17m 超高坐地式玻璃肋幕墻系統結構性能和試驗研究

孫淑萍 SUN Shu-ping；李永春 LI Yong-chun；喻慶先 YU Qing-xian；杜玉芬 DU Yu-fen；徐誠 XU Cheng

（①硅湖職業技術學院，昆山 215332；②江河創建集團股份有限公司，北京 101300）

0 引言

近年來，全玻幕墻在國內外大受歡迎，得到了快速發展，并在工程中被大量使用，全玻幕墻高度多次刷新。我國《玻璃幕墻工程技術規范》限定了坐地式全玻幕墻的最大高度，大于規范限值的全玻幕墻應懸掛在主體結構上[1]。澳大利亞玻璃幕墻規范指出坐地玻璃肋的高度不超過5m[2]。而玻璃肋和玻璃面板坐地式計算在規范中少有涉及。

在泰康大廈幕墻工程中，應用17m 高坐地式玻璃肋幕墻系統，由于幕墻系統高度超出了國內玻璃幕墻規范的高度限值，為了確保該系統設計整體穩定和結構安全，對其結構性能進行試驗研究和分析。

1 工程背景

泰康大廈工程，設計高度為216m 高，位于北京商務核心區。依據風洞試驗報告和荷載規范，設計風壓標準值為+1.75kPa/-1.75kPa[3]。坐地玻璃肋系統應用在其裙樓的西立面、南/北立面西側。玻璃肋幕墻系統中玻璃肋的配置為六片超白SGP 夾膠鋼化玻璃（FT12mm+SGP1.52mm+FT12mm+SGP1.52mm+FT12mm+ SGP1.52mm+FT12mm+SGP1.52mm+FT12mm+ SGP1.52mm+FT12mm），玻璃肋高為17m，深為1.02m。玻璃面板為雙夾層中空Low-e 超白玻璃（HS12+1.52SGP+HS12+16A+HS12+1.52SGP+HS12），面板高為17m，最大寬為3.107m。

2 試驗概況

2.1 試樣設計

在超高玻璃肋和面板頂底連接中均采用無開孔工藝，玻璃肋頂底預先在工廠固定鋼槽防止安裝時磕碰，通過分體式轉接件將其固定在箱體鋼梁上。玻璃肋頂底部端面涂有護邊結構膠，與鋼槽內壁間放置玻璃墊塊，并在間隙內注填縫膠，頂底部連接形式，如圖1、圖2。

圖1 玻璃肋頂部連接構造

玻璃肋前側面沿高度方向與玻璃面板打膠固定，結構膠斷面18mm 厚×26mm 寬，待結構膠完全固化后進行二次打膠，待硅酮結構膠密封膠完全固化后，將臨時固定點拆除。

玻璃面板的固定方式與玻璃肋類似，不同之處面板頂部直接入槽設計，通過分體式轉接件將其固定在箱體鋼梁上，面板與鋼槽內壁間放置玻璃墊塊，并在間隙內注填縫膠。

2.2 試樣安裝

本試驗采用由內向外的安裝順序，依次安裝頂底部鋼件、玻璃肋、玻璃面板，臨時支撐固定和打膠等，左右相鄰面板之間打密封膠，測試樣板四周與箱體結構之間進行密封設置。

2.3 測試儀器布置

為測試加載過程中玻璃面板平面外的變形和玻璃肋平面內和平面外的變形，在相應位置布置了9 個位移傳感器，用以測量玻璃肋的進出變形、側向變形、玻璃面板中部變形。

3 結構分析與性能試驗

在進行該玻璃肋幕墻系統設計時，需充分考慮超高坐地玻璃肋在自重荷載和風荷載作用下的平面外穩定性。

3.1 結構分析

玻璃面板采用殼單元，玻璃肋采用實體單元并考慮SGP 材料非線性，玻璃肋按照實際厚度建模，厚度79.6mm，高度17000mm，寬度1020mm，長度和寬度方向網格劃分100mm，12mm 玻璃厚度方向網格劃分3 等分[4]；結構膠按照實際29mm×18mm 建模，長度方向網格劃分100mm，厚度方向網格劃分3 等分，寬度方向網格與玻璃肋協調；面板網格劃分100mm，等效厚度輸入31.92mm；整體有限元模型取兩根玻璃肋和一塊面板，玻璃肋、面板頂底鉸接約束，頂部釋放豎向位移，結構膠與面板和玻璃肋端面均綁定接觸。

1.75kPa 風荷載作用下，玻璃肋的變形6.2mm，考慮兩面均有面板的情況玻璃肋的撓度變形應該12.4mm，玻璃面板中心最大撓度15.74mm，跨中邊緣撓度6.85mm，面板中心相對最大撓度8.55mm。撓度變形如圖3。

圖3 100%設計風壓作用下面板、玻璃肋變形

2.625 kPa 風荷載作用下，玻璃肋的變形9.3mm，考慮兩面均有面板的情況玻璃肋的撓度變形應該18.6mm，玻璃面板中心最大撓度23.9mm，跨中邊緣撓度10.74mm。撓度變形如圖4。

圖4 150%設計風壓作用下面板、玻璃肋變形

考慮初始缺陷1/300，進行非線性屈曲分析，得到玻璃肋屈曲荷載為42kN/m，線荷載設計值9.995kN/m，屈曲安全系數K=7.7 大于2.5 滿足要求[5]。

