點支承采光頂玻璃面板安全性評估分析研究

2022-08-04 03:29:14孫雨欣鄭燕燕周慶松劉俊高治亞

安徽建筑 2022年7期

孫雨欣，鄭燕燕，周慶松，劉俊，高治亞

（1.安徽省建筑科學研究設(shè)計院綠色建筑與裝配式建造安徽省重點實驗室，安徽合肥 230031；2.安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測站，安徽合肥 230031）

0 前言

既有建筑采光頂?shù)陌踩栽u估一直是建筑行業(yè)研究熱點，這其中面板承載力和撓度的計算又是整個安全性評估的重要環(huán)節(jié)。中國建科院萬成龍等[1]提出平行拉索式點支承玻璃幕墻玻璃面板安全檢測應(yīng)包括結(jié)構(gòu)校核和現(xiàn)場檢查，結(jié)構(gòu)校核可通過有限元軟件或規(guī)范公式計算校核。上海交通大學劉炘煒等[2]提出夾層玻璃底層玻璃的裂紋模態(tài)對夾層玻璃構(gòu)件的承載方式起著決定性作用，浮法玻璃相比于鋼化玻璃所形成的碎片形狀能更好地形成傳力路徑，并顯著影響夾層玻璃的開裂后強度。鄭州大學李天[3]提出采光頂支承結(jié)構(gòu)中立柱、主梁等主要受力構(gòu)件對結(jié)構(gòu)的基本周期有影響，次梁、支撐等非主要受力構(gòu)件截面對豎向地震作用較其他構(gòu)件影響更大。同濟大學張其林等[4]提出點支式夾層玻璃隨著荷載的增加，荷載—位移、荷載—應(yīng)力變化曲線接近于線性。安徽建科院劉俊等[5]提出采用有限元軟件近似計算矩形鋼立柱抗彎強度和撓度方法是可行的。安徽建科院鄭燕燕等[6]將石材幕墻面板槽口數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果和理論分析結(jié)果進行對比，結(jié)果基本一致，三者相互印證了各自的準確性和有效性，進而提出可以采用有限元軟件計算石材面板槽口抗剪性能?，F(xiàn)行標準[8]中給出均布荷載作用下四點跨中支承矩形板承載能力和撓度計算公式，但實際工程中有相當一部分采光頂面板采用六點跨中支承方式，對于這類安裝方式，規(guī)范中的計算公式較難滿足計算要求。本文結(jié)合某點支承采光頂玻璃面板安全性評估實例，采用有限元分析軟件計算玻璃面板承載能力和撓度，研究成果為實際工程中不同類型點支承方式采光頂玻璃面板的安全性能評估分析方法提供了一定的參考價值。

1 工程背景

某點支承采光頂標高為23.45m，所屬建筑物地面類別為B 類，抗震設(shè)防烈度為7 度，基本雪壓S0=0.5kN/m2，基本風壓W0=0.35kN/m2。玻璃面板采用（12+1.14pvb+12）mm 厚鋼化夾層玻璃，支承結(jié)構(gòu)采用大跨度鋼桁架。典型玻璃面板尺寸有Ⅰ類（1500×2000mm）和Ⅱ類（1500×2600mm）兩種，Ⅰ類玻璃面板采用四點跨中支承，Ⅱ類玻璃面板采用六點跨中支承，玻璃面板支承點處均采用浮頭式活動駁接頭與四點X 型駁接爪連接（見圖1 所示），相鄰板縫內(nèi)部嵌填密封膠。為了解該采光頂現(xiàn)階段玻璃面板的承載能力，建設(shè)單位委托作者對該采光頂中典型玻璃面板的安全性能進行評估。

圖1 玻璃安裝節(jié)點實物圖

2 安全性評估方法

本采光頂玻璃面板安全性評估，按構(gòu)件外觀質(zhì)量，構(gòu)件連接節(jié)點構(gòu)造、變形，構(gòu)件承載能力及剛度（玻璃面板剛度以撓度來表征）四個檢驗項目分別評定，最終玻璃面板安全性能取上述四個檢驗項目評定結(jié)果中最低級別。

2.1 構(gòu)件外觀質(zhì)量檢查

檢測方法：主要通過目視法檢查構(gòu)件及粘接材料外觀質(zhì)量，對部分連接構(gòu)件拆卸后進行功能性檢查。

檢測結(jié)果：現(xiàn)場抽檢的玻璃面板外觀無明顯裂紋、缺角和脫膠現(xiàn)象；抽檢的駁接頭、駁接爪及鋼底座外觀無明顯銹蝕現(xiàn)象；抽檢的浮頭式駁接頭旋轉(zhuǎn)無明顯卡頓現(xiàn)象；抽檢的密封膠注膠均勻，外觀無明顯老化、開裂現(xiàn)象。

2.2 構(gòu)件規(guī)格尺寸檢驗

檢測方法：現(xiàn)場采用超聲波測厚儀和游標卡尺，對抽檢的玻璃面板和駁接爪尺寸進行測量。

檢測結(jié)果：現(xiàn)場抽檢的駁接爪尺寸基本滿足設(shè)計250mm×250mm要求，抽檢的鋼化夾層玻璃面板單片厚度基本滿足設(shè)計厚度12.0mm要求。

