大跨度剛性玻璃幕墻結構設計分析

郭繼業 （中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100000）

1 引言

隨著中國幕墻產業的多元化發展，剛性玻璃幕墻也應運而生[1]。所謂剛性玻璃幕墻是由剛性玻璃門窗肋和剛性玻璃門窗面所組成的全剛性門窗幕墻[2]。根據連接形式的不同，剛性幕墻結構大致分為兩種形式，剛性玻璃肋肋相連的全玻幕墻結構和剛性玻璃肋點相連的全剛性幕墻結構。由于剛性幕墻建筑具有的結構形式簡潔、視覺通透漂亮、成本低等優點，被大量運用于公共建筑以及有良好采光條件的機場、博物館等面積較大的場所[3]。

規范規定“對寬度大于8m的剛性門窗肋應進行穩定驗算，高度大于12m的剛性門窗肋宜做平面外固定試驗，在必要時宜采用防側向失穩的結構保護?！辈贿^，對于穩定性的計算方法，由于標準中缺乏具體的規范，實際操作中也存在著一定的問題。現在，國內不少設計師按照歐美標準完成相應計算，但是因為對規范理解不夠深入等因素，且一些規定要求不符合實際情況，給剛性幕墻結構設計的安全性帶來了很多隱患[4]。

基于剛性玻璃幕墻的結構構造型式不同，對剛性肋的計算結果形式也有所不同。規范中明文規定，關于剛性玻璃幕墻“點支承剛性幕墻的支承構造設計宜獨立進行，剛性面不能兼做支承構成的部分”。關于剛性肋肋接的剛性幕墻“面面剛性透過膠縫與剛性肋相連時，面板可用做支承于剛性肋的單面簡支板設計”。而規范[5]中，關于剛性肋穩定性統計方式的劃分也與此規范相同，將剛性肋的支承型式細分成三種類型：沒有側面支承的剛性肋、有連續性側面支承的剛性肋、有不連續性側面支承的剛性肋。點接的剛性肋幕墻則屬第一種形體，通高的肋接剛性肋幕墻則屬第二種形體，而復雜支承型式的剛性肋幕墻則屬第三種形體。

2 無側向支承的剛性幕墻穩定性分析

這些型式的大跨越剛性幕墻結構的共同特點是窗戶構造在立面上有分格，窗戶構造使用點支承連接在肋剛性上面，窗戶構造和肋剛性相互之間使用剛性密封膠(圖1)或使用結構膠(圖2)連接。

圖1 密封膠示意圖

圖2 結構膠示意圖

在規范標準中，規定此類的剛性精裝飾剛性表面并不能為肋剛性帶來橫向支撐，其整體的穩定性及臨界最大彎矩Mcr公式如下：

式中：Mcr為臨界側向屈曲彎矩(N·mm)；g2、g3為從附表中查屈曲常值；Lay為穩定性計算結果中的計算時間；(EI)y為剛性肋繞弱軸方位的抗彎剛度(N·mm2)；GJ為剛性肋的抗扭剛度(N/mm2)；yh為荷載作用點到剛性肋中性軸的間距(mm)，yh=d/2；E為剛性面面的彈性模量，取為72000N/mm2；g為剛性面面的剪切模量，取為30000N/mm2；b為剛性肋直徑的厚薄(mm)。根據剛性等效厚薄推算，d為剛性肋直徑的高程(mm)；Iy為剛性肋繞弱軸方位慣性矩，Iy=db3/12(mm4)；J是指剛性肋的最大抗扭反慣矩，J=bb3/3(1-0.63d/b)(mm)4。剛性肋的最高扭矩是Mmax。

關于g2、g3的取值方式，本文只根據目前最常用的圖2、圖3二種形態加以解釋。如圖2所示，面剛性外殼和肋剛性之間均采用剛性密封膠聯接，面剛性外殼的負荷均經過駁接件以點負荷的形態輸送到肋剛性，g2、g3取值于采用承受等間距點荷載形態的肋，為第二種型式，g2=3.3、g3=1.3。

根據圖2所示，面剛性外殼和肋剛性中間采用結構膠聯接，面剛性外殼自身重量負荷由駁接件以點負荷的形態傳遞給肋剛性，而水平荷載則經由構造膠以線負荷的形態傳給肋剛性，g2、g3取值于采用承受均布線負荷形態的肋，屬第一種類型的鉸接件做法，g2=3.6、g3=1.4。

