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赵西安全新解读:玻璃结构

来源:《建筑幕墙创新与发展》  作者:赵西安  日期:2017-4-19
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  提要: 本文介绍了玻璃作为结构材料在建筑工程中的应用。玻璃同时具备透光、高强、轻质、耐久等四项性能,有别于其他结构材料,受到建筑师的青睐。全玻璃结构和玻璃 - 钢材混合结构,已经得到较多的采用。             
  关键词:玻璃材料,玻璃结构,夹胶玻璃,钢化玻璃

图23 苏州科技园区设计院办公楼全高各层布置的玻璃柱

  2015年,杭州浙商财富中心的全玻璃大堂创造了全世界最高玻璃柱的记录,玻璃柱高度达到28m。玻璃柱分为3段,在现场安装、就位、连接。玻璃柱截面高度850mm,截面厚度104.1mm,采用5片19mm超白钢化玻璃用2.25mm厚的SGP高强胶片夹胶。三段玻璃柱构件用不锈钢板和不锈钢螺栓现场连接。

  柱的上下端均采用不锈钢夹板形成铰支座(图24)。

图24杭州浙商财富中心28m高玻璃墙

  2.3 超大尺寸玻璃面板

  我国已有多家玻璃公司可以生产世界最大规格的玻璃平板(18m X 4m X 25mm),并且北京玻璃公司已具有相应的钢化、热弯、夹胶等深加工能力。所以目前世界各地的超大玻璃面板均由中国供应。

  2012年,我国首先生产了12m X 2.6m 热弯、钢化、夹胶玻璃,供应上海苹果店,打破了国外长度不大于6m 的局限。12块弯曲玻璃,每块玻璃价格达到RMB 120万元。从此,更大规格的面板玻璃不断供应客户要求(图25)。

图25超大尺寸玻璃面板

  2.4 无立柱玻璃板外墙

  2015年,形状如同巨型飞碟的苹果公司总部在美国加州兴建,玻璃外墙采用14m X 3.3m的超大热弯、钢化、中空玻璃(图26),玻璃加工设备由中国供应。玻璃外墙不设玻璃柱,全部荷载由玻璃板单独承担。

图26美国加州苹果公司总部(左)和采用的14m超大弯玻璃(右)

  图27为美国华盛顿总部办公楼,外墙全部为一层楼高的热弯玻璃,由上下层楼面结构简支,玻璃尺寸为3.2m X 1.5m。室内向外望非常通透。

图27 华盛顿TBS总部办公楼采用大尺寸弯弧玻璃(左),室内非常通透(右)

  同样的设计也在巴黎的UNIC项目13层住宅中采用,全部外墙为无玻璃柱支承大尺寸玻璃板,连外挑阳台的栏板也全部采用透明玻璃(图28)。

图28 巴黎UNIC项目住宅楼独立玻璃板外墙

  2.5 玻璃框架

  全玻璃建筑要求采用透明的玻璃框架。玻璃框架的梁柱构件受力很大,要采用夹胶钢化玻璃。框架梁柱节点刚性连接时,可以采用不锈钢板和不锈钢螺栓连接,也有工程采用胶接(图29,图30)。

图29框架梁柱采用不锈钢板连接

图30 框架梁柱采用胶结

  图31为2000年建成的第一个苹果店,位于纽约曼哈顿第五大街,由于当时没有超大玻璃,玻璃面板沿高度分为3块,玻璃柱整根,高度9m,5片15mm玻璃夹胶。玻璃框架梁柱用不锈钢螺栓连接,双向布置,顶部成为交叉梁系。

图31 纽约曼哈顿苹果店的玻璃框架结构

  此后,苹果店大量采用玻璃框架结构。上海浦东苹果店2012年首次采用了12块高度达12.6m的整片超大玻璃,相应布置了12榀12.6m高的玻璃框架,汇交于顶部的玻璃环梁上。其中4榀组成正交的门式框架。 (图32)