根據規范的要求，結構性能試驗主要包含三個部分：結構性能測試（50%及100%風荷載值）、抗風壓性能測試和結構安全性能測試（75%及150%風荷載值）[1，6，7]。

3.2 結構性能測試

依據規范[6]的相關要求，玻璃肋幕墻系統的測試步驟為：①檢查測試樣板安裝是否符合工程圖紙要求，布置傳感器；②預加50%設計荷載，保持10s，然后釋放壓力荷載，保持空載1～5min；③施加50%風壓，保持10s，記錄讀數，釋放風壓，保持空載1～5min；④施加100%風壓，保持10s，記錄讀數，釋放風壓，保持空載1～5min，記錄殘余變形[10]。

測試基本要求：①玻璃未破裂；②在100%設計風壓作用下，玻璃肋的變形小于跨度的1/360，玻璃面板的變形不超過短邊的1/60；③錨具、框架、面板、膠條不應出現破壞或永久變形[10]。

按照上述測試方法和步驟，對該幕墻系統進行試驗研究，未出現玻璃破裂或其他可見破壞，各加載階段玻璃肋的變形值均小于規范限值，滿足測試要求。玻璃肋和面板的變形試驗值、有限元計算值和理論計算值進行對比，如表1。

表1 玻璃肋、面板變形值對比表

由表1 可以看出有限元計算值與試驗值、理論計算值基本接近。

3.3 抗風壓性能測試

依據規范[7]的相關要求，應對該玻璃肋幕墻系統進行抗風壓性能進行測試。

試驗測試步驟為：①檢查測試樣板安裝是否符合工程圖紙要求，按指定位置布置傳感器；②壓力差值±175Pa、±350Pa、±525Pa 和±700Pa 變形檢測；③反復加壓，壓力波動范圍（787Pa～1313Pa），波動周期為7s，加壓次數10次；④安全性測試，分別進行正風壓測試和負風壓測試±1750Pa。

試驗要求：①玻璃未破裂；②在100%設計風壓作用下，玻璃肋的變形小于跨度的1/360，玻璃面板的變形不超過短邊的1/60；③荷載從一個值到另一個值的加載時間不小于1s，在峰值荷載處的持續時間至少3s，便于記錄讀數[7]。

通過試驗可知，均未見構件的可見破壞。

3.4 結構安全性能測試

依據規范[8]的相關要求，應對該玻璃肋幕墻系統進行結構安全性能測試。測試步驟為：①檢查測試樣板安裝是否符合工程圖紙要求，布置傳感器；②預加75%的設計荷載，持續10s，然后卸載，保持空載1～5min，重新設置傳感器的讀數；③施加100%的測試風壓，持續10s，記錄讀數；④施加150%的測試風壓，持續10s，記錄讀數，然后卸載，保持空載1～5min，記錄殘余變形讀數[10]。玻璃肋、面板的變形及殘余變形結果，如表2。

表2 玻璃肋、面板變形值和殘余變形值

試驗要求：①凈殘余變形不超過跨度的1/1000；②錨具、框架、面板、膠條沒有破壞和永久變形；③玻璃邊緣的結構膠不應出現粘結破壞[10]。

由表1、表2 可知：

①150%設計風壓時，玻璃肋負風壓作用下的變形呈線性變化，但玻璃肋和玻璃面板在150%正風壓作用下的變形值不再線性變化；②加載至100%設計風壓時，正、負風壓下玻璃肋變形值分別為12.2mm 和12.3mm，滿足玻璃肋變形限值要求，玻璃的變形亦滿足限值要求；③150%設計風壓結構安全測試時，玻璃肋殘余變形最大值0.5mm，卸載后結構變形恢復比例最小為99.9%，均大于95%的規范限值要求；④在150%設計風壓作用下未出現玻璃肋失穩和玻璃面板及玻璃肋的破壞現象，說明該設計滿足規范，可用于實際工程中[9]。

4 位移能力測試

為了模擬試樣模型在活荷載、長期荷載作用下的變形以及地震荷載作用的位移，對該玻璃肋幕墻系統進行三個方向的位移能力測試：每組測試重復進行三組，豎向位移能力測試（上下±30mm），前后位移能力測試（前后±40mm），左右位移能力測試（左右±40mm）。

經過位移能力測試，玻璃面板和玻璃肋無破壞，連接件均完好無損，密封膠、膠條無破壞。滿足層間位移角1/433的工程安全性要求。

5 結論

超高坐地式玻璃肋幕墻系統中玻璃肋和面板均采用工廠化組裝加工，防磕碰設計，固定全玻系統構件的鋼轉接件采用分體式設計便于現場安裝，玻璃肋、面板頂底部涂有護邊結構膠，且與鋼槽的間隙注填縫膠讓兩者很好地貼合，有效緩解與鋼的“硬碰硬”，避免承擔荷載時玻璃局部應力集中出現破損。此次試驗驗證了超高坐地式玻璃肋幕墻系統設計方案安全可行，試驗數據和結果為超高坐地式玻璃肋幕墻系統的設計提供了一定的經驗和依據，同時也推動了玻璃生產加工行業的發展。