由式(1)可知，臨界彎矩Mcr與剛性肋的計算結果長寬Lay以及剛性肋的最大直徑標準d，與剛性肋的斷面厚薄b均有關聯。確定在計算長寬為一定的情形下,臨界彎矩Mcr與最大直徑標準d成反比率，即Mcr與斷面厚薄b的三次方成反比率。此外，由于SGP膠片的問世，已經逐步運用于大跨度剛性肋中。PVB膠片的剛性等效平均厚薄為，而SGP膠片的剛性等效平均厚薄則為b≈t1+t2。所以，夾膠的種類對提高總體安全穩定性負面影響很大，要綜合考慮現實情況選擇合適的膠片。

3 連續側向支承的剛性幕墻設計與穩定性分析

大跨越剛性幕墻建筑物構件的共同特點是面剛性構造通高布置，面剛性構造和肋剛性相互之間通過結構膠層連接，可以認為對面剛性構造和肋剛性相互之間實現了連續性的側向支承。針對大跨度剛性幕墻，按照規范要求[5]吊掛，肋剛性的自重對其總體穩定性起到有利的影響，而忽略了自重對穩定性的影響。其總體穩定性與臨界扭矩的Mcr方程見式(3)。

式中：y0為側向約束到剛性肋中性軸線的長度(mm)；yh為荷載作用點到剛性肋中立軸的長度(mm)。當為風吸力時,yh=y0=d/2。當為風壓力時,yh=-d/2,而y0=d/2。因此,風吸力時的Mcr值遠低于風氣壓時的Mcr值，這和現實情況一致。同時由于面剛性的存在，也影響了窗戶肋一邊的平面向外移，從而在門窗肋的一側出現了側向支座[6]。而針對風壓，該側撐也會支撐在承重區，但是由于窗戶肋的支撐區有連續的支撐，所以在這時并不會出現安全問題。而針對風吸力，側面的撐支在被風拉區，因此，也有可能損壞。剛性肋的最高扭矩為Mmax,如果符合上述公式定義(2)，則剛性肋的總體安全穩定性也符合設計規定。由式(3)可得,臨界彎曲矩Mcr與剛性肋徑向厚度范圍b的3次方成反比例關系，其負面影響也很大。Mcr與剛性肋截面高度d的成正比關系，但作用并不大。

4 不連續側向支承的剛性幕墻設計與穩定性分析

大跨越剛性幕墻結構特點是面剛性構造在立面上有分格，而面剛性構造通過節點支承或構造膠聯接在肋剛性構造上。肋剛性利用拉索和拉桿連在同一主體構造上，并從橫縱位置都布設了肋剛性。根據這個受力狀況，可以認為剛性肋之間布的并不連貫。

玻璃肋上的主要支撐結構，包括拉桿、拉索、交叉等機械肋結構，都能夠有效限制機械肋的屈曲能力，即這種支撐結構需要有效約束，并聯連接到主體結構上，才能夠發揮在機械肋上布置側向支撐結構的作用[7～8]。其整體穩定性臨界扭矩的Mcr公式見式(4)。

式中：g1是屈曲常數。

剛性肋的最高彎曲矩為Mmax，如果符合式中(2)，則剛性肋的總體穩定能力也符合設計規定。此屈曲常數g1值與橋端部的較大彎曲矩有關聯，若按照附表(此處不詳盡列舉)的描述,當端部彎曲矩相同時，g1值極小，對總體穩定性計算結果最不利于影響，此時g1=3.1。且從式(4)中即可得到，為Mcr-bd3值，與其他二種主要受力類型相同。

5 結語

針對施工實踐，通過分析承重設計模式，大跨度全剛性玻璃幕墻設計工程的承重設計模式大致可以分成三種。按照我國標準的技術規范提出了適應要求的公式；再綜合國內外應用實際確定了對應的系數；最后得出各種強度模具的最高臨界屈曲與最高扭矩都相同，和一般玻璃肋支撐的最高扭矩也相等或相當。從大跨越剛性幕墻結構的總體安全穩定性分析結果，由以上的受力分析可得出，根據三種強度模型計算，大跨越剛性幕墻結構的最大臨界屈曲為彎矩Mcr-bd3。臨界屈曲最高扭矩Mcr與剛性肋直徑高程d成反比,對總體安全穩定性計算結果的負面影響并不少。而臨界屈曲最高扭矩Mcr與剛性肋斷面厚度b3成正比，對總體安全穩定性計算結果的負面影響也很大。但經過對PVB膠片與SGP膠片的比較，SGP膠片的使用對總體安全穩定性計算結果負面影響很大，根據工程設計實踐,選用了適當的膠片。