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关于驳接玻璃肋支承点支式玻离幕墙的思考

来源:《建筑幕墙创新与发展》  作者:王德勤  日期:2017-4-13
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  提要:驳接玻璃肋支承点支式玻离幕墙在近年来应用广泛。在有成功案例的同时,也出现了不少让我们无法回避的问题和缺憾。在本文的内容中,通过对具体案例的分析,对玻璃肋在连接节点设计和构造设计时需要考虑的问题作了深入地解析。特别强调了玻璃肋支承的点支承玻璃幕是一种对玻璃加工和安装精度要求极高的玻璃幕墙。在幕墙的类型中是很高档次的幕墙产品
  关键词:驳接玻璃肋支承点支式玻离幕墙,驳接玻璃肋,连接节点,点支式玻离幕墙。

本文摘自:《建筑幕墙创新与发展》未经许可不得转载

  一、前言

  驳接玻璃肋点支承玻离幕墙是点支承玻离幕墙类型中的一种形式,在建筑设计中是外围护结构的一种重要的表现手法。建筑师们常用这种幕墙形式的无框、简洁而通透、跨度大,视野开阔的特性展示建筑作品的魅力。以晶莹剔透的墙面使室内外相互呼应,空间融合贯通,让室内的静物和室外的大自然融为一体。由于驳接玻璃肋点支承玻离幕墙具有的这些突出优点,在新建建筑中得到了广泛的应用,倍受建筑师的青睐。

  这类幕墙在建筑设计中经常出现在酒店、写字楼、大型场馆和高层建筑的大堂、共享空间及裙楼等位置。大多是整栋建筑的脸面。其结构形式从单肋、双肋驳接,发展到多片玻璃肋驳接,从单一的竖向垂直玻璃肋发展到斜向肋、水平肋和异形驳接玻璃肋。驳接玻璃肋的使用受力跨度,从最初的几米发展到二十多米,甚至接近三十米。驳接玻璃肋点支承玻离幕墙确实为现代建筑的外立面添了彩,丰富了建筑外立面的表现手法。(如图1—4)

图1双片驳接玻璃肋

图2 采用条形连接板的驳接玻璃肋

  在玻璃幕墙的分类中,玻璃肋支承点支式玻离幕墙是点支式玻璃幕墙中的一大类。有整体玻璃肋支承的支承点支式玻离幕墙;有由多片玻璃通过连接板将其驳接成整体肋板支承的支承点支式玻离幕墙;有垂直地面安装的也有与地面成一定夹角安装的斜面玻璃幕墙;还有

  将玻璃肋水平安装的水平肋驳接点支式玻璃幕墙。连接件和驳接系统也根据不同的工程各有不同。

图3单片整体玻璃肋点支承玻璃幕墙(词条“点支承玻璃幕墙”由行业大百科提供)

图4玻璃铰接连接玻璃肋幕墙

  二、驳接玻璃肋支承的点支式玻幕墙在实际项目中出现的问题

  在玻璃肋支承点支式玻离幕墙的实际应用中也出现了不少让我们无法回避的问题和缺憾,由于这些已经显露的此类幕墙的弱点的存在,实时提醒着我们在玻璃肋支承点支式玻离幕墙的设计和施工过程中严谨认真的对待每一个节点的设计和施工安装。真正做到玻璃肋的受力清晰、胸中有数、确保安全。

  图5、图6中所示的是某些驳接玻璃肋支承点支式玻离幕墙在安装或使用中的肋玻璃大面积破损照片;图7是无框玻璃门上的水平玻璃肋与竖向玻璃肋连接不当引起的玻璃肋爆裂(词条“爆裂”由行业大百科提供);图8至图10中所示的是驳接玻璃肋支承点支式玻离幕墙在玻璃肋连接节点和肋与面板连接节点设计不当而引起的玻璃爆裂情况。

图5条形连接板玻璃肋破损

图6点状连接板玻璃肋破损

图7与水平玻璃肋接口处破损

  在图5至图10中可以看出,玻璃肋支承点支式玻离幕墙的实际应用中由于设计或施工安装不当,使得肋玻璃出现严重的破损现象,给工程留下严重的安全隐患。这样的玻璃爆裂情况不但出现在玻璃幕墙的安装过程中,在加工和使用过程中也都会出现玻璃肋板和面板玻璃自爆的现象。更严重的是有个别项目在恶劣天气来袭时其无法抵抗外力的冲击,出现整体坍塌事件。

