某既有玻璃幕墻面板承載力和剛度計算與分析

程 晨 (安徽體育運動職業技術學院，安徽 合肥 230051）

0 前言

中空玻璃面板由內、外兩層玻璃和間隔條系統組成，玻璃與間隔條（內部注入分子篩）通過多道密封膠粘接而成，因其具有節能保溫、隔音及采光好等優點而在工程中應用廣泛。李會等[1]提出中空玻璃熱傳遞性能的計算結果受玻璃邊界條件影響較大，分析了中、美標準計算結果差異原因，對國內計算軟件中邊界定義取值進行分析比較，并建議采用NFCR 標準中的默認情況。饒永[2]提出影響建筑室內冷熱模式的主要參數為空氣濕度、空氣溫度、建筑外部氣流和太陽能輻射等四個方面，介紹了夏季傳入室內的主要熱源，雖然玻璃幕墻可以大大改善建筑能耗效果，但其由于光的反射可能會導致其他建筑吸收，這樣將產生二次光污染，因此在具體工程中玻璃幕墻的采用及選型應專門研究分析。趙佳男等[3]提出中空玻璃撓度計算時可以將其等效厚度的方法看作一個整體進行撓度計算，并且驗證了該方法的可行性；通過試驗和理論計算分析得出《玻璃幕墻工程技術規范》（JGJ102-2003）與《點支式玻璃幕墻工程技術規范》（CECS127：2001）在玻璃應力和位移計算公式的差別，并建議實際工程中應采用JGJ102-2003 規范進行內外片荷載的分配，再通過CECS:2001 標準公式計算玻璃面板的最大應力。萬成龍等[4]在現有的光譜研究理論基礎上，依據相關規范通過數值模擬的方法研究了間隔條暖邊、內部惰性氣體、玻璃表面涂層及真空這四個參數對中空玻璃熱工性能的影響，研究結果對實際工程設計有較好的參考意義。萬成龍等[5]結合既有拉索玻璃幕墻開展安全性評估案例，采用有限元分析方法計算案例中玻璃幕墻夾層面板的承載力和剛度，計算結果顯示玻璃面板內外片應力均滿足規范要求，玻璃面板中心最大撓度采用等效厚度方法算得撓度值小于規范限值，表明現階段該幕墻玻璃面板承載力和剛度均滿足規范要求。

上述文獻內容中關于中空玻璃面板的計算研究多集中于熱工性能和點支式夾層面板承載力及剛度校核板塊，未見關于框支承中空玻璃面板規格厚度及平面尺寸參數，對承載能力和剛度影響的相關研究，本文以某既有玻璃幕墻為案例，對不同規格厚度的中空玻璃面板承載力和撓度進行計算對比，得出現階段該既有玻璃面板安全狀況及不同規格厚度和平面尺寸參數對玻璃面板承載力和剛度的影響。本文的研究成果可以為實際幕墻中玻璃面板設計選型及安全性評估環節中計算方法提供一定的參考價值。

1 工程概況

某既有玻璃幕墻工程標高為18.6m，主體采用鋼筋混凝土框架結構，所在地基本風壓為0.35kN/m2，基本雪壓為0.6kN/m2，抗震設防烈度為7度，地震峰值加速度為0.1g，場地類型為C 類。建筑外立面采用全隱框玻璃幕墻，面板均采用雙鋼化中空玻璃，厚度規格分為（6+12A+6）mm 和（6+12A+8）mm 兩種；面板主要分格尺寸分為1200mm×1500mm 和1200mm×1800mm 兩種，具體玻璃面板規格厚度及對應的分格尺寸見表1 所示。該幕墻自建成至今已有15 年，為了解現階段該幕墻玻璃面板安全狀況，作者對上述幕墻中空玻璃面板現階段承載力和剛度進行計算分析。

中空玻璃面板規格參數表 表1

2 荷載分析計算

本節詳細列舉玻璃面板A-1 承載力和剛度的計算過程，玻璃面板A-2 和玻璃面板A-3 相關參數計算過程與玻璃面板A-1 相同，所以本節不再重復列出玻璃面板A-2 和玻璃面板A-3 的計算過程。

2.1 風荷載計算

2.1.1 玻璃面板風荷載標準值Wk

按現行國家標準《建筑結構荷載規范》（GB50009-2012）要求，視玻璃面板為直接承受風荷載的圍護構件，體型系數不進行折減。故此，本工程（封閉式建筑物）墻面負壓區體型系數取值為μs1=1+ 0.2= 1.2。

