全玻幕墻玻璃肋栓接吊裝模擬分析

楊毅龍

全玻幕墻是由玻璃肋支承的幕墻結(jié)構(gòu)，其幕墻面板和支承面板均采用透明玻璃，因此具有良好的整體通透性[1]。但是，玻璃作為脆性材料，一旦發(fā)生開裂將導(dǎo)致整體破壞[2]。

為避免玻璃肋的脆性破壞，需嚴(yán)格控制玻璃肋的吊裝、拼裝全過程，而玻璃肋的安全起吊是關(guān)鍵。現(xiàn)有施工技術(shù)常采用綁扎帶的方式進(jìn)行起吊固定，但是綁扎帶在起吊過程中有滑脫的風(fēng)險(xiǎn)。綁扎帶滑脫將導(dǎo)致玻璃肋在吊裝過程中發(fā)生大幅擺動(dòng)，甚至導(dǎo)致玻璃肋從綁扎帶中脫出。為了避免滑脫，通常需要綁扎緊固，但是綁扎的緊固程度取決于現(xiàn)場(chǎng)施工人員，可靠性不足[3]。如何在吊裝過程中有效保持玻璃肋構(gòu)件的起吊穩(wěn)定性，避免大幅擺動(dòng)，是施工技術(shù)的關(guān)鍵要點(diǎn)。

基于此，本文通過探討螺栓孔栓接起吊的可行性，分析栓接位置、銷栓材料類型、摩擦系數(shù)和銷栓間隙的影響作用。

1 工程概況

四川巴中某創(chuàng)產(chǎn)業(yè)園工程，建筑總面積為12 萬m2，地上3 層。該工程結(jié)合采用全玻璃幕墻、隱框玻璃幕墻和隱框金屬幕墻組成建筑總體幕墻系統(tǒng)。為了增強(qiáng)采光效果和建筑視覺效果，該建筑的西立面采用玻璃肋接駁全玻璃幕墻構(gòu)造（圖1），主要由上部支座、駁接系統(tǒng)和下部支座組成。玻璃面板選用雙銀低輻射（Low Emissivity，Low-E）超白鋼化中空玻璃，充分保證幕墻系統(tǒng)的透光度。所采用的Low-E 玻璃同時(shí)具有過濾較強(qiáng)的紫外、紅外輻射能力和較高的可見光透過率，從而有效增強(qiáng)了玻璃幕墻的隔熱性能，有利于節(jié)能。

圖1 全玻幕墻構(gòu)造（來源：作者自繪）

全玻幕墻系統(tǒng)的上部支座和主體結(jié)構(gòu)之間的連接形式為剛性連接，上部支座和玻璃肋采用不銹鋼連接板進(jìn)行螺栓連接，而下部支座與主體結(jié)構(gòu)的連接形式為可滑動(dòng)的鉸接方式。在玻璃肋板頂部，10 mm 厚連接鋼夾板與玻璃肋（19+2.28PVB+19 超白鋼化夾膠玻璃）通過螺栓連接固定，具體如圖2 所示。不銹鋼連接板與玻璃之間的縫隙通過填充環(huán)氧樹脂的方式消除，并形成一個(gè)整體參與受力。玻璃肋的寬度為752 mm，多片玻璃肋接長連接，單塊質(zhì)量接近1 t，質(zhì)量較大，因此玻璃肋的安裝要求較高。

圖2 玻璃肋板頂部連接構(gòu)造（來源：作者自繪）

2 全玻幕墻玻璃肋施工方案

2.1 施工準(zhǔn)備

施工準(zhǔn)備分4 步，具體為：第1，熟悉施工圖紙并根據(jù)圖紙及工程情況準(zhǔn)備與圖集、質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)和內(nèi)業(yè)資料相關(guān)的表格和文檔。第2，技術(shù)人員進(jìn)行技術(shù)交底，確保施工方案、質(zhì)量要求、安全措施等技術(shù)細(xì)節(jié)滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。第3，編制詳細(xì)的材料訂貨供應(yīng)計(jì)劃，選擇合適的玻璃類型、金屬型材規(guī)格、密封材料等，確保其滿足建筑外觀、保溫性能、隔熱性能和安全性能等方面的要求。第4，檢測(cè)所使用的施工機(jī)具，包括檢查吊裝設(shè)備、安全網(wǎng)等工具的正常功能和使用狀態(tài)，確保其性能良好，保證建筑施工過程的安全性和操作效率[4]。