图8在驳接件处破损

图9玻璃肋连接处破损

图10设计不当而引起的爆裂

  在海南海口市的某商场,大堂的全玻璃幕墙是采用了拼接玻璃肋支撑的点支式玻璃幕墙(图11),在超强台风下整体塌落,只在边部还有一片面玻璃和半截肋。(词条“门”由行业大百科提供)玻璃也有损毁(图12)。该幕墙的面板玻璃和肋板玻璃都整体损毁,影响较大。

图11 海口某商场全玻幕墙整体塌落

图12 海口某商场全玻幕墙未塌落前全景

  在超强台风“威马逊”的袭击下,菲律宾马尼拉的某大厦大堂玻璃盒子的全玻璃幕墙也出现了整体坍塌。其幕墙形式也是采用了拼接玻璃肋点支式玻璃幕墙,在此次超强台风下整体塌落,无框玻璃门也完全损毁(图13)。

  这些出问题的项目告诉我们,在幕墙设计时一定要充分分析自然环境和在极限状态时对幕墙的影响,确保幕墙在使用过程中的安全性。在《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102中4.4.3条文说明条中就提到“采用玻璃肋支承的点支承玻璃幕墙,其肋玻璃属支承结构,打孔处应力集中明显,强度要求较高;另一方面,如果玻璃肋破碎,则整片幕墙会塌落。所以,应采用钢化夹层玻璃”。在正文的4.4.3条规定了“采用玻璃肋支承的点支承玻璃幕墙,其玻璃肋应采用钢化夹层玻璃”。

图13 菲律宾马尼拉某大厦全玻幕墙整体塌落

  在《玻璃幕墙工程技术规范》中对全玻璃幕墙的玻璃肋截面高度hr和在风荷载标准值挠度dr都有严格的计算公式,并规定了“风荷载标准值下,玻璃肋的挠度df宜取其计算跨度的1/200”。同时还强调“高度大于8m的玻璃肋宜考虑平面外的稳定验算;高度大于12m的玻璃肋,应进行平面外稳定验算,必要时应采取防止侧向失稳的构造措施。”在条文说明中作了充分的说明,

  三、在构造设计和节点设计时应该注意的问题

  根据实际工程的情况看,采用拼接的玻璃肋支承点支式玻璃幕墙只考虑了采用钢化夹胶玻璃还不够,还应该考虑到在夹胶玻璃同时破损的情况下玻璃肋的整体性,还应该保持一定的体型和稳定性。这是在台风多发地区和易出现极限荷载状态的地区需要关注的安全性问题。同时,在节点设计上要特别关注整体玻璃幕墙在工作状态时变位能力和在极限状态时的适应能力。

a加工后的肋玻璃孔和边精度都不够 b肋玻璃孔边已经出现开胶现象

  3.1、在节点设计时需要考虑的问题

  为适应大跨度建筑造型,玻璃肋需要通过拼接才能成为整体,其所受的弯矩与肋的跨度平方成正比,跨度越大,拼接处的弯矩及剪力也越大。在玻璃肋的拼接节点设计时应注意,由于玻璃的特性,不宜采用连接螺栓与玻璃孔壁之间的作用(包括在玻璃孔内加套垫或注胶(词条“注胶”由行业大百科提供))来提高连接板与玻璃立面的连接强度。(见图3,1a、b)

  拼接玻璃肋板可通过螺栓将钢板与玻璃之间的界面材料压紧提高其摩擦力,以此来有效的将连接节点固定。所以,最好采用胶粘接的方法,即通过在玻璃与钢板间用粘接剂来传递弯矩及剪力,形成等强连接(可采用树脂类的粘接剂)。这种方法有效避免了栓接方式孔边应力集中所带来的连接节点承载力(词条“承载力”由行业大百科提供)低下问题。还有一种有效的方法就是,采用在钢板与玻璃之间的位置用硅胶板或橡胶板为界面材料,通过螺栓将钢板、硅胶板或橡胶(词条“橡胶”由行业大百科提供)板与玻璃压紧来提高其摩擦力,以此来有效的将连接节点采用摩擦力的作用将钢板与玻璃固定。