按規范規定，玻璃面板風荷載標準值應按下式計算，并且不應小于1kN/m2

按現行國家標準《建筑結構可靠性設計統一標準》（GB50068-2018）第8.2.9 條取風荷載分項系數為1.5，所以作用在幕墻上的風荷載設計值W=1.5kN/m2。

2.2 水平地震作用計算

按現行的玻璃幕墻工程技術規范要求，垂直于幕墻平面的分布水平地震標準值可按式qEk=βE×αmax× Gk/A。

2.3 外片玻璃荷載計算

按現行的玻璃幕墻工程技術規范要求，分配到外片玻璃的荷載組合的標準值（N/mm2）和荷載組合的設計值（N/mm2）分別為：

2.4 內片玻璃荷載計算

同本文2.3 節的荷載分配理論計算，分配到內片玻璃的荷載組合的標準值（N/mm2）和荷載組合的設計值（N/mm2）分別為：

①分配到內片玻璃的風荷載標準值

3 承載力和撓度計算

3.1 承載力計算

按現行的玻璃幕墻工程技術規范要求，查閱規范得到內、外片鋼化玻璃強度折減系數∩分別為12.911 和11.778，彎矩系數m 為0.0628，玻璃面板在風荷載和水平地震作用組合下，玻璃面板截面最大應力計算結果如下。

①中空玻璃外片玻璃產生的最大應力：

計算結果顯示內片玻璃強度滿足規范要求。

3.2 剛度計算

按現行國家規范《玻璃幕墻工程技術規范》（JGJ102-2003），正常使用狀態下，幕墻構件的變形或撓度驗算時，一般不考慮不同作用效應的組合，地震作用效應相對于風荷載較小，不單獨進行地震作用下結構的變形驗算，因此玻璃面板在風荷載作用下，玻璃面板跨中最

計算結果顯示中空玻璃面板的跨中最大撓度滿足規范要求。

4 計算結果對比分析

通過上述理論公式計算得出玻璃面板A-1、玻璃面板A-2 及玻璃面板A-3在風荷載及地震作用組合下，其承載力和剛度計算結果，具體數值詳見表2 所示。

中空玻璃面板計算結果 表2

承載力和撓度計算結果顯示，該幕墻3 種典型中空玻璃面板現階段承載力和撓度均滿足規范要求，無需進行處理，后期使用過程中應定期進行維護保養，當發現異常情況（如玻璃破裂、密封性能失效、脫落等）時應及時進行有效處理。玻璃面板A-2 與玻璃面板A-1 平面分格尺寸相同，但外片玻璃厚度增加2mm，計算結果顯示其承載力最小富余系數提高2.6%，撓度富余系數提高9.8%，表明剛度（用撓度表征）較承載力提高效果顯著。玻璃面板A-3 與玻璃面板A-2 內外片厚度規格相同，但平面尺寸延長邊增加300mm（比例關系：A-3 板的長邊/短邊=1.5，A-2 板的長邊/短邊=1.8），計算結果顯示其承載力最小富余系數降低3%，撓度富余系數降低4.5%，剛度（用撓度表征）較承載力降低明顯。

通過上述結算結果對比分析，玻璃幕墻墻面中空玻璃面板規格厚度和平面尺寸參數對面板承載力和撓度均有不同程度的影響。具體如下：隨著單片玻璃厚度的降低，其承載力和剛度均有不同程度降低，但剛度降低效果較承載力顯著，建議工程造價允許的情況下，采用厚度較大的玻璃，可以有效提高玻璃承載力和剛度，以降低玻璃面板服役過程中破裂風險。隨著玻璃面板長邊/短邊數值的增加，其承載力和剛度均有不同程度降低，但剛度降低幅度較承載力顯著，建議實際工程中盡量減少大跨度玻璃面板的應用，面板分格尺寸應重點研究決定。

5 研究結論

本文通過對某既有玻璃幕墻面板承載力和剛度進行計算對比分析，得出主要研究結論如下：

①玻璃幕墻面板現階段承載力和撓度均滿足規范要求，使用過程中應定期進行維護保養，發現異常情況時，應及時進行處理；

②玻璃幕墻墻面中空玻璃面板規格厚度和平面尺寸參數對面板承載力和撓度均有不同程度的影響，隨著單片玻璃厚度的增加，其承載力和剛度均有不同程度提高，但剛度提高效果較承載力明顯；隨著玻璃面板長邊/短邊數值的增加，其承載力和剛度均有不同程度降低，但剛度降低幅度較承載力顯著，因此玻璃幕墻施工過程中應嚴格把控面板規格尺寸；

③本文的研究成果可以為實際幕墻的玻璃面板設計選型及安全性評估環節中計算方法提供一定的參考價值。