.182m2=5.7x104N/m2<2x107N/m2

由計算可知，環氧樹脂膠滿足承載玻璃面板重力的要求。

螺栓單獨承受玻璃面板重力時，玻璃孔局部受力驗算：

面板鋼連接件承受玻璃自重，因此面板玻璃開孔處，玻璃與螺栓接觸面上的局部支承應力可以采用下式驗算（單個鋼件螺栓數設置3個，但考慮兩點決定一條直線的原理，計算時取2個，即每塊玻璃面板重力由4個M20螺栓共同承擔）：

G=G/4bt≤[fgb]

式中

G——玻璃與螺栓接觸面上的局部支撐應力（N/mm2）；

G——單塊玻璃的重量（N）；

b——玻璃孔徑；

t——玻璃厚度；

[fgb]——面板玻璃的邊緣強度設計值（N/mm2）。

G=69.12Kg/m2X2.5mX6mX10N/Kg=10360N

G=10360/（4x30x27）=3.2N/mm2≤41.3N/mm2

由計算可知，螺栓連接滿足承載玻璃面板重力的要求。

三、結語

大跨度全玻幕墻系統廣泛應用于實際工程，設計方案也是千變萬化，相關的規范和標準也對該類型幕墻系統的設計有著很好的指導作用。但是結構安全與建筑美學的實現需要合理的構造設計，上吊掛式、下落地式的設計思路可有效解決部分大跨度全玻幕墻的難題。

參考文獻

[1] 建筑結構荷載規范.廣東：中國建筑工業出版社，2014.

[2] 建筑玻璃應用技術規程.北京：中國建筑工業出版社，2015.

（作者單位：深圳中航幕墻工程有限公司）