彭立校

(江蘇信達(dá)置業(yè)有限公司，江蘇 南京　230036)

玻璃幕墻的設(shè)計(jì)探討

彭立校

(江蘇信達(dá)置業(yè)有限公司，江蘇 南京230036)

摘要:文章根據(jù)幕墻玻璃的受力特點(diǎn)，著重從結(jié)構(gòu)安全的角度論述了玻璃幕墻在設(shè)計(jì)階段所需重點(diǎn)考慮的幾種問(wèn)題。

關(guān)鍵詞:抗震；擾度；預(yù)應(yīng)力模型；耐久性

玻璃幕墻建筑從它誕生之日起,就以其獨(dú)特的建筑功能和藝術(shù)魅力倍受人們,特別是建筑師和結(jié)構(gòu)工程師的青睞,在百年左右的時(shí)間內(nèi)幾乎風(fēng)靡于全世界,而且至今仍處于方興未艾的上升勢(shì)頭。但可能因?yàn)樗皇侵黧w承重結(jié)構(gòu),似乎一直受到建筑設(shè)計(jì)部門的冷落,以為不存在什么值得研究的結(jié)構(gòu)力學(xué)課題。其實(shí)這是一種誤解,下面結(jié)合現(xiàn)行《規(guī)范》中暴露出來(lái)的若干問(wèn)題,從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度,對(duì)玻璃幕墻今后的研究方向提出幾點(diǎn)看法。

1抗震設(shè)計(jì)問(wèn)題

玻璃幕墻的抗震性能是比較脆弱的,原因是它不完全決定于自身的抗震能力,還要受到主體結(jié)構(gòu)、連接件、支承框架等設(shè)計(jì)質(zhì)量的影響。如果據(jù)此而消極地限制玻璃幕墻只能適用于“非抗震設(shè)計(jì)”工程,顯然是不現(xiàn)實(shí)的。事實(shí)上,有些玻璃幕墻建筑比較集中大城市。恰位于環(huán)太平洋地震帶上,關(guān)鍵問(wèn)題是對(duì)玻璃幕墻的抗震設(shè)計(jì)要有個(gè)科學(xué)合理的理論依據(jù)。不難理解,目前廣泛應(yīng)用的“振型分解反應(yīng)譜法”不適于幕墻的抗震設(shè)計(jì),因?yàn)榈卣饡r(shí)的地面運(yùn)動(dòng)并不直接傳遞到幕墻上,而是通過(guò)主體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng),間接激勵(lì)幕墻發(fā)生振動(dòng)。在這種情況下,“時(shí)程分析法”可能是一個(gè)值得推薦的動(dòng)力分析方法,因?yàn)樗鼘?duì)確定性和非確定性激勵(lì)、線性和非線性分析都適用。如果按確定性激勵(lì)考慮,則需提供主體結(jié)構(gòu)。地震響應(yīng)的位移時(shí)程曲線,這可通過(guò)模擬振動(dòng)試驗(yàn)來(lái)獲取。如果按非確定性激勵(lì)考慮迮可以將主體結(jié)構(gòu)的地震響應(yīng)處理成隨機(jī)過(guò)程,對(duì)幕墻進(jìn)行振動(dòng)分析,從整體概率意義上對(duì)它進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)。無(wú)論按哪一種激勵(lì)方式考慮,都要經(jīng)歷一個(gè)研究過(guò)程,也都可以得到一個(gè)可靠的幕墻抗震設(shè)計(jì)方法。

2大小撓度問(wèn)題

由于幕墻玻璃的三向幾何尺寸與橫向荷載集度可在較大范圍內(nèi)變動(dòng),玻璃中心附近出平面的側(cè)向位移,有可能小于或大于玻板的厚度;也就是說(shuō),幕墻玻璃的力學(xué)分析,既可能屬于小撓度問(wèn)題,也可能屬于大撓度問(wèn)題。從結(jié)構(gòu)力學(xué)的角度看,不論是小撓度還是大撓度還是打撓度問(wèn)題,目前都有切實(shí)可行的分析方法,不存在任何麻煩,但兩種問(wèn)題分析方法的繁簡(jiǎn)則有很大差別。如果本來(lái)屬于大撓度問(wèn)題而用小撓度分析方法去進(jìn)行求解,就會(huì)對(duì)位移和應(yīng)力作出過(guò)高估計(jì),結(jié)果偏于保守。如果本來(lái)屬于小撓度問(wèn)題而用大撓度分析方法去求解,在計(jì)算時(shí)間和勞動(dòng)上就是一種浪費(fèi),就是工作上的盲目性。因此,如果在進(jìn)行力學(xué)分析之前(而不是“之后”),有一個(gè)可靠而而便捷的判別公式,先期識(shí)別幕墻玻璃在地區(qū)風(fēng)壓作用下應(yīng)屬于大還是小撓度問(wèn)題,在針對(duì)性的進(jìn)行求解,無(wú)疑是比較科學(xué)合理的。截至目前為止,在國(guó)內(nèi)外正式頒布的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)中,似無(wú)這方面的知識(shí)信息,應(yīng)該補(bǔ)上這個(gè)空白。

