建筑玻璃幕墻設(shè)計方法淺析

王建彪

摘要：當前，隨著高層建筑數(shù)量的增多，玻璃幕墻的應(yīng)用越來越廣泛。本文介紹了玻璃幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計需注意的一般問題，簡要介紹玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的組成與類別，國內(nèi)外玻璃幕墻設(shè)計方法的研究進展，并對今后研究工作提出若干建議。

關(guān)鍵詞：玻璃幕墻；組成；分類；設(shè)計方法；

1.概述

建筑幕墻是建筑物不承重的外墻維護結(jié)構(gòu)，除了具有建筑的基本使用功能（包括采光、承載、保溫等）外，還具有豐富的藝術(shù)性（構(gòu)造精巧、表現(xiàn)力強、品質(zhì)純凈等），因此，建筑幕墻在我國的使用范圍已經(jīng)從商業(yè)擴展到民宅，幕墻使用的材料也越來越廣泛。

然而，玻璃幕墻本身造價昂貴，且抗風，抗震性能較差；能耗較大，容易對周圍環(huán)境形成光污染，相關(guān)設(shè)計規(guī)范仍不是十分成熟。目前我國玻璃幕墻的設(shè)計方法和設(shè)計經(jīng)驗有待于積累和提高。因此玻璃幕墻設(shè)計方法的分析研究具有重要的理論意義和現(xiàn)實意義。本文簡要介紹建筑玻璃幕墻的組成分類，以及國內(nèi)外的分析研究進展情況，介紹了工程實踐中的幾種實用設(shè)計方法，并提出值得研究的若干問題。

2.玻璃幕墻的組成與分類

2.1玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的組成

玻璃幕墻結(jié)構(gòu)是由玻璃或鋁、鋼等金屬材料組成，并經(jīng)過加工、連接和安裝組成，可承受風荷載、溫度等可能作用，并滿足各項預(yù)定功能要求的工程構(gòu)筑物。玻璃幕墻結(jié)構(gòu)通?？梢苑譃椴Ａ姘濉⒅С薪Y(jié)構(gòu)（含連接件）和基座（結(jié)構(gòu)）三部分。

2.2玻璃幕墻建筑結(jié)構(gòu)的類別

從不同的角度可以將玻璃幕墻結(jié)構(gòu)進行不同的劃分，主要有以下幾種情況。

按玻璃幕墻形式，可分為：

1）明框玻璃幕墻：金屬框架的構(gòu)件顯露于玻璃面板外表面的框支承玻璃幕墻。

2）隱框玻璃幕墻：金屬框架的構(gòu)件隱藏于面板內(nèi)表面的框支承玻璃幕墻。

3）半隱框玻璃幕墻：介于前兩者之間。

按幕墻安裝方法，可分為：

1）構(gòu)件式玻璃幕墻：立柱、橫梁和玻璃面板均在現(xiàn)場進行安裝。

2）單元式玻璃幕墻：將面板和金屬框架（立柱、橫梁）在工廠組裝為幕墻單元，以單元形式在現(xiàn)場進行整體安裝。

按幕墻面板的支承形式可分為：框支承玻璃幕墻、點支承幕墻以及全玻幕墻。

按玻璃面板是否作為該結(jié)構(gòu)的主要受力部件分為：組合式結(jié)構(gòu)，玻璃面板與其它板件共同組成統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)體系，并相互依存不可缺，否則結(jié)構(gòu)失效。集合式結(jié)構(gòu)：玻璃面板一般作為附屬結(jié)構(gòu)，支承結(jié)構(gòu)（包括基座）作為基本結(jié)構(gòu)，二者相對獨立。

按支承結(jié)構(gòu)剛度分為：剛性支承結(jié)構(gòu)和柔性支承結(jié)構(gòu)。前者組成結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件，均為剛性桿件，如梁、剛架、桁架、網(wǎng)架等；后者組成結(jié)構(gòu)的相當多的基本構(gòu)件是僅能承受拉力的柔性桿件，而不是剛性桿件，如張拉索桿結(jié)構(gòu)等。

3.設(shè)計方法概述

3.1 玻璃幕墻主要設(shè)計內(nèi)容

玻璃幕墻的剛度和承載力都較低，強風或地震作用容易引起破壞和脫落，因此必須進行風荷載、地震作用、溫度應(yīng)力作用下的設(shè)計計算和變形驗收。其主要過程包括：

1）結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般原則和方法

玻璃幕墻屬于建筑的圍護結(jié)構(gòu)，不承受主體結(jié)構(gòu)的地震作用，但須保證幕墻及其連接件承載力足夠，且剛度、相對主體結(jié)構(gòu)的位移能力滿足要求。作為非承重構(gòu)件，幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計標準是小震下保持彈性，故應(yīng)采用彈性計算方法。

