超大玻璃幕墙的设计与施工探讨徐利民.docx

    超大玻璃幕墙的设计与施工探讨徐利民    摘要：本文结合实际工程案例，阐述了全玻璃幕墙在设计和施工方面的注意点，以期为大跨度玻璃幕墙设计提供参考关键词：全玻璃幕墙;点支撑玻璃;玻璃肋1、工程概况本工程商业建筑的全玻璃幕墙外立面（见图1）全玻璃幕墙总高22m，总宽28.9m，横向标准玻璃面板分格宽1.7m，纵向玻璃分为6块，高低各不相同，其中上部2块玻璃总高8m，由一个独立的玻璃肋系统支撑，下部4块玻璃总高14m，由另一个独立的玻璃肋系统支撑本文仅讨论下部跨度14m的玻璃肋支撑系统该全玻璃幕墙中，玻璃面板采用10mm+12mm空气层+8mm的中空玻璃，玻璃均为钢化玻璃玻璃肋采用19mm+2.28PVB+19mm的钢化夹层玻璃幕墙承受的风荷载按照《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)和《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ102-2003）计算，正压为+1.0kPa，负压为-1.0kPa幕墙的水密性能为0.75kPa为验证幕墙的各项性能和模拟实际的施工过程，设计完成后，根据《建筑幕墙》(GB/T21086-2007)以及《建筑幕墙气密、水密、抗风压性能检测方法》（GB/T15227-2007)，对幕墙进行了检测。

检测结果显示，各项性能均满足设计要求2、玻璃面板玻璃面板宽1.7m，最大高4.0m，单块玻璃面积6.8m2采用10mm+12mm空气层+8mm的钢化中空玻璃，每平方米的质量约47kg，单块玻璃质量约320kg面板承受的风荷载，采用±1.0kPa面板承受的地震作用，根据《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ102-2003)和《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中有关非结构构件的规定，简化为静力荷载工程所在地区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，水平地震影响系数最大值为0.12动力放大系数取5.0计算所得的水平地震作用标准值为0.276kN/m2根据现行幕墙规范的规定，进行幕墙结构设计时须考虑风荷载与地震作用的组合中空玻璃面板的计算，可根据《玻璃幕墙工程技术规范》的规定，按照玻璃刚度的不同，将风压分配到内片和外片分别进行计算单块玻璃面积较大，采用6个驳接头进行支撑，玻璃面板简化为六点支撑的双向受弯板由于现行幕墙规范没有给出六点支撑板的计算公式，所以采用有限元软件来模拟点支撑玻璃的变形往往较大，进行挠度和应力计算时，需要考虑几何非线性的影响计算结果显示，玻璃面板的配置满足承载要求。

变形图和应力图见图2、图3根据玻璃支撑点承受的最大反力，驳接头和驳接爪选用标准的幕墙配件产品3、玻璃肋整体玻璃肋顶部通过吊夹悬挂在顶层结构上，底部入槽固定（允许有竖向位移）在自重作用下，呈偏心受拉状态在风荷载作用下，玻璃肋可视为承受横向作用的简支梁因此，玻璃肋是典型的拉弯构件，但拉力引起的截面应力较小，对大跨度的玻璃肋而言，挠度和强度往往不起控制作用，起控制作用的是稳定性因此，稳定性的计算是大跨度玻璃肋设计的一个重点工程应用中，跨度较小的玻璃肋，可以采用单片玻璃，而对于跨度较大的玻璃肋或竖向有2块以上的玻璃面板来说，则应采用夹层玻璃，因为玻璃肋是主要支撑结构，因而夹层玻璃非常重要，即使其中一片玻璃破碎，夹层玻璃在整体上还有一定的承载能力根据工程经验，玻璃肋的截面高度取跨度的1/20，即截面深度取700mm厚度则根据强度和稳定性的计算结果，取38mm，实际玻璃肋的配置为19mm钢化+2.28PVB+19mm钢化国内现行规范没有给出玻璃肋的稳定性计算方法，可以用有限元软件模拟，也可以参考澳大利亚规范AS1288-2006的相关规定进行计算本工程中，用有限元软件模拟玻璃肋的稳定性，前4阶屈曲系数分别为1.16、1.23、2.75、2.83（见图4）。

屈曲系数＞1.0，表明玻璃肋的稳定性足够，不会发生弯扭失稳在城市幕墙检测中心进行了实际检测，玻璃肋在1.0kPa风压作用下的最大变形与理论位移非常接近，为11mm在1.50kPa的最大压力作用下，玻璃肋的强度和稳定性足够4、玻璃肋连接对于超过10m的玻璃肋来说，国内只有极少数玻璃生产厂家可以生产，且生产周期长、造价高综合考虑工期和造价的因素，本工程的玻璃肋用两段玻璃肋拼接而成，下段长6m，上段长8m连接点在地面以上6m处，接近跨中的位置跨中最大弯矩约75kN•m，此连接位置的弯矩是73kN•m，受力非常不利此连接的设计好坏，直接关系到两段玻璃肋能否共同工作，因此非常重要构造上采用两片不锈钢板夹住玻璃肋，用螺栓穿过玻璃和不锈钢板来抵抗连接处的内力连接点处受下部幕墙的自重以及风荷载引起的弯矩和剪力影响在内力的综合作用下，螺栓受剪，玻璃和钢板上的孔壁承压，属于典型的承压型连接节点设计时，需特别注意以下几点：此连接节点中，弯矩起控制作用，为尽量减小弯矩引起的剪力，设计时应尽量加大螺栓之间的间距，当然也要注意螺栓的边距，尤其是玻璃开孔的位置不能太靠近边部，否则很容易引起玻璃边部的破坏螺栓的数目不宜太多，螺栓太多，受力不均匀，容易导致应力集中，发生玻璃的挤压破坏。