2.3 構(gòu)件連接節(jié)點構(gòu)造、變形檢查

檢測方法：現(xiàn)場采用游標卡尺，并結(jié)合目視法對抽檢的具有典型代表的Ⅰ類和Ⅱ類玻璃面板安裝節(jié)點構(gòu)造及變形進行檢查。

2.3.1 Ⅰ類玻璃面板

實際現(xiàn)狀：I類玻璃面板采用四點支承方式，鉆孔直徑約40mm，孔邊距≥70mm，面板角部用浮頭式駁接頭與四點X型駁接爪連接，駁接爪與玻璃面板接觸面用1mm厚襯套及墊圈分隔后再用密封膠密封，單個駁接爪安裝在直徑44mm鋼座頂部，鋼座底部與主體鋼結(jié)構(gòu)圍焊連接，連接節(jié)點未見明顯松動、變形和滑移現(xiàn)象。

（注：原設(shè)計I 類玻璃面板采用四點支承方式，面板端部用浮頭式駁接頭與四點X 型駁接爪連接，單個駁接爪安裝在鋼座頂部，鋼座底部與主體鋼結(jié)構(gòu)焊接。）

Ⅰ類玻璃面板安裝節(jié)點構(gòu)造及變形基本滿足設(shè)計要求。

2.3.2 Ⅱ類玻璃面板

實際現(xiàn)狀：Ⅱ類玻璃面板采用六點支承方式，鉆孔直徑約40mm，孔邊距≥70mm，面板端部和跨中用浮頭式駁接頭分別與四點X 型和二點I型駁接爪連接，駁接爪與玻璃面板接觸面用1mm厚襯套及墊圈分隔后，再用密封膠密封，單個駁接爪安裝在直徑44mm鋼座頂部，鋼座底部與主體鋼結(jié)構(gòu)圍焊連接，連接節(jié)點未見明顯松動、變形和滑移現(xiàn)象。

（注：原設(shè)計Ⅱ類玻璃面板采用六點支承方式，面板端部和跨中用浮頭式駁接頭分別與四點X 型和二點I 型駁接爪連接，單個駁接爪安裝在鋼座頂部，鋼座底部與主體鋼結(jié)構(gòu)焊接。）

Ⅱ類玻璃面板安裝節(jié)點構(gòu)造及變形基本滿足設(shè)計要求。

綜合上述檢查結(jié)果，抽查的點支承采光頂玻璃面板構(gòu)件規(guī)格尺寸基本符合設(shè)計要求，構(gòu)件外質(zhì)量滿足相關(guān)規(guī)范要求，面板支承節(jié)點安裝方式、構(gòu)造及變形情況基本滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

3 荷載分析計算

參考文獻[8～10]計算得到面板正負風壓設(shè)計值W±=±0.001917N/mm2；雪荷載設(shè)計值S=0.00075N/mm2；活荷載設(shè)計值Q=0.00075N/mm2。內(nèi)、外片玻璃自重標準值GAK1=GAK2=0.000307N/mm2，自重設(shè)計值GA1=GA2=0.000368N/mm2。內(nèi)、外片玻璃風荷載標準值WK1=WK2=0.000639N/mm2，風荷載設(shè)計值W1=W2=0.000958N/mm2。內(nèi)、外片玻璃雪荷載標準值SK1=SK2=0.00025N/mm2，雪荷載設(shè)計值S1=S2=0.000375N/mm2。內(nèi)、外片玻璃活荷載標準值QK1=QK2=0.00025N/mm2，活荷載設(shè)計值S1=S2=0.000375N/mm2。荷載組合標準值qk1=0.001121N/mm2，設(shè) 計值 q1=0.001588N/mm2。

有限元分析與公式計算結(jié)果對比表2

4 有限元建模分析

4.1 模型建立

采用有限元軟件中靜力學分析板塊，采用考慮了有限的膜應(yīng)變和任意大轉(zhuǎn)動的單元，建立單片玻璃面板分析模型，分析模型采用自由技術(shù)進行劃分網(wǎng)格，模型相關(guān)參數(shù)詳見表1所示。

有限元模型相關(guān)參數(shù) 表1

玻璃面板點支承部位施加x、y、z 三個方向的位移約束，同時釋放x、y、z 三個方向轉(zhuǎn)動約束。在面板1 和面板3 的面法線方向施加均布荷載q=0.001588N/mm2，在面板2 和面板4 的面法線方向施加均布荷載q=0.001121N/mm2，荷載和邊界條件如圖2 和圖4 所示，網(wǎng)格劃分如圖3 和圖5 所示。中支承和六點跨中支承玻璃面板，分析結(jié)果顯示最大應(yīng)力均出現(xiàn)在支承點附近，且數(shù)值均滿足強度設(shè)計值42N/mm2要求；最大撓度計算值均滿足撓度限值df,lim=l/60 要求。對比計算結(jié)果可知，六點跨中支承面板撓度分析值相較于四點跨中支承面板大大減小。實際工程中采用單塊四點支承玻璃面板的撓度超限時，可以考慮將相鄰兩塊面板改用一塊六點跨中支承面板代替，并重新進行承載能力和撓度計算。