幕墙中空夹层玻璃受力问题的数值分析

2022-12-06刘和国

工程质量 2022年11期

刘和国

（南京市建筑工程质量安全监督站，江苏南京 210007）

0 引言

随着我国城市化建设的不断深入，越来越多的高层建筑如雨后春笋般在各大城市不断涌现，玻璃幕墙凭借其外表美观、结构牢固、节能环保的优势得到越来越多高层建筑设计师的青睐。就南京市区而言，绝大部分超高层建筑均采用玻璃幕墙的外观设计。而玻璃幕墙的受力变形问题一直都是学者研究的热点，特别是在受冲击载荷作用下的动态响应问题。

根据 JGJ 113－2015《建筑玻璃应用技术规程》中第 7.2.5 条的规定，当栏板玻璃最低点距离一侧楼的地面高度大于 5 m 时，不能使用直接承受水平荷载的栏杆玻璃。同时 JGJ 102－2003《玻璃幕墙工程技术规范》也规定当与玻璃幕墙相邻的楼面外缘无实体墙时，应设置防撞设施。对高层建筑幕墙而言，一般三层及以上建筑高度均大于 5 m，因此必须在玻璃幕墙内侧设置防撞护栏。而在实际的工程实践中，特别是在一些高层酒店的设计中，防撞护栏的设置均在一定程度上影响到室内空间的使用与室内的装饰效果。因此本文结合某实际工程，建立相关有限元模型分析其在受冲击载荷作用下的响应问题，对高层建筑幕墙室内不设防撞护栏问题进行了讨论。

1 模型分析

该工程为南京某新建高层办公大楼，大楼设计外装饰为框架式玻璃幕墙系统，幕墙玻璃选用为 6+12A（空气）+6 中空钢化玻璃。

1.1 模型建立

根据该工程实际情况，建立了一块 6+12A+6 中空玻璃板模型，模型宽度为 1.45 m，高度为 3.33 m，相关玻璃力学参数如表 1 所示。

表1 玻璃的力学参数

幕墙玻璃属于典型的脆性材料，主要的破坏形式为受拉破坏，受剪切作用较小，其本身具有典型的线弹性材料特征，因此在模型建立过程中将其视作理想的线弹性材料。模型边界条件按内外侧玻璃片四周固支考虑。中空夹层玻璃中的空气层在实际的受力作用中起到传递垂直玻璃表面荷载的作用，根据马赢等［1-5］的研究成果，可将其视作两节点的弹簧单元处理。本文在玻璃的内片与外片之间均布了 133 个弹簧单元模拟空气层的压缩行为，弹簧单元的弹性模量如式（1）所示。

式中：k为每个弹簧单元的刚度，N/mm；Pi为中空玻璃内片上分配到的外荷载，N；P0为标准大气压，Pa；A为玻璃表面积，m2；d0为空气层的初始厚度，mm；n为弹簧单元的个数。本文讨论的是在内片玻璃施加冲击荷载作用下的响应问题，以受风载为准计算得到每个弹簧单元的刚度为 313 N/mm。本文建立的添加弹簧单元前后的有限元模型如图 1 所示。

图1 添加弹簧单元前后的有限元模型

1.2 冲击载荷响应

本文模拟一个身高 1.8 m，体重 100 kg 的男子以 3 m/s 的速度撞击玻璃幕墙，在 0.2 s 内完成撞击。由动量守恒定律Ft=mΔv，F×0.2s=100 kg×3 m/s，冲击力F取 1.5 kN。根据 DGJ 08－56－2012《上海市建筑幕墙工程技术规范》中的相关规定，取最大冲击系数 1.5，荷载分项系数 1.4，最后叠加的冲击荷载为 1.5×1.4×1.5=3.15 kN。在计算中，取 1.3 m 高处0.18 m×0.18 m 的区域模拟人肩膀冲击玻璃的区域，该区域内模拟 3.15 kN/（0.18 m×0.18 m）=97.22 kPa 在 0.2 s 内的冲击过程，相关的加载曲线与加载图分别如图 2、图 3 所示。

图2 0.2 s 内的加载曲线

图3 模型的加载图

最终计算出的内外片玻璃的最大应力云图、最大位移云图如图 4、图 5 所示。

图4 内外片玻璃的最大应力云图

图5 冲击荷载作用下内外片玻璃位移云图

由图 4、图 5 可以看出由于冲击荷载施加在靠近内片玻璃的下侧，内外片玻璃最大应力均出现在玻璃片的底部位置，且内片玻璃的应力大于外片玻璃。而内外片玻璃最大挠度的出现的位置均近似在冲击荷载加载所在平面的中部，且内片玻璃的挠度大于外片玻璃的挠度。且加载过程中出现的最大应力 0.527 3 MPa≤84 MPa，最大挠度 0.709 5 mm≤20 mm，均符合设计要求。

分别提取内片玻璃受力最大单元与变形最大单元进行动态分析，得到其应力随加载时间变化图、位移随时间变化如图 6、图 7 所示。

图6 内片玻璃最不利单元应力变化图

图7 内片玻璃最不利节点位移变化图

由图 6、图 7 可见内片玻璃最不利单元的应力随时间变化曲线、最不利节点位移随时间变化曲线均与加载曲线类似，且应力变化有明显的波动。

2 防撞护栏设置讨论

上海市规定高层幕墙可不设防护栏杆的情况如下。DGJ 08－56－2012《上海市建筑幕墙工程技术规范》规定满足下列条件之一的可不设防撞护栏。

1）在护栏高度处设有幕墙橫梁，该部位的横梁及立柱已经抗冲击计算，滿足可能发生的撞击。冲击力标准值为 1.2 kN，应计入冲击系数 1.50、荷载分项系数 1.40。可不与风荷载及地震作用力相组合。

2）中空玻璃的内片采用钢化玻璃，单块玻璃面积≤ 3.0 m2，钢化玻璃厚度≥8 mm。

3）中空玻璃的内片采用夹层玻璃，单块玻璃面积≤4.0 m2，夹层玻璃厚度≥ 12.76 mm。

4）单块玻璃面积大于 4.0 m2，中空玻璃的内片采用夹层玻璃，夹层玻璃厚度经计算确定，且应≥ 12.76 mm，冲击力标准值为 1.5 kN，荷载作用于玻璃板块中央，应计入冲击系数 1.50、荷载分项系数 1.40，且应与风荷载、地震作用力相组合，符合承载能力极限状态的规定。

通过数值计算我们可以得出 6+12A+6 的中空夹层玻璃能够承受正常成人冲击载荷的作用，具有足够的强度与稳定性。由于数值计算是建立在理想情况下的理论计算，需要辅助试验进行对比，可在幕墙玻璃最不利位置取同等试样进行耐撞击试验，在试验结果满足设计要求的情况下，我们可以建议该幕墙工程根据用户需求可不设防撞护栏。