点支式玻璃幕墙面板受力性能分析

李龙起

(许昌学院 土木工程学院,河南 许昌 461000)

点支式玻璃幕墙是由玻璃面板、点支撑装置和支撑结构构成的玻璃幕墙.玻璃幕墙具有效果通透、结构美观、支撑结构多样的特点，能使室内空间和室外自然环境达到自然的和谐统一，能够实现精美的金属构件与玻璃装饰艺术的完美结合，可满足不同建筑结构和装饰效果的需要，具有极强的艺术感染力.因此，点支式玻璃幕墙外围护结构已广泛应用于高层建筑及大型公共建筑[1].但是，良好通透性带来的不良影响就是由于玻璃面板连接部位和连接件偏少，容易在四点支撑处出现应力集中现象，严重的会出现玻璃面板破碎从而导致建筑安全事故的发生，因此，相关规范对玻璃幕墙外围护结构提出了较高的设计和施工要求[2,3].

张宇、霍治澎[4]从弹性力学角度并运用ANSYS有限元软件对点支式玻璃幕墙结构进行了分析，喻支凯[5]对点支式玻璃幕墙驳接件力学性能进行了相关研究并对其结构设计进行了优化，王鑫等[6]则对点支式玻璃幕墙抗风压性能进行了研究分析.国外， Bucak et al[7]对不同温度条件下的不同厚度夹层玻璃和点支式玻璃进行了弯曲性能试验，并同有限元计算结果进行了对比分析。

本研究以中原地区某建筑外围幕墙工程为例，使用SAP2000有限元程序对四点支撑式玻璃幕墙的受力和传力机理进行了风荷载和地震作用组合下的计算和受力分析.通过计算其在风荷载和水平地震组合荷载作用下的作用效应，探讨上述荷载组合作用下玻璃面板壳应力的传递规律，从而为相关幕墙的设计提供一定的经验借鉴.

图1 点支式玻璃幕墙示例

1 工程概况

图2 四点支式玻璃幕墙面板示意图

中原地区某建筑工程外围玻璃幕墙工程，建筑高度40 m，建筑所处环境的地面粗糙度为c类，基本风压为0.45 kN·m-2，抗震设防烈度为8度，经计算其风荷载标准值小于1.0 kN·m-2，根据《玻璃幕墙工程技术规范》[3]要求，此处的玻璃幕墙计算用风荷载标准值取为1.0 kN·m-2.外围装饰采用四点支式玻璃幕墙格栅，驳接头采用Φ36浮头式驳接头与玻璃连接，玻璃面板选用TP12+12A+TP12中空钢化玻璃，平面示意如图2所示,长短跨长为2 650 mm×2 050 mm.

本文考虑了玻璃幕墙面板所受的风荷载和水平地震荷载组合作用.对于中空玻璃，作用于中空玻璃上的风荷载标准值可按下列公式分配到内外两片玻璃上.

直接承受风荷载作用的单片玻璃(外面)：

(1)

不直接承受风荷载作用的单片玻璃(内面)：

(2)

wk为垂直于玻璃幕墙平面的风荷载标准值(kN·m-2)，t为玻璃的厚度(mm).

平行于玻璃幕墙平面的集中水平地震作用标准值可按下式计算：

PEk=βEαmaxGk,

(3)

式中PEk为平行于玻璃幕墙平面的集中水平地震作用标准值(kN)，αmax为水平地震影响系数最大值，Gk为玻璃幕墙构件(包括玻璃面板和铝框)的重力荷载标准值(kN).

将工程概况中所述参数代入上述公式，考虑风荷载和地震作用组合的幕墙玻璃面板所受荷载的组合设计值最终定为0.93 kN·m-2.

2 模型建立

根据上述工程概况建立了有限元分析模型，玻璃面板采用壳单元进行模拟，考虑了其剪切变形的影响.材料属性采用表1所示进行输入.通过计算得到了玻璃面板在风荷载和水平地震作用下玻璃面板最大和最小主应力值等值线图，如图3所示.

表1 点支式玻璃面板材料属性

图3 玻璃面板荷载作用下主应力

图4 玻璃幕墙面板主应力迹线/(N·mm-2)

由于玻璃是最具有代表性的脆性材料，几乎所有的玻璃都是由于拉应力产生表面裂缝而破碎.相关研究显示：玻璃从受荷载开始直到破坏为止，其应力-应变关系几乎都呈线性.因此，应按照第一强度理论—最大拉应力理论进行玻璃面板强度的计算和校核.从图3(a)可以看出四点支撑处出现压应力，玻璃面板最大拉应力值沿面板横向对称轴对称分布，最大拉应力大小从中间逐渐向两边减小，最大主拉应力出现在玻璃面板中部两侧边的边缘处，其最大主拉应力值小于规范所要求的钢化玻璃大面的强度设计值84 N·mm-2，因此该玻璃面板强度符合规范要求[3].

图4为玻璃幕墙面板主拉压应力迹线分布图.从中可以看出，点支式玻璃幕墙的四点支撑处应力分布变得很不均匀，应力迹线杂乱、曲折，支撑点处应力分布大且杂乱，说明应力集中现象的存在，而此位置也正是点支式玻璃幕墙容易破坏的地方，是点支式玻璃幕墙的薄弱环节.

3 结论与建议

点支式玻璃幕墙具有的质量轻、刚度小、阻尼小等特点使其对风荷载和地震荷载比较敏感，本研究以中原地区某建筑幕墙工程四点支撑式玻璃幕墙面板为例，对其进行了风荷载和水平地震作用组合下的受力分析.分析结果显示：

(1)该地区建筑幕墙结构玻璃面板强度符合规范规定.

(2)玻璃面板中间部位出现较大拉应力，四周支撑点处以压应力为主，尤其在四点支撑处存在较大的应力集中现象且应力分布不均匀.

(3)建议在设计和施工过程中加强对四点支撑玻璃面板节点处的结构处理，防止玻璃面板由于主拉应力过大从而产生脆性破坏.

[1] 蓝建勋.点支式幕墙玻璃破碎主要原因分析及控制技术[J].建筑技术,2011,42(3):306-309.

[2] 中国工程建设标准化协会.点支式玻璃幕墙工程技术规程(CECS127-2001)[S].2001.

[3] 中华人民共和国建设部.玻璃幕墙工程技术规范(JGJ 102-2003)[S].2003.

[4] 张 宇,霍治澎.点支式玻璃幕墙玻璃面板的受力分析[J].科学技术与工程,2012,12(2):349-352.

[5] 喻支凯.点支式玻璃幕墙驳接件力学性能研究及结构优化设计[D].山东建筑大学,2017.

[6] 王 鑫,吕列民,张今阳,等.点支式玻璃幕墙抗风压性能的研究与发展[J].建筑技术,2015,46(S2):148-152.

[7] Amer Bucak, Schuler C, Sackmann V, et al. Structural Behaviour of Point-Supported and Clamped Laminated Glass[J]. Structural Engineering International, 2004, 14(2): 129-135.