  在设计中应该注意的是,如采用粘接的方案要考虑到。不锈钢与玻璃的线胀系数不同,除考虑传递内力外,粘接面还应考虑两种材质之间的相对温度位移。有计算证明,不锈钢与玻璃在40℃温差作用下,粘接边缘的应力已达到80.8861Mpa,大于钢化玻璃边缘强度限值。在此部位极易出现由于温差的变化引起的玻璃爆裂现象。不同材料在组合时要考虑温差应力,此应力与材料的线膨胀系数差值及温变幅度有关。玻璃线膨胀系数为1.0x10-5/℃,不锈钢板的线膨胀系数为1.8x10-5/℃,钢板的线膨胀系数为1.2x10-5/℃。因此,采用钢板与玻璃肋粘接可有效降低减小由温差应力带来不利影响。

  在粘结剂的选择方面,除了要满足抗剪强度(词条“抗剪强度”由行业大百科提供)外,还必须具有一定的变位能力,以化解或降低玻璃表面温度应力的影响。要注意,粘接强度越高,变位能力越弱,两者需综合考虑。

图15拼接玻璃肋中部连接节点三维图

图16拼接玻璃肋中部连接节点三维图

  要提醒注意的是在玻璃肋与面板玻璃连接节点设计时,在充分分析其受力状态、节点适应变形的能力的基础上,还要对爪件与玻璃肋的连接形式进行分析,要在有效连接的前提下考虑爪件对肋板玻璃的影响。不得采用将爪件未经螺栓压合,而直接粘节在玻璃肋板上已有项目证明,这种连接方式很容易出现在面玻璃受到风荷载作用时,在粘接点的边缘,由于应力过于集中而将钢化玻璃压应力层玻璃撕裂的现象(图17)。

图17玻璃肋与面板玻璃连接节点

图18玻璃吊夹吊挂玻璃的连接方

  在玻璃肋顶部节点设计时最好采用不打孔的连接方式,减少由于孔边应力引起的玻璃破损现象。应该尽可能的采用玻璃吊夹吊挂玻璃的连接方式(图19)这种连接方式能在有效的传递玻璃自重力的同时,充分适应由于外界影响引起的变形位移能力,是一种较为成熟的吊挂玻璃连接方式。

  在整体设计时,要考虑到主体结构结构构件应有足够的刚度,采用钢桁架或钢梁作为受力构件时,按照规范的规定取其跨度的1/250以下。因为顶部支承结构的刚度直接影响着底部节点的变形量。

  在玻璃肋的下部节点设计时最好采用入U型槽的连接方式(图19),这也是能够很好的适应玻璃肋板在长度方向变形能力的成熟节点。在玻璃入U型槽的深度和在槽内预留变形量的设计时,应该考虑到玻璃在温度变化影响下会热胀冷缩(词条“热胀冷缩”由行业大百科提供),玻璃的线胀系数为1×10-5,一块边长1500mm的玻璃,当温度升高80℃时会伸长1 .2mm。如果在安装玻璃时,玻璃与镶嵌槽底紧密接触,一旦伸长就会产生挤压应力,这种应力很大,σt=αEΔT 。当ΔT=80℃时,σt=1×10-5×0.72×105×80=57.6N/mm2,大于浮法玻璃强度标准值,因此在设计玻璃幕墙节点时,应使玻璃边缘与镶嵌槽底板间留有配合间隙,防止玻璃产生挤压应力。

图19玻璃吊夹吊挂玻璃的连接方式

图20玻璃肋端部连接方式

  拼接玻璃肋支承的点支承玻璃幕墙虽然在项目上使用已经很广,但由其特点和材料所致其安全度还有待深入研究。所以建议,在台风多发地区应谨慎选用拼接玻璃肋支承的点支承玻璃幕墙。如一定要采用玻璃肋支承的点支式玻璃幕墙,就应严格按照规范中要求方法进行计算;在夹胶玻璃的选型时,应考虑使用SGP胶片或三层玻璃夹胶。经破坏性实验证明其破损后的稳定性和安全性后方可使用。

  3.2、在构造设计时应考虑的问题

  由于玻璃材料的特性要求,在玻璃肋的设计时,尽可能的减少在肋板上钻孔,也尽量不要在玻璃肋上设计凹缺口。尽可能的减少由于孔边应力引起的肋板爆裂现象。玻璃钻孔的尺寸和位置应按《门窗幕墙用钢化玻璃》JGJ455标准中要求的进行设计。

