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玻璃幕墙室内侧耐撞击性能设计及计算

来源:2018《建筑门窗幕墙创新与发展》  作者:闭思廉 刘晓烽 林伟艺  日期:2018-5-16
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  提要:玻璃幕墙内侧是否设置护栏,尤其是幕墙室内侧耐撞击性能指标取值、幕墙内侧水平撞击荷载取值等问题一直以来都存在争议和不同意见。本文以安全为前提,以规范为依据,通过相关计算分析和实际工程进行举例说明作者的观点,希望能给读者提供参考。
  关键词:玻璃幕墙室内护栏、幕墙耐撞击性能、水平撞击荷载、荷载组合

  出于外观效果需求,玻璃幕墙所在部位的建筑构造不设置台已然非常普遍。其带来的高通透效果和优异的采光(词条“采光”由行业大百科提供)能力显而易见,而备受建筑师和用户青睐。然而在面对可能发生的室内侧撞击问题时,这种做法也屡受争议。很多地区要求必需在室内侧设置护栏,但这又与最初的建筑设计意图相违背。那么这种无窗台的玻璃幕墙是否必须在室内侧设置护栏呢?

  其实从安全需求的角度来看,在足够大的撞击力作用下,对玻璃幕墙幕墙室内侧的撞击无非造成两个结果,一个是玻璃被撞碎,另一个是玻璃完好。当玻璃能被撞碎时,设置护栏或防护措施就是必需的手段,反之,当玻璃不被撞坏时,护栏或防护措施就不是必需的防护手段。事实上这一原则也在一些规范中予以体现,比如上海市幕墙标准中就明确规定了在某些情况下,无窗台的玻璃幕墙可以不设置护栏。所以在判断无窗台玻璃幕墙的室内侧是否设置护栏时,应进行计算校核和试验验证来作为决策的依据

  一、相关标准规范对幕墙室内侧耐撞击性能指标的规定或要求:

  在现有的标准和规范中,对幕墙室内侧撞击性能指标的要求是比较高的。比如在国家标准《建筑幕墙》GB/T 21086-2007中,第5.7.1.1条规定:建筑幕墙的耐撞击性能应满足设计要求,人员流动密度大或青少年、幼儿活动的公共建筑的建筑幕墙,不应低于表22中2级(即900N·m);而上海市地方标准《建筑幕墙工程技术规范》DGJ08-56-2012的4 .2 .7条也规定:建筑幕墙的耐撞击性能应满足设计要求,耐撞击性能指标应不小于700N·m。而参考即将颁布的《建筑防护栏杆技术规程》的4.5.5 条:护栏抗软重物撞击性能检测时,撞击能量E为300N·m。

  之所以对幕墙的室内侧撞击性能给予较高的指标,主要也是考虑玻璃的易碎特性,所以给予其更高的安全裕度。

  

  当然,以上的计算假定了撞击作用时间为常数,但事实上撞击作用时间还受到很多其他因素的影响,甚至撞击部位是否存在横梁(词条“横梁”由行业大百科提供)都会显著改变这一数值,所以实际情况与计算结果之间是存在出入的,这可能是为什么在GB/T21086中只给出试验方法而未提供计算方法的一个原因。不过,在上海市标准《建筑幕墙工程技术规范》DGJ08-56-2012中对各种情况的撞击水平荷载取值却有明确的规定:

  1、 该规范第4 .3 .5 条第1款:

  楼层外缘无实体墙的玻璃部位应设置防撞设施和醒目的警示标志。不设护栏时,需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(词条“标准值”由行业大百科提供)为 1.2 k N,应计入冲击系数 1.5、荷载分项系数1.4。可不与风荷载地震作用力相组合。

  此处:冲击力标准值为 1 .2 kN,乘上冲击系数和荷载分项系数后设计值为2.52 kN;

  2、 该规范第4 .3 .5条第4款:

  护栏高度处无橫梁时,单块玻璃面积大4 .0 m2, 中空玻璃的内片采用夹层玻璃(词条“夹层玻璃”由行业大百科提供), 夹层玻璃厚度经计算确定, 且应不小于1 2 . 7 6 mm, 冲击力标准值为1 .5 k N, 荷载作用于玻璃板块中央, 应计入冲击系数1 . 5 0 、 荷载分项系数1 .4 0 , 且应与风荷载、 地震作用组合。

  此处:冲击力标准值为1.5 k N,乘上冲击系数和荷载分项系数后设计值为3.15KN。

  通过比较,我们可以直观地感受到,不同的幕墙构造条件下,抗冲击计算的荷载取值差异较大;进一步分析该规范的相关内容,可以发现在护栏高度位置有没有横梁对幕墙的抗撞击性能的要求也是存在差异的。

  接下来,我们抛开玻璃幕墙的撞击荷载取值,来看一下相关规范对防护栏杆的撞击荷载取值情况:

  1、 即将颁布的《建筑防护栏杆技术规程》4.3.3应对栏杆受水平集中力作用进行验算,水平集中力宜取1.5kN,水平集中力作用于栏杆中的不利位置,与均布荷载不同时作用。

  2、 《中小学建筑设计规范GB50099-2011的8.1.6强制性条文:“上人屋面、外廊、楼梯、平台、阳台等临空部位必须设防护栏杆,防护栏杆必须牢固,安全,高度不应低于1.10m。防护栏杆最薄弱处承受的最小水平推力应不小于1.5kN/m。”

  3、 《建筑结构荷载规范GB 50009-2012的第5.5.2强制性条文如下:“楼梯、看台、阳台和上人屋面等的栏杆活荷载(词条“活荷载”由行业大百科提供)标准值,不应小于下列规定:

  1)住宅、宿舍、办公楼、旅馆、医院、托儿所、幼儿园,栏杆顶部的水平荷载应取1.0kN/m;

  2)学校、食堂、剧场、电影院、车站、礼堂、展览馆或体育场,栏杆顶部的水平荷载应取1.0kN/m.竖向荷载应取1.2kN/m,水平荷载与竖向荷载应分别考虑。

  通过比较分析,可以看到相关规范对防护栏杆的撞击力取值较低,如果按照撞击能量折算的话,大概在300N·m附近,连幕墙室内侧撞击性能的最低标准都达不到。具体对比数据详下表:

  上海幕墙标准中对无窗台玻璃幕墙撞击力的取值规定是否完全合理恐怕也有争议,但至少其灵活运用可靠性进行安全设计的思路是正确的。玻璃虽然是易碎材料,但只要确保其强度储备大到足以保证其损伤概率降到足够低时,完全可以不另行设置单独的防护栏杆或防撞措施也能确保使用安全。

  二、针对护栏高度处无橫梁的玻璃面板进行耐撞击计算的案例

  以下通过一个案例介绍有关幕墙的耐撞击计算:

  1、 玻璃幕墙计算玻璃面板品种、规格

  玻璃幕墙位置玻璃面板,玻璃面板选用10mmTP+12(A)+10mmTP中空钢化玻璃,取最不利位置进行校核;分格为1500×3300mm。

  2、 计算说明

  幕墙玻璃面板选用10(LOW-e)+12(A)+10mm中空钢化玻璃。取最不利位置进行校核;分格为1500×3300mm,力学模型为承受均布荷载的四边支承,计算标高取50.000m。

  局部大样:

  计算简图:

  1、 荷载计算

  A、风荷载计算

  根据以下标准进行荷载取值

  1)中华人民共和国国家标准:GB50009-2012 建筑结构荷载规范

  2) 中华人民共和国行业标准:JGJ 102-2003 玻璃幕墙工程技术规范

  图(2):在荷载组合(词条“荷载组合”由行业大百科提供)一作用下的应力图:

  图(3)玻璃在荷载组合二作用下的应力图:

  三、结论和建议

  无窗台玻璃幕墙在满足相关条件下,其室内侧是可以不单独设置防护栏杆的。但考虑到安全性需求以及有关结构计算情况,其室内侧的耐撞击设计也有一些必须注意的细节:

  1、玻璃面板的配置

  相关国家标准规范对无窗台玻璃幕墙的玻璃配置没有明确规定,因此,此处可以采用夹层中空钢化玻璃,也可以采用普通中空钢化玻璃。上海幕墙标准中无窗台玻璃幕墙的玻璃配置可以是夹层中空钢化玻璃,也可以是普通中空钢化玻璃,比如小于3m2的玻璃其单片厚度可以用8mm;3m2到4m2之间的玻璃其单片厚度可以用10mm。在通过撞击力的计算以及通过撞击性能检测后,可以证明玻璃能够承受撞击,可不单独设置防护栏杆。考虑到钢化玻璃可能存在自爆的特性,更可靠的做法是使用至少一面是夹层的中空钢化玻璃。至于夹层玻璃是位于室内侧还是室外侧其实并不重要,只要计算满足即可。事实上,夹层玻璃位于室外侧对玻璃幕墙的整体安全性会更有利,因为其能够有效地避免玻璃破损后的坠落问题。

  2、幕墙的分格设计

  参考上海幕墙地方标准,影响幕墙撞击荷载取值的两大主要因素是单片玻璃的面积和在防护栏杆高度部位有无横梁。如果按照幕墙的常见分格宽度尺寸在1.5米左右考虑,单块玻璃面积不大于4平方米就意味着玻璃分格的高度尺寸不超过2. 7米,一旦超过这个尺寸,有关撞击计算取值相应提高,所以实际上幕墙玻璃做全落地的设计不是一个好的做法。比较理想的情况是在防护栏杆的高度位置设置横梁,不仅实实在在地提高了幕墙的耐撞击安全性,也提高了使用者的安全感受。当然,也有的做法是将横梁位置提高,与设置在梁底的高窗分格统一,对室内视野影响也不大。这种做法一定程度减小了单块玻璃的面积,因此也提高了玻璃的耐撞击能力。

  3、幕墙的防撞设施设计

  在幕墙的相关规范中,有规定“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。”这里所指的防撞设施主要是两个方面的内容,一个是隔离设施,另外一个是警示标识。警示标识比较简单,对幕墙构造本身并无影响,但隔离设施的设计就要考虑很多问题。这中间比较重要的部位是幕墙的踢脚设计。玻璃的边缘强度较大面低很多,所以需要对边缘部位予以必要的隔离和保护。有的幕墙室内侧没有设置踢脚,玻璃面直接接触室内地板,在使用过程中很容易受到家具、清洁工具的撞击而造成玻璃破损,因此设置一定高度的踢脚线是一个好的做法。另外,在防护栏杆高度设置防撞杆或透明的玻璃栏板都是有效的隔离防撞设施。

  4、以上撞击作用的计算是基于一定假设条件下进行的,特别是将撞击作用时间假设为一个常数。但事实上作用时间会受撞击部位和横梁设置位置等多种因素的影响,所以实际计算结果可能会有一定的误差。因此,耐撞击型式试验或现场的耐撞击试验就很有必要。检测指标可以按照幕墙的实际使用环境选取相对应的耐撞击性能指标值,如果能够通过耐撞击计算校核满足要求,同时通过耐撞击试验证实是安全的,就可以作为后续设计的依据。

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专家介绍

 闭思廉

铝门窗幕墙委员会专家组

工作单位:深圳市中航幕墙工程有限公司

技术职称:教授级高工

专业:建筑幕墙产品设计、开发、建筑幕墙工程设计、施工。

专长:建筑幕墙门窗产品开发、工程设计及施工

原文地址:http://www.52mqw.com/info/2018-5-16/44668-1.htm
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