大跨度玻璃肋全玻幕墙结构计算要点分析

大跨度玻璃肋全玻幕墙结构计算要点分析

黄佳文

金刚幕墙集团有限公司广东广州510650

摘要：以大跨度玻璃肋全玻幕墙为基础，介绍其整个结构体系以及面板玻璃肋连接等计算要点，对今后类似工程的设计和计算提供参考。

关键词：大跨度玻璃肋幕墙；支撑体系；面板；玻璃肋；连接；强度；挠度；稳定性

1.引言

全玻幕墙是随着玻璃生产技术的提高和产品的多样化而诞生的，它为建筑师创造一个奇特、透明、晶莹的建筑提供了条件。全玻璃幕墙已发展成一个多品种的幕墙家族，它包括玻璃肋胶接全玻璃幕墙和玻璃肋点连接全玻璃幕墙。玻璃肋胶接全玻璃幕墙玻璃肋胶接全玻璃幕墙是面玻璃与支承框架均为玻璃的幕墙，又称玻璃框架玻璃幕墙。它是一种全透明、全视野的玻璃幕墙，一般用于厅堂和商店橱窗，由于厅堂层高较高，一般在4m以上，也有7~8m，甚至达到12m。为了减少面玻璃的厚度，于是利用玻璃作框架，固定在楼层楼板（梁）上，作为面玻璃的支承，面玻璃跨度就大大减少，就能使用较薄的玻璃。面玻璃支承在玻璃框架上的形式，有后置式、骑缝式、平齐式、突出式。

（1）后置式玻璃肋置于面玻璃的后部，用密封胶与面玻璃粘接成一个整体。

图1

（2）骑缝式玻璃肋位于面玻璃后部的两块面玻璃接缝处，用密封胶将三块玻璃连接在一起，并将两块面玻璃之间的缝隙密封起来。

图2

（3）平齐式玻璃肋位于两块面玻璃之间，玻璃肋的一边与面玻璃表面平齐，玻璃肋与两块面玻璃间用密封胶粘接并密封起来。这种型式由于面玻璃与玻璃肋侧面透光厚度不一样，会在视觉上产生色差。

图3

（4）突出式玻璃肋位于两块面玻璃之间，两侧均突出大片玻璃表面，玻璃肋与面玻璃间用密封胶粘接并密封。全玻璃幕墙起初只用于一个楼层内，现在跨层也在使用。当用于一个楼层时，面玻璃与玻璃肋上下均用镶嵌槽夹持。当层高较低时，玻璃（玻璃肋）安在下部镶嵌槽内，上部镶嵌槽槽底与玻璃之间留有伸缩的空隙。玻璃与镶嵌槽之间的空隙可采用干式装配、湿式装配或混合装配。不过外侧最好采用湿式装配，即用密封胶固定并密封，达到提高气密性和水密性的目的。当层高较高时，由于玻璃较高，长细比较大，搁置在下部镶嵌槽时，玻璃自重使玻璃变形，容易发生压屈，导致玻璃破坏，需用上吊式，即在面玻璃上设置专用夹具，将玻璃吊挂起来。镶嵌槽用干式（湿式、混合）装配，玻璃与槽底留有伸缩空隙。

图4

大跨度全玻幕墙的玻璃肋结构具有平整光滑的质感、晶莹剔透的观感等优点，能够表达现代建筑的时尚特色，受到很多建筑师及甲方的青睐。然而，当玻璃肋跨度较大时，由于玻璃是脆性材料，玻璃面板的强度，挠度。玻璃肋的强度，挠度，连接，平面外的稳定问需要重点计算来作为设计依据。

2.面板计算

全玻幕墙的面板面积较大，主要分采用结构胶对边简支和爪件点支撑两种。由于玻璃自重不宜有结构胶缝单独承受，点支撑玻璃面板在荷载作用下产生的应力和变形比对边简支玻璃大很多。现大尺寸玻璃面板通长采用点爪和结构胶一起支持。即爪件承受自重，结构胶缝承受水平荷载。

玻璃面板应力和挠度计算公式如下：

应力公式

σ=6×ψ×q1×a2×η/t2

ψ：弯曲系数

q1：玻璃板面承受的水平荷载设计值

a：玻璃板面计算边长

η：折减系数

t：玻璃板面厚度

挠度公式

挠度u=μ×W×a4×η/D

μ：挠度系数

W：玻璃板面承受的水平荷载标准值

a：玻璃板面计算边长

η：折减系数

D：玻璃弯曲刚度D=E×te3/[12（1-ν2）]

3.玻璃肋强度挠度计算

玻璃肋受力状态为简支梁，玻璃面板将所承受的风荷载和地震作用于传到玻璃肋上，因此玻璃肋截面尺寸不应过小，全玻璃幕墙玻璃肋的载面厚度不应小于12mm，截面高度不应小于100mm，以保证其必要的刚度和承载能力。