  在玻璃经过切割后,其周边会隐藏着许多微小的裂口。这些裂口在各种效应与热应力影响下,会扩展成裂纹,如果裂纹进一步发展会导致玻璃破裂。所以为了减少和消除玻璃因钻孔或切割加工后留下的小裂纹而导致玻璃破裂。应该要求在玻璃加工(词条“玻璃加工”由行业大百科提供)成型后,用磨边机进行处理,对玻璃板块的四周边,和钻孔的孔边进行精磨边和抛光的加工处理。消除玻璃周边隐藏的微小的裂痕。

  对于钢化玻璃来说,由于钢化玻璃表面有约占其总厚度1/6的受压应力区,其余的为拉应力(词条“拉应力”由行业大百科提供)区,钢化玻璃的内外拉、压应力总体平衡,使其机械性能得到明显提升,但一旦玻璃表面裂纹扩展到受拉区,钢化玻璃将立即破裂。

  另一方面,应该考虑到玻璃破碎后玻璃肋的稳定性和安全性。在对较高的玻璃肋板设计时,除了要认真设计每一个连接节点,还要充分考虑到玻璃肋板的整体稳定性。当玻璃肋达到一定的高度时,就需要考虑其侧向稳定性。按照《玻璃幕墙工程技术规范》对大玻璃肋的规定:“高度大于8m的玻璃肋宜考虑平面外的稳定验算;高度大于12m的玻璃肋,应进行平面外稳定验算,必要时应采取防止侧向失稳的构造措施。”在条文说明充分作了说明,由于吧玻璃肋在平面外的刚度较小有发生屈曲的可能。当正风压作用使玻璃肋产生弯曲时,玻璃肋的受压部位有面板作为平面外的支撑;当反向风压作用时,受压部位在玻璃肋的自由边,就可能产生平面外屈曲。所以,跨度大的玻璃肋在设计时应考虑其侧向稳定性要求,必要时要进行稳定性验算,并采取有效的横向支撑等措施。

  四、结束语

  近来超高的驳接玻璃肋支承的点支承玻璃幕墙出的问题比较多,问题主要集中在玻璃肋连接节点上,因为在这一部位的受力较为复杂,再加上玻璃材料自身的特性所以容易出现问题。在实际工程中也出现了不少由于节点处理不当,加工精度不够、安装精度不高而造成肋板玻璃和面板玻璃破损的情况。

  对于跨度大的玻璃肋在设计时应考虑其侧向稳定性要求,必要时要进行稳定性验算,并采取横向支撑或拉结等措施。目前国内对于玻璃肋的稳定性的设计及计算的理论较少,在设计计算时可以参考经典板壳理论和国外的相关规范。对于玻璃肋结构分析,即使玻璃肋正截面承载力不是由临界屈曲荷载控制,但是分析玻璃肋临界荷载仍然有一定的意义。对于采用玻璃孔边受力的节点设计时一定要进行受力分析、模拟计算和实体实验后才能确定方案。在玻璃肋板的孔位设计时,应该充分考虑到玻璃钻孔的加工精度对玻璃肋支承的点支承玻璃幕墙整体性能的影响。

  在这里还想正中强调,玻璃肋支承的点支承玻璃幕是一种对玻璃加工和安装精度要求极高的玻璃幕墙产品。玻璃上的钻孔磨边等深加工技术是要由高精的设备来保证的。这种幕墙的单位平米造价很高,是一种高档次的幕墙产品。要有充分的心理准备才能制造出好的产品。

  参考文献

  [1] 《玻璃幕墙工程技术规范》,中华人民共和国行业标准, JGJ102-2003

  [2]蒋金博、郭迪、张冠琦,强台风影响下幕墙安全分析,《幕墙设计》,2014第五期,总第35期

  [3] 王德勤,玻璃肋支承点支式玻璃幕墙在设计中应该考虑的问题,《幕墙设计》,2016.01

  [4] 王德勤,点支式玻璃幕墙的设计与施工问题解答,《建筑幕墙设计与施工》, 2006.09

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专家介绍

 王德勤

铝门窗幕墙委员会专家组

工作单位:北京德宏工程技术科研中心

技术职称:教授级高工

专业:门窗幕墙标准编制、建筑玻璃与金属结构设计与研究

专长:大型金属屋面、双曲面索结构点支承玻璃幕墙的产品开发、节点设计、施工技术研究与应用。在国内是最早进行点支式玻璃幕墙研发、推广人之一。

原文地址:http://www.52mqw.com/info/2017-4-13/42869-1.htm
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