3合理設(shè)計(jì)程序問(wèn)題

幕墻玻璃的抗風(fēng)壓設(shè)計(jì),簡(jiǎn)言之,是在根據(jù)建筑功能要求和當(dāng)?shù)貧庀髼l件,給定玻璃的平面尺寸和風(fēng)壓值之后,選擇安全合理的玻璃厚度。處理這個(gè)常規(guī)設(shè)計(jì)問(wèn)題,目前存在著兩種工作方法。一種是應(yīng)用以大量實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)的經(jīng)驗(yàn)公式,按已知風(fēng)壓和平面尺寸推算所需的玻璃厚度。這是一種比較簡(jiǎn)便的直接方法,日、美、加、澳等國(guó),都是采用的這種途徑。另一種是先設(shè)定一個(gè)玻璃后盾。這是通常習(xí)用的間接方法,我國(guó)現(xiàn)行《規(guī)范》和《幕墻工程手冊(cè)》建議的就是這個(gè)途徑。第1種途徑雖然應(yīng)用直接而簡(jiǎn)便,但由于彼此適用條件和方法、樣本規(guī)格和品質(zhì)、材料基本強(qiáng)度等等各不相同,各國(guó)的經(jīng)驗(yàn)公式不盡一致,不宜相互借用,而且都有明顯的局限性。尤其當(dāng)玻璃的長(zhǎng)寬比、厚度、邊界條件等超出公式的適用范圍時(shí),還是需要采用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行計(jì)算。第2種途徑雖然比較間接,但無(wú)上述的局限性。也有較強(qiáng)的通用性。缺點(diǎn)是初始厚度的選取全憑主觀實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),不容易做到經(jīng)濟(jì)合理。因此,關(guān)于幕墻玻璃抗風(fēng)壓設(shè)計(jì),似宜從這樣3個(gè)方面進(jìn)行考慮:① 先要有個(gè)選取初始厚度的簡(jiǎn)便方法,它應(yīng)主要基于理論分析,而不是單憑離散實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合;② 初始厚度選定之后,還要有個(gè)鑒定大小撓度問(wèn)題的判別準(zhǔn)則和判別指標(biāo),辨明問(wèn)題的性質(zhì)系屬于線性還是幾何非線性;③ 根據(jù)鑒定結(jié)果,再選用相應(yīng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法進(jìn)行分心,檢驗(yàn)初始厚度的合理性。這樣做,或許能夠得到一個(gè)高效率的實(shí)用工作方法。

4預(yù)應(yīng)力模型問(wèn)題

鋼化玻璃常用于防暴或安全要求較高的場(chǎng)合,它是以浮法玻璃等位原片,經(jīng)過(guò)物理方法加工而成的,其工藝流程主要包括“均勻加熱”和“急劇冷卻”2個(gè)過(guò)程,即先將原片在加熱爐中均勻加熱至軟化溫度(約630～700℃),使之呈塑性狀態(tài);然后快速移至鋼化風(fēng)柵中,通過(guò)均勻密布的噴孔將壓縮空氣對(duì)稱地噴吹玻璃的兩側(cè)表面,使之急劇冷卻。在冷卻過(guò)程中,由于玻璃的中心內(nèi)層同外側(cè)表層之間存在很大的溫度梯度,表層產(chǎn)生壓應(yīng)力,內(nèi)層產(chǎn)生拉應(yīng)力。因此,在工作荷載作用之前,鋼化玻璃種已有預(yù)應(yīng)力存在,國(guó)內(nèi)外有關(guān)文獻(xiàn)曾描繪它的定性分布示意。由于這個(gè)預(yù)應(yīng)力的存在,使鋼化玻璃有較強(qiáng)的機(jī)械力學(xué)性能和良好的熱穩(wěn)定性。在幕墻設(shè)計(jì)中應(yīng)如何反映鋼化玻璃的這個(gè)優(yōu)良性能,國(guó)內(nèi)外有關(guān)規(guī)范都只是簡(jiǎn)單地加大它強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的取值,如我國(guó)和日本均取為浮法玻璃強(qiáng)度設(shè)計(jì)的3倍,美國(guó)取為4倍,澳大利亞取為2.5倍等。這樣的處理無(wú)疑是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的,它沒(méi)有充分利用鋼化玻璃的內(nèi)在品質(zhì)。比較科學(xué)的思路應(yīng)該是:先跟試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)量化它的預(yù)應(yīng)力分布規(guī)律,使之成為可以進(jìn)行定量分析的“預(yù)應(yīng)力模型”;再通過(guò)理論分析,提出計(jì)入預(yù)應(yīng)力影響的、鋼化玻璃的線性和非線性計(jì)算方法。