2.2 施工流程與要點(diǎn)

2.2.1 施工流程

玻璃肋駁接全玻璃幕墻的施工流程包括深化設(shè)計(jì)、測(cè)量放線、玻璃肋接長拼接、頂部承重鋼架和下部邊框安裝、玻璃吊夾安裝、玻璃肋安裝、玻璃幕墻面板安裝、施加密封膠以及竣工檢測(cè)等。深化設(shè)計(jì)是對(duì)玻璃肋的穩(wěn)定性和連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)分析和承載力驗(yàn)算。玻璃肋接長拼接是將待拼接的玻璃肋運(yùn)至項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)，在合適的場(chǎng)地進(jìn)行接長拼接作業(yè)。先完成拼接托盤和玻璃孔內(nèi)鋁圈的定位擺放，然后拼接不銹鋼夾板和玻璃肋板。由于玻璃肋通常采用頂部鋼架吊掛式結(jié)構(gòu)，一般先進(jìn)行頂部鋼架的安裝，再進(jìn)行下部邊框的安裝。玻璃吊夾用于夾持玻璃幕墻面板，將其安裝于頂部鋼架。將已拼裝好的玻璃肋運(yùn)至待安裝位置附近，用卷揚(yáng)機(jī)將玻璃肋拉升至安裝位置并安裝固定。另外，玻璃幕墻面板的安裝順序?yàn)閺南轮辽稀?/p>

2.2.2 施工要點(diǎn)

對(duì)于玻璃肋駁接全玻璃幕墻，關(guān)鍵在于玻璃肋的安裝精度控制。使用激光水準(zhǔn)儀、經(jīng)緯儀等專業(yè)儀器可以有效校對(duì)垂直精度，一般要求玻璃肋上下中心線偏差控制在2 mm 以內(nèi)。玻璃肋的吊裝方式包括起重機(jī)吊裝和電葫蘆起吊等方式。

由于運(yùn)輸能力的限制，單片玻璃肋的長度有限，常采用多片玻璃肋拼接的方式以達(dá)到玻璃肋的設(shè)計(jì)長度。該拼接方式為不銹鋼板螺栓群接長連接。由于玻璃是一種受拉強(qiáng)度偏低的脆性材料，兩端起吊必然造成中間接長的螺栓連接處受力，容易發(fā)生脆性斷裂破壞（圖3），有必要進(jìn)行相應(yīng)驗(yàn)算[5]。

圖3 螺栓連接處的玻璃斷裂（來源：網(wǎng)絡(luò)）

吊裝前，需要將底部固定槽清理干凈，并放置橡膠墊塊。在吊裝過程中，應(yīng)該注意天氣情況，不應(yīng)在風(fēng)力超過4級(jí)的環(huán)境中吊裝。緩慢提升吊裝高度，采取相應(yīng)措施，如保護(hù)胎架、施工人員側(cè)面扶持等，避免玻璃大幅抖動(dòng)與附近物件發(fā)生碰撞。在玻璃肋固定前，精準(zhǔn)調(diào)節(jié)其空間定位和垂直度，一般要求垂直度誤差不超過±10 mm，直線度偏差不超過±2.5 mm[6]。

2.3 玻璃肋吊裝

由于玻璃肋比較細(xì)長，在安裝過程中需要采用相應(yīng)的措施保證抬升過程中的穩(wěn)定性，防止玻璃破碎[7]。為了避免玻璃肋在吊起過程中左右擺動(dòng)，設(shè)計(jì)一個(gè)寬度約為1 m、長度與玻璃肋基本等長的鋼架，用于玻璃肋的運(yùn)輸和輔助吊裝。同時(shí)，在鋼架的底部安裝活動(dòng)輪，從而方便調(diào)整位置，如圖4 所示。