玻璃肋强度计算公式，简化为利用许用强度反算在荷载作用下，满足强度要求最小玻璃肋高度尺寸。

hr=[3×W×L×h^2×10^（-3）/（4×fg×t）]^0.5

hr：玻璃肋的截面高度

fg：玻璃侧面强度设计值

W：荷载设计值

L：两肋之间的玻璃面板跨度

t：玻璃肋截面厚度

h：玻璃肋的跨度

玻璃肋挠度计算公式

u=5×Wk×L×h^4×10^（-3）/（32×E×t×hr^3）

Wk：风荷载标准值

E：玻璃的弹性模量：72000N/mm^2

L：两肋之间的玻璃面板跨度

t：玻璃肋截面厚度

h：玻璃肋的跨度

hr：玻璃肋的截面高度

4.玻璃肋连接计算

玻璃肋跨度比较大时，由于玻璃属于脆性材料，长度过长运输不便且容易损坏，且国内常规便于大规模生产钢化玻璃最长长度6m，夹胶玻璃最长长度5m，超过此尺寸需要通过其他的工艺改进加工，成本随玻璃长度的加长而递增。因此，在设计时考虑了分段拼接，实际加工制作时分成两块，再拼接为一块。设计玻璃肋受力模型属于简支梁，跨中弯矩最大，因此拼接位置不宜考虑在跨中，综合立面分格以及对外观的影响，将拼接位置设置在玻璃肋中部偏上位置。

由于玻璃肋拼接节点处承受的外荷载较大，其可靠性关系到整个玻璃肋结构的安全，所以设计时采取了双保险的受力措施，其一为螺栓受剪+玻璃孔壁承压传递弯矩模式，其二为环氧树脂结构胶粘接力传递弯矩模式。玻璃肋连接的做法是玻璃肋接头处进行开孔，再用钢板+螺栓+环氧树脂结构胶进行连接。玻璃肋之间可以采用了2块钢板进行接驳，同时采用了多个不锈钢高强螺栓固定玻璃肋与钢板（如图5）。以下对两种受力模式进行计算分析：

螺栓受剪+玻璃孔壁承压传递弯矩模式：

连接位置玻璃总厚度t，玻璃孔大小d，外侧螺栓距螺栓群形心距离，上下螺栓距螺栓群形心距离，通过计算单个玻璃孔位置承受的压力：

玻璃肋拼接节点构造措施：

图6玻璃肋拼接节点构造措施

环氧树脂结构胶粘接力传递弯矩模式：

第一种受力模式为理想状态，即假设所有玻璃孔同时承压受力，但如在实际实施中出现偏差，这样玻璃孔处就容易产生应力集中，导致玻璃肋损坏，所以在设计中将其作为第二种受力模式一旦失效的保险措施，实际上玻璃肋拼接节点日常的受力模式为第二种：环氧树脂结构胶粘接力传递弯矩模式，通过环氧树脂结构胶粘接力来固定钢板与玻璃肋，起到刚性连接的效果，传递此处的弯矩，消除了玻璃孔位置产生应力集中的可能性。此种结构受力模式计算分析如下：

胶承受的剪应力

W：单面A/B胶抗扭抵抗矩

为了避免螺栓与玻璃肋连接处产生应力集中，在螺栓与玻璃肋连接位置做了如下构造设计措施（图4）：

为了减少玻璃的自爆，玻璃肋采用超白玻璃，所有玻璃的孔壁及边角均精磨处理；

螺栓与玻璃肋连接处，采用材质比较软的纯铝或尼龙垫圈进行隔离处理，避免螺栓与玻璃肋硬性接触，产生应力集中；

为了保证螺栓孔能同时受力，考虑玻璃肋的加工误差，玻璃开孔采用了大小孔的加工方式，同时间隙内填满承压能力比较强的环氧树脂A/B胶。

5.玻璃肋稳定计算

根据《玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ102-2003），第7.3.7条：高度大于12m的玻璃肋，应进行平面外稳定验算，必要时采取防止失稳的结构措施。本工程全玻幕墙玻璃肋高度12.5m，须进行平面外稳定验算。由于目前国内相关规范中暂无玻璃肋平面外稳定验算方法，因此参考了澳标相关规范进行计算。该规范规定玻璃肋稳定性抗力（弯矩）设计值Mcr应不小于玻璃肋跨中最大弯矩M。通过计算，玻璃肋跨中最大弯矩M

式中：

Mcr--玻璃肋稳定性抗力（弯矩）设计值

L---玻璃肋的高度

EI---玻璃肋弱轴的抗弯刚度

GJ---玻璃肋的抗扭刚度

r---玻璃的泊松比

t---玻璃肋等效厚度

yo---侧向约束到玻璃肋中心轴距离

yk---荷载作用点到玻璃肋的距离

d---玻璃肋的宽度

6.玻璃肋拼接节点静力试验

玻璃肋驳接位置所实用的环氧树脂结构胶，受施工条件和施工工艺等多因素影响，计算分析与实际情况可能偏差比较大。为了确保玻璃肋结构拼接位置的结构安全性能，在该节点完成设计分析后，可以采用静力试验来进行验证。

试验模型的确定

本工程的静力试验设计了如图7所示试验模型：在玻璃肋两端，利用螺栓通过钢板以及环氧树脂A/B胶夹持住玻璃肋，整个试件一端固定在钢结构上，一端悬挑，通过千斤顶对悬挑端施加集中荷载，来模拟实际使用过程中玻璃肋驳接位置的荷载。考虑试验主要是检测环氧树脂A/B胶单独承受荷载的状态，试验所用的玻璃肋，对应螺栓位置均开大孔以避开螺栓，钢板设置为竖向长条孔，确保环氧树脂A/B胶单独承受荷载。

图7

7.结束语

以上是笔者对大跨度玻璃肋全玻幕墙几个要点的计算方法，同时也在实际工程中进行计算应用，并通过了实验检验。实验和后期的使用证明以上计算方法可以用来指导设计并保证其合理性和安全性。

参考文献：

[1]GB/T21086-2007建筑幕墙

[2]JGJ102-2003玻璃幕墙工程技术规范

[3]JGJ113-2015建筑玻璃应用技术规范

[4]GB50009-2012建筑结构荷载规范

[5]GB50017-2003钢结构设计规范