5玻璃的耐久性問(wèn)題

實(shí)踐證明,在垂直板面的分布荷載作用下,玻璃的彎曲強(qiáng)度σ(Mpa)與荷載持續(xù)時(shí)間T(s)有關(guān)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析,其數(shù)學(xué)形式可表為:

σnT=const

(1)

這意味著,玻璃的彎曲強(qiáng)度與荷載持續(xù)時(shí)間的n次根成反比,或者說(shuō),荷載持續(xù)時(shí)間愈長(zhǎng),玻璃的彎曲強(qiáng)度愈低。如果單從形式上看,當(dāng)T→∞時(shí),σ→0,這顯然是不現(xiàn)實(shí)的,因此。它應(yīng)有個(gè)適用范圍。大多數(shù)研究者認(rèn)為。當(dāng)σ短期荷載強(qiáng)度的25%-40%時(shí),這個(gè)公式才是有這一關(guān)系反應(yīng)的規(guī)律當(dāng)然很重要,因?yàn)椴ＡС惺艿挠卸唐诤奢d(如風(fēng)荷載),也有較長(zhǎng)期荷載(如雪荷載),但作用都很頻繁,這就會(huì)影響玻璃的使用壽命。

顯然,式中的指數(shù)n是個(gè)關(guān)鍵參數(shù),因?yàn)樗苯記Q定玻璃的彎曲強(qiáng)度隨荷載持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)而遞減的速度。若令T1和T2 2個(gè)不同持續(xù)時(shí)間的彎曲強(qiáng)度分別為σ1和σ2,則由式(1)可得:

(2)

關(guān)于n的取值,因不同研究者的工作條件(包括試驗(yàn)方法.樣本尺寸.玻璃的化學(xué)成分和熱處理方式等)而異,國(guó)外的實(shí)驗(yàn)資料大體在12≤n≤20范圍內(nèi)波動(dòng)。例如,若取n=20,并令T1=1s時(shí)的σ1作為一個(gè)單位,則當(dāng)T2=10s,1min,1h,1d時(shí),對(duì)應(yīng)的σ2按式(2)不難算得依次為σ2=0.891,0.815,0.664,0.566,這與文獻(xiàn)[8]的實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本上是一致的。

對(duì)于國(guó)產(chǎn)玻璃,也應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定自己的n值。這是很容易辦到的,因?yàn)橛墒?1)直接推出:

(3)

由此可見(jiàn),只需通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得兩個(gè)不同荷載持續(xù)時(shí)間T1和T2的彎曲強(qiáng)度σ1和σ2,就可由此極易推出n值。有個(gè)這個(gè)n值,就可以按式(2)對(duì)玻璃的安全性做出診斷和預(yù)測(cè),這無(wú)疑是有現(xiàn)實(shí)意義的。

6結(jié)束語(yǔ)

值得探討的問(wèn)題遠(yuǎn)不止這些,如夾層玻璃.中空玻璃.全玻璃幕墻的應(yīng)用均極普遍,但國(guó)內(nèi)外有關(guān)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)對(duì)此均略而不詳?？傊?玻璃幕墻設(shè)計(jì)中的技術(shù)問(wèn)題,并不像人們?cè)瓉?lái)估計(jì)的那么簡(jiǎn)單,而是大有文章可做,本文難免有掛一漏萬(wàn)之嫌,權(quán)當(dāng)一塊引玉之磚而已。

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[4]JGH 102-96.玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范[S].

(責(zé)任編輯陳化鋼)

The design of glass curtain wall

PENG Li-xiao

(Jiangsu Cinda Real Estate Co., LTD., Nanjing, Jiangsu Province, 230036,China)

Abstract:Based on the mechanical characteristics of glass curtain wall, mainly from the perspective of the structural safety,this paper discusses several key consideration required for glass curtain wall in the design stage.

Key words:earthquake; immunity; prestressed model; durability

收稿日期：2016-02-20；修回日期：2016-03-10

作者簡(jiǎn)介：彭立校(1981- )，男，安徽蒙城人，一級(jí)建造師、安全工程師，從事幕墻工程的技術(shù)及項(xiàng)目管理工作。

DOI：10.3969/j.issn.1671-6221.2016.02.005

中圖分類號(hào)：TU352

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1671-6221(2016)02-0017-03