图32 上海普通苹果店 空间玻璃框架系统

  2014年建成的北京三里屯苹果店采用L形玻璃框架,梁柱一体,由整块玻璃切割而成(图33)。

图33由大尺寸玻璃切割出来,再进行夹胶的L形梁柱整体框架

  2.6 玻璃楼梯

  在玻璃建筑中,楼梯自然也采用玻璃结构。玻璃楼梯,无论直楼梯还是螺旋楼梯,都以扶手栏板为承重主梁,楼梯踏板安装在栏板上。栏板和踏板都采用夹胶玻璃以保证安全。踏板通常3片玻璃夹胶,面层玻璃常用刻花玻璃防滑(图34、图35)。

图34 玻璃楼梯

图35 踏板固定在玻璃栏板(主梁)上

  类似于玻璃楼梯,美国洛杉矶国民银行大楼300m高空设置了玻璃滑梯,也是以玻璃栏板作为主梁,32mm厚的夹胶玻璃底板承重(图36)。

图36洛杉矶国民银行大楼300m高空的玻璃滑梯

  3 玻璃结构设计的一些问题

  玻璃虽然强度高,但毕竟是脆性材料,而且玻璃构件很薄,所以设计时必须进行认真的强度和刚度计算,玻璃柱还应考虑侧向稳定的问题。曾经发生过玻璃结构在强风作用下破坏的事例。如世界上建筑面积最大的单体工程—成都环球中心的玻璃墙,2016年8月7日,12m高的玻璃柱在强风作用下破坏,导致玻璃墙大面积塌落(图38)。

图37 成都环球中心玻璃墙在强风作用下塌落

  3.1 玻璃的材料力学性能

  1 强度设计值(词条“强度设计值”由行业大百科提供)

  玻璃是脆性材料,一直到临近破坏,应力与应变几乎是直线关系。玻璃的总设计安全系数K一般取为2.5。考虑到主要荷载风力分项系数K1为1.4,所以材料分项系数K2取为1.8。按照《玻璃幕墙工程技术规范》 JGJ 102 的规定,玻璃的强度设计值可按表2的规定采用。表2中端面指玻璃切割后所形成的表面,其宽度等于玻璃的厚度。边缘指临近端面的玻璃表面,因切割产生微裂缝,强度有所降低。

  玻璃存在许多微观裂缝,在持续应力作用下,其后期强度会降低。因此,采光顶的玻璃面板、玻璃梁、长期水压作用下的水族箱板、水池底板等永久性受力的玻璃构件,其强度设计值应按表2数值的50%采用。

  2 其他力学性能

  玻璃的弹性模量E为0.72 X 105 N/mm2,玻璃的线膨胀系数为1.0 X 10-5

  表2玻璃的强度设计值 (N/mm2)

种类

厚度(mm

大面

端面

边缘强度

平板玻璃

512

28.0

20.0

22.0

1519

24.0

17.0

19.0

≥20

20.0

14.0

16.0

钢化玻璃

512

84.0

59.0

67.0

1519

72.0

51.0

58.0

≥20

59.0

42.0

47.0

  注:1 夹层玻璃和中空玻璃的强度设计值可按所采用的玻璃类型确定;

  2 当钢化玻璃的强度标准值达不到平板玻璃强度标准值的3倍时,表中数值应根据实测结果予以调整;

  3.2 内力分析和截面计算

  玻璃可以认为是弹性(词条“弹性”由行业大百科提供)均质材料,按弹性构件进行内力分析,并采用通行的弹性内力分析软件。

  截面计算可按材料力学方法进行。

  3.3 相关钢结构设计

  与玻璃结构相关的钢结构,包括钢—玻璃混合结构的钢结构部分,按《钢结构设计规范》 GB50017进行。采用不锈钢板连接玻璃构件,连接计算也按钢结构的方法进行。

  4 结语

  对于大多数结构设计人员来说,玻璃是一种尚待熟悉的结构材料,玻璃结构设计经验还较少。近年来建筑师采用玻璃结构逐渐增多,结构设计也开始接触这一领域。新材料(词条“新材料”由行业大百科提供)、新结构,对于我们将是新的机遇。

本文摘自:《建筑幕墙创新与发展》未经许可不得转载

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专家介绍

 赵西安

铝门窗幕墙委员会专家组

工作单位:中国建筑科学研究院

技术职称:研究员

专业:建筑结构,建筑幕墙

专长:建筑结构,建筑幕墙

原文地址:http://www.52mqw.com/info/2017-4-19/42835-1.htm
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