玻璃幕墙的设计探讨

彭立校

(江苏信达置业有限公司，江苏 南京　230036)

玻璃幕墙的设计探讨

彭立校

(江苏信达置业有限公司，江苏 南京230036)

摘要:文章根据幕墙玻璃的受力特点，着重从结构安全的角度论述了玻璃幕墙在设计阶段所需重点考虑的几种问题。

关键词:抗震；扰度；预应力模型；耐久性

玻璃幕墙建筑从它诞生之日起,就以其独特的建筑功能和艺术魅力倍受人们,特别是建筑师和结构工程师的青睐,在百年左右的时间内几乎风靡于全世界,而且至今仍处于方兴未艾的上升势头。但可能因为它不是主体承重结构,似乎一直受到建筑设计部门的冷落,以为不存在什么值得研究的结构力学课题。其实这是一种误解,下面结合现行《规范》中暴露出来的若干问题,从结构设计的角度,对玻璃幕墙今后的研究方向提出几点看法。

1抗震设计问题

玻璃幕墙的抗震性能是比较脆弱的,原因是它不完全决定于自身的抗震能力,还要受到主体结构、连接件、支承框架等设计质量的影响。如果据此而消极地限制玻璃幕墙只能适用于“非抗震设计”工程,显然是不现实的。事实上,有些玻璃幕墙建筑比较集中大城市。恰位于环太平洋地震带上,关键问题是对玻璃幕墙的抗震设计要有个科学合理的理论依据。不难理解,目前广泛应用的“振型分解反应谱法”不适于幕墙的抗震设计,因为地震时的地面运动并不直接传递到幕墙上,而是通过主体结构的地震响应,间接激励幕墙发生振动。在这种情况下,“时程分析法”可能是一个值得推荐的动力分析方法,因为它对确定性和非确定性激励、线性和非线性分析都适用。如果按确定性激励考虑,则需提供主体结构。地震响应的位移时程曲线,这可通过模拟振动试验来获取。如果按非确定性激励考虑迮可以将主体结构的地震响应处理成随机过程,对幕墙进行振动分析,从整体概率意义上对它进行抗震设计。无论按哪一种激励方式考虑,都要经历一个研究过程,也都可以得到一个可靠的幕墙抗震设计方法。

2大小挠度问题

由于幕墙玻璃的三向几何尺寸与横向荷载集度可在较大范围内变动,玻璃中心附近出平面的侧向位移,有可能小于或大于玻板的厚度;也就是说,幕墙玻璃的力学分析,既可能属于小挠度问题,也可能属于大挠度问题。从结构力学的角度看,不论是小挠度还是大挠度还是打挠度问题,目前都有切实可行的分析方法,不存在任何麻烦,但两种问题分析方法的繁简则有很大差别。如果本来属于大挠度问题而用小挠度分析方法去进行求解,就会对位移和应力作出过高估计,结果偏于保守。如果本来属于小挠度问题而用大挠度分析方法去求解,在计算时间和劳动上就是一种浪费,就是工作上的盲目性。因此,如果在进行力学分析之前(而不是“之后”),有一个可靠而而便捷的判别公式,先期识别幕墙玻璃在地区风压作用下应属于大还是小挠度问题,在针对性的进行求解,无疑是比较科学合理的。截至目前为止,在国内外正式颁布的规范或标准中,似无这方面的知识信息,应该补上这个空白。

3合理设计程序问题

幕墙玻璃的抗风压设计,简言之,是在根据建筑功能要求和当地气象条件,给定玻璃的平面尺寸和风压值之后,选择安全合理的玻璃厚度。处理这个常规设计问题,目前存在着两种工作方法。一种是应用以大量实验为基础的经验公式,按已知风压和平面尺寸推算所需的玻璃厚度。这是一种比较简便的直接方法,日、美、加、澳等国,都是采用的这种途径。另一种是先设定一个玻璃后盾。这是通常习用的间接方法,我国现行《规范》和《幕墙工程手册》建议的就是这个途径。第1种途径虽然应用直接而简便,但由于彼此适用条件和方法、样本规格和品质、材料基本强度等等各不相同,各国的经验公式不尽一致,不宜相互借用,而且都有明显的局限性。尤其当玻璃的长宽比、厚度、边界条件等超出公式的适用范围时,还是需要采用结构力学方法进行计算。第2种途径虽然比较间接,但无上述的局限性。也有较强的通用性。缺点是初始厚度的选取全凭主观实践经验,不容易做到经济合理。因此,关于幕墙玻璃抗风压设计,似宜从这样3个方面进行考虑:① 先要有个选取初始厚度的简便方法,它应主要基于理论分析,而不是单凭离散实验数据的拟合;② 初始厚度选定之后,还要有个鉴定大小挠度问题的判别准则和判别指标,辨明问题的性质系属于线性还是几何非线性;③ 根据鉴定结果,再选用相应的结构力学方法进行分心,检验初始厚度的合理性。这样做,或许能够得到一个高效率的实用工作方法。