3）控制孔位偏差和构件加工精度玻璃的两片玻璃在合片时，由于孔位偏差的影响，很难保证完全对齐，一般采用开大小孔的方法来解决，即其中一片玻璃上开孔直径要大于另外一片两片钢板之间也要注意孔位偏差，最好的办法是成组的两片钢板一起加工，以确保孔位精确对齐4）消除螺栓连接配合间隙螺栓与玻璃孔之间、螺栓与钢板孔之间都有间隙，这2个间隙加起来为总的配合间隙当间隙过大时，螺栓之间会有相对位移，此连接节点将有一定的转动能力根据估算，当总配合间隙为4.0mm时，由于此节点处的转动而引起的节点水平位移可达50mm，从而导致结构的失效实际工程中，螺栓与孔的加工精度均要求控制在0.2mm以内本工程中，共采用8个M27的不锈钢螺栓连接，不锈钢板厚12mm，玻璃开孔直径74mm，玻璃孔内放置铝合金套圈，套圈外径58mm，套圈内径27mm铝合金套圈和玻璃孔之间，用嵌缝材料填实，如喜利得HIT-HY70具有良好的抗挤压性能，固化前可以精确调整螺栓的位置，固化后有足够的强度承受挤压力，具体如图5所示（图示中没有显示铝套圈，仅为示意）上述设计可保证螺栓和铝合金套圈之间紧密配合（连接段无螺纹），螺栓和不锈钢板之间紧密配合单个螺栓的剪力约40kN，玻璃孔壁受到的挤压应力为28.4MPa，不超过玻璃的挤压设计强度（50.4MPa）。

实际测试结果证明，玻璃肋的实测位移与理论值相差甚微，说明此连接节点受力合理，工作良好5、玻璃肋顶部吊夹设计玻璃肋顶部吊夹承受全玻璃幕墙的所有重量（重力荷载设计值约30kN）和水平方向风荷载（设计值约18kN），还要防止玻璃肋的扭转，因此吊夹连接节点的设计也非常重要由于重力荷载较大，且玻璃肋截面高度较大（700mm），市场上的标准吊夹难以满足承载要求本工程采用自制吊夹，钢板厚12mm，用4个M20不锈钢螺栓将吊夹和玻璃肋固定吊夹设计时应注意以下几点：（1）吊夹受自重和风荷载较大，玻璃肋顶部的孔边距要足够大，以防止顶部玻璃在拉力和剪力的共同作用下被撕裂根据工程经验，玻璃的孔边距要在2.5倍孔径以上2）消除螺栓连接配合间隙，其构造原理类似玻璃肋的拼接，应使螺栓受力均匀，以减小玻璃孔壁挤压应力6、施工方案比较全玻璃幕墙的施工，先安装玻璃肋，再安装玻璃面板有两种安装拼接的大跨度玻璃肋施工方案：第一种方案是先吊装上部玻璃肋，再吊装下部玻璃肋，将两段玻璃肋在空中拼接起来，当然这种方案需要事先在地面进行预拼装，并确保嵌缝材料的完全固化后再拆成两段玻璃肋，随后在空中进行再次拼接；第二种方案是将两段玻璃肋在地面拼接好以后，待嵌缝材料完全固化后直接整体吊装。

第一种方案的优点是一次吊装玻璃肋较短，重量较小，吊装过程玻璃肋的稳定性较好，但缺点是空中拼接难度较大，耗时较长第二种方案的优点是拼接容易、安装速度快，但由于玻璃肋高度较大，吊装过程中稳定性差，要做好玻璃肋的保护，防止摇摆和平面外的过大变形根据工程经验，本项目采用了第二种安装方案7、结束语大跨度全玻璃幕墙的应用越来越广泛，玻璃本身是脆性材料，由于设计或施工不当，很容易引起玻璃的破坏此外，大跨度玻璃的稳定性问题比较突出，国内规范暂时还没有提供相应的设计方法本文结合实际工程经验，对大跨度玻璃肋的设计和施工提出了一些建议，为同行提供借鉴Reference：[1]张翼，徐世平，张帅等.北京通州商务园办公楼超大玻璃幕墙设计与施工[J].辽宁建材，2008，（9）：48-49.[2]张芹.新编建筑幕墙技术手册.2014年2月，第1版.[3]董曦，高春谊，张美瑞等.超大型玻璃幕墙""四性""试验研究[J].建筑技术，2008，39（2）：134-137.  -全文完-。