圖4 帶活動(dòng)輪的鋼架（來源：作者自攝）

玻璃肋起吊通常采用綁扎帶固定的方式，但是該方式的安全程度取決于現(xiàn)場(chǎng)施工人員的綁扎緊密程度[8]。玻璃肋的上部預(yù)留了與主體結(jié)構(gòu)連接的螺栓孔，可采用螺栓連接的方式將玻璃肋臨時(shí)固定于鋼架，并通過抬起鋼架的方法將玻璃肋提升和安裝至所需位置。

3 玻璃肋吊裝過程模擬分析

3.1 分析方法和力學(xué)模型

為了避免玻璃破碎，有必要準(zhǔn)確模擬結(jié)構(gòu)的真實(shí)受力情況。采用通用有限元軟件建立如圖5 所示的實(shí)體分析模型。其中，玻璃肋頂部的螺栓連接附近采用三維6 節(jié)點(diǎn)線性三角棱柱單元，并在吊裝銷栓附近加密，其他部件的單元類型為8 節(jié)點(diǎn)線性減縮積分單元，主要分析從水平起吊至垂直時(shí)的玻璃肋應(yīng)力分布。

圖5 玻璃肋吊裝分析有限元模型（來源：作者自繪）

3.2 施工荷載

施工荷載主要為玻璃肋的重力荷載。玻璃的重力密度取25.6 kN/m3，彈性模量取72 GPa，泊松比取0.2。不銹鋼板的重力密度取78.5 kN/m3，彈性模量取193 GPa，泊松比取0.3。鋁合金的重力密度取28 kN/m3，彈性模量取68 GPa，泊松比取0.3。考慮到實(shí)際工程施工中突然施加荷載可能會(huì)產(chǎn)生動(dòng)力效應(yīng)，因此，突加荷載動(dòng)力系數(shù)取2.0。

3.3 吊裝過程模擬

玻璃肋的吊裝過程模擬主要仿真玻璃肋從水平吊起至垂直地面的構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力變化，如圖6 所示。

圖6 起吊過程（來源：作者自繪）

假定銷栓采用不銹鋼材質(zhì)，銷栓的直徑為29.6 mm，而螺栓孔的內(nèi)徑為30 mm，略大于不銹鋼銷栓的直徑，兩者的間隙為0.4 mm，因此不銹鋼銷栓可以套入螺栓孔內(nèi)。分析玻璃肋的吊起過程發(fā)現(xiàn)：當(dāng)玻璃肋處于水平狀態(tài)的時(shí)候，最大主拉應(yīng)力位于接長連接處，約18 MPa；當(dāng)玻璃肋抬起至與地面約45°角的時(shí)候，最大主拉應(yīng)力降至約13 MPa；當(dāng)起吊至垂直于地面的時(shí)候，最大應(yīng)力降至6 MPa，依然在螺栓孔附近。考慮突加荷載動(dòng)力系數(shù)的情況下，起吊過程主拉應(yīng)力變化，如表1 所示。

表1 起吊過程主拉應(yīng)力變化

可見，玻璃肋起吊的最危險(xiǎn)工況出現(xiàn)在剛開始起吊且玻璃肋處于水平狀態(tài)時(shí)，各工況對(duì)應(yīng)的玻璃應(yīng)力均小于19 MPa。依據(jù)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（JGJ 102—2003），19 mm 厚的鋼化玻璃在短期荷載作用下設(shè)計(jì)值為51 MPa，因此玻璃肋在起吊時(shí)不會(huì)發(fā)生破壞[9]。

4 參數(shù)分析

4.1 連接孔位置

為研究銷栓套入不同連接孔位置對(duì)最大應(yīng)力的影響，分別設(shè)置如圖7所示的2 種工況。工況一研究吊裝銷栓孔設(shè)置于靠近玻璃肋板邊緣的預(yù)留螺栓孔，工況二研究吊裝銷栓孔設(shè)置于稍遠(yuǎn)離玻璃肋板邊緣的預(yù)留螺栓孔。