4预应力模型问题

钢化玻璃常用于防暴或安全要求较高的场合,它是以浮法玻璃等位原片,经过物理方法加工而成的,其工艺流程主要包括“均匀加热”和“急剧冷却”2个过程,即先将原片在加热炉中均匀加热至软化温度(约630～700℃),使之呈塑性状态;然后快速移至钢化风栅中,通过均匀密布的喷孔将压缩空气对称地喷吹玻璃的两侧表面,使之急剧冷却。在冷却过程中,由于玻璃的中心内层同外侧表层之间存在很大的温度梯度,表层产生压应力,内层产生拉应力。因此,在工作荷载作用之前,钢化玻璃种已有预应力存在,国内外有关文献曾描绘它的定性分布示意。由于这个预应力的存在,使钢化玻璃有较强的机械力学性能和良好的热稳定性。在幕墙设计中应如何反映钢化玻璃的这个优良性能,国内外有关规范都只是简单地加大它强度设计值的取值,如我国和日本均取为浮法玻璃强度设计的3倍,美国取为4倍,澳大利亚取为2.5倍等。这样的处理无疑是远远不够的,它没有充分利用钢化玻璃的内在品质。比较科学的思路应该是:先跟试验实测数据量化它的预应力分布规律,使之成为可以进行定量分析的“预应力模型”;再通过理论分析,提出计入预应力影响的、钢化玻璃的线性和非线性计算方法。

5玻璃的耐久性问题

实践证明,在垂直板面的分布荷载作用下,玻璃的弯曲强度σ(Mpa)与荷载持续时间T(s)有关。根据实验数据的统计分析,其数学形式可表为:

σnT=const

(1)

这意味着,玻璃的弯曲强度与荷载持续时间的n次根成反比,或者说,荷载持续时间愈长,玻璃的弯曲强度愈低。如果单从形式上看,当T→∞时,σ→0,这显然是不现实的,因此。它应有个适用范围。大多数研究者认为。当σ短期荷载强度的25%-40%时,这个公式才是有这一关系反应的规律当然很重要,因为玻璃承受的有短期荷载(如风荷载),也有较长期荷载(如雪荷载),但作用都很频繁,这就会影响玻璃的使用寿命。

显然,式中的指数n是个关键参数,因为它直接决定玻璃的弯曲强度随荷载持续时间延长而递减的速度。若令T1和T2 2个不同持续时间的弯曲强度分别为σ1和σ2,则由式(1)可得:

(2)

关于n的取值,因不同研究者的工作条件(包括试验方法.样本尺寸.玻璃的化学成分和热处理方式等)而异,国外的实验资料大体在12≤n≤20范围内波动。例如,若取n=20,并令T1=1s时的σ1作为一个单位,则当T2=10s,1min,1h,1d时,对应的σ2按式(2)不难算得依次为σ2=0.891,0.815,0.664,0.566,这与文献[8]的实验结果基本上是一致的。

对于国产玻璃,也应通过实验确定自己的n值。这是很容易办到的,因为由式(1)直接推出:

(3)

由此可见,只需通过实验测得两个不同荷载持续时间T1和T2的弯曲强度σ1和σ2,就可由此极易推出n值。有个这个n值,就可以按式(2)对玻璃的安全性做出诊断和预测,这无疑是有现实意义的。

6结束语

值得探讨的问题远不止这些,如夹层玻璃.中空玻璃.全玻璃幕墙的应用均极普遍,但国内外有关规范或标准对此均略而不详。总之,玻璃幕墙设计中的技术问题,并不像人们原来估计的那么简单,而是大有文章可做,本文难免有挂一漏万之嫌,权当一块引玉之砖而已。

[参考文献]

[1]吕子华，吕令毅 . 矩阵结构力学[M].北京：中国建筑工业出版社，1997.

[2]赵西安. 幕墙工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社,1996.

[3]王永恒.建筑玻璃应用手册[M].武汉：武汉工业大学出版社，1993.

[4]JGH 102-96.玻璃幕墙工程技术规范[S].

(责任编辑陈化钢)

The design of glass curtain wall

PENG Li-xiao

(Jiangsu Cinda Real Estate Co., LTD., Nanjing, Jiangsu Province, 230036,China)

Abstract:Based on the mechanical characteristics of glass curtain wall, mainly from the perspective of the structural safety,this paper discusses several key consideration required for glass curtain wall in the design stage.

Key words:earthquake; immunity; prestressed model; durability

收稿日期：2016-02-20；修回日期：2016-03-10

作者简介：彭立校(1981- )，男，安徽蒙城人，一级建造师、安全工程师，从事幕墙工程的技术及项目管理工作。

DOI：10.3969/j.issn.1671-6221.2016.02.005

中图分类号：TU352

文献标识码：A

文章编号：1671-6221(2016)02-0017-03