圖7 連接孔位置分析有限元工況（來源：作者自繪）

對(duì)于工況二，在銷栓的作用下玻璃螺栓孔承壓，從而在孔周產(chǎn)生“雙耳狀”分布的主拉應(yīng)力，最大主拉應(yīng)力位于玻璃孔內(nèi)表面，如圖8 所示。如果孔周的最大主拉應(yīng)力超過鋼化玻璃的強(qiáng)度，將導(dǎo)致玻璃裂縫發(fā)展并引起玻璃粉碎破壞。如圖9 所示，工況二的孔周最大主拉應(yīng)力小于工況一，說明吊裝銷栓設(shè)置在圖7 中工況二位置有助于減小孔周應(yīng)力。

圖8 工況二孔周主拉應(yīng)力分布（來源：作者自繪）

圖9 連接孔位置的影響（來源：作者自繪）

4.2 銷栓材料

在其他條件不變的情況下，通過改變銷栓的彈性模量研究不銹鋼和鋁合金材料的銷栓對(duì)孔周應(yīng)力的影響。如圖10 所示，采用鋁合金銷栓將導(dǎo)致孔周應(yīng)力增大，特別是在起吊角度為0°的時(shí)候，孔周應(yīng)力比較大，為18.77 MPa。采用不銹鋼銷栓，起吊角度為0°的時(shí)候孔周應(yīng)力為15.19 MPa，低于鋁合金銷栓，因此施工過程中可采用不銹鋼銷栓。

圖10 銷栓材料的影響（來源：作者自繪）

4.3 摩擦系數(shù)

在其他條件不變的情況下，通過改變玻璃孔與銷栓之間的表面摩擦系數(shù)（無摩擦、摩擦系數(shù)0.1 和摩擦系數(shù)0.2）來研究摩擦系數(shù)孔周應(yīng)力的影響。如圖11 所示，隨著摩擦系數(shù)增大，孔周應(yīng)力有所增大。相比摩擦系數(shù)0.2 的工況，無摩擦工況起吊角度為0°的時(shí)候?qū)?yīng)的玻璃孔周應(yīng)力降低約11%。

圖11 摩擦系數(shù)的影響（來源：作者自繪）

4.4 銷栓直徑

通過改變銷栓直徑研究其對(duì)玻璃孔周應(yīng)力的影響。如圖12 所示，銷栓直徑對(duì)孔周應(yīng)力影響程度較小，因此只需保證銷栓直徑略小于玻璃孔內(nèi)徑即可。

圖12 銷栓直徑的影響（來源：作者自繪）

5 結(jié)語

玻璃肋安裝是全玻璃幕墻的關(guān)鍵施工步驟，有必要深入研究玻璃肋的施工方案。本文探討了采用銷栓將玻璃肋臨時(shí)固定于鋼架上，然后抬升鋼架的施工方法，其關(guān)鍵在于控制施工過程的玻璃主拉應(yīng)力，特別是孔周應(yīng)力不能超過鋼化玻璃的抗拉強(qiáng)度。通過建立三維有限元模型，對(duì)吊裝過程的玻璃主拉應(yīng)力進(jìn)行分析。結(jié)果表明，在考慮了突加荷載動(dòng)力系數(shù)之后，鋼化玻璃的最大主拉應(yīng)力＜19 MPa，未超過鋼化玻璃的短期抗拉強(qiáng)度，證明該方法可行。

與此同時(shí)，基于有限元模型進(jìn)行參數(shù)分析，研究連接孔位置、銷栓材料、摩擦系數(shù)以及銷栓直徑對(duì)孔周最大主拉應(yīng)力的影響。最后研究發(fā)現(xiàn)結(jié)果為：連接孔位置越遠(yuǎn)離玻璃板邊緣，孔周應(yīng)力越小；銷栓材料彈性模量越大，孔周應(yīng)力越小；摩擦系數(shù)越大，孔周應(yīng)力越大；銷栓直徑對(duì)孔周應(yīng)力影響較小。