2）基本參數(shù)的選取

現(xiàn)行玻璃幕墻規(guī)范對幕墻結(jié)構(gòu)的荷載與作用取值、材料的力學(xué)性能取值均有較為詳細的規(guī)定，此處不予贅述。

3）玻璃應(yīng)力計算

主要需計算玻璃在風荷載作用下的最大應(yīng)力；在年溫度變化作用下玻璃邊緣與邊框的擠壓應(yīng)力；玻璃中央與玻璃邊緣的溫差應(yīng)力等。

4）橫梁和立柱的計算

當矩形玻璃板材四周均有橫梁/立柱支承時，荷載可按45度分角線劃分傳遞到四周支承。橫梁以立柱為支承，并可按簡支計算。

5）結(jié)構(gòu)膠計算

6）幕墻與主體結(jié)構(gòu)的連接等

計算過程中荷載傳遞路徑分析十分重要，而應(yīng)力分析及變形驗算也是重難點。

3.2國內(nèi)外設(shè)計方法概述

對于玻璃幕墻結(jié)構(gòu)中玻璃的設(shè)計，目前國內(nèi)外有眾多方法，下面介紹其中典型的四種方法。

圖表設(shè)計法：根據(jù)風壓、體型系數(shù)、風速以及玻璃面積直接由設(shè)計圖表查出某一類玻璃厚度的設(shè)計方法即稱為圖表設(shè)計法。通常是根據(jù)實踐經(jīng)驗和玻璃在按壓作用下的破壞實驗綜合制定出這些圖表的。美國和英國幾家著名的玻璃公司，如LOF公司和PUkington公司等都各自提出了玻璃設(shè)計圖表。美國、澳太利亞和加拿大的玻璃幕墻規(guī)范也都采用了簡單方便的圖表作為設(shè)計方法。

最大應(yīng)力理論設(shè)計法：最大應(yīng)力理論法以薄板的大變形理論應(yīng)力分析（在均布的，靜壓力作用下）為依據(jù)，假定玻璃表面任何一處達到極限拉應(yīng)力時即達破壞，進行有限元分析。PPG公司進行了大量有限元計算，應(yīng)用其分析結(jié)果，于1979年推出了以最大應(yīng)力理論為基礎(chǔ)的玻璃設(shè)計圖表。此后，沃布蘭及其合作者，利用有限差分法對大變形薄板玻璃在均布側(cè)向靜壓力作用下的應(yīng)力進行了分析，取得了較大的進展，能利用電算快速運算并經(jīng)實驗論證，可適用于各種類型玻璃。

斷裂理論設(shè)計法：1972年，布朗根據(jù)靜態(tài)疲勞和斷裂力學(xué)理論，給出了著名的布朗積分公式——玻璃累積損傷破壞的計算公式。該理論認為只要強度累積損傷量值達到與加載方式無關(guān)的臨界值時，玻璃就破壞。依據(jù)該理論的設(shè)計方法稱為斷裂理論設(shè)計法。然而，由于斷裂理論設(shè)計法過于復(fù)雜，難于在實際工程實踐中進行應(yīng)用。

實用公式設(shè)計法：由于矩形薄板玻璃在風壓作用下的應(yīng)力狀態(tài)計算十分復(fù)雜，理論結(jié)果與實驗情況也有出入，且目前尚無成熟的計算方法，因此，日本舍棄建立玻璃容許應(yīng)力與風壓之間的關(guān)系式的方法而采用風壓與玻璃安全厚度之間的實用關(guān)系式。

4.研究中的問題

4.1設(shè)計管理問題

在目前的工程實踐中，建筑幕墻工程一般都是由業(yè)主直接承包的，但是業(yè)主在招標的過程中往往因為時間緊迫等原因，投標單位沒有足夠的時間去熟悉圖紙，還有很多設(shè)計圖紙缺乏節(jié)點細部的詳圖及做法，過于粗糙，導(dǎo)致中標單位在后期施工過程中沒有足夠的依據(jù)指導(dǎo)施工，影響工程整體的質(zhì)量。因此，我們要加強對于設(shè)計階段的重視程度，避免設(shè)計圖紙與施工現(xiàn)場的沖突。在設(shè)計階段要保證圖紙設(shè)計的深度與科學(xué)性，提供節(jié)點細部的詳圖以及具體做法，設(shè)計中要有防雨水滲漏性能的措施等，能夠有力地指導(dǎo)現(xiàn)場施工，并且在后續(xù)的施工過程中要有專門的設(shè)計師在現(xiàn)場指導(dǎo)施工，解決施工過程中的技術(shù)問題。

4.2設(shè)計風荷載取值問題

高層、超高層玻璃幕墻上設(shè)計風荷載的取值是非常重要的，它關(guān)系到幕墻的安全與經(jīng)濟問題，在我國荷載規(guī)范中，以3O年一遇的1O分鐘平均風速壓力作為風荷載的基本風壓的，這對主體結(jié)構(gòu)是適用的。然而，幕墻在瞬時風作用下容易損傷破壞，國外一般將3秒平均風速壓力作為瞬時風壓，而在同一地點的10分鐘平均風壓與3秒鐘風壓相差巨大，后者將近前者的兩倍，因此按1O分鐘風壓為基本風壓的風荷載進行設(shè)計是非常不安全的。同時在美日等國都做過大量的幕墻風洞試驗，并配合理論分析，以求得較嚴密的風壓設(shè)計值供設(shè)計使用。因此，對于設(shè)計風荷載取值的問題，我國還需做大量實驗，并進行理論分析，以期達到安全可靠的設(shè)計。

4.3可靠性分析問題

基于可靠度理論的設(shè)計方法是先進的設(shè)計方法.在玻璃幕墻設(shè)計方法上引入可靠性理論，無疑具有重要的理論意義和實際意義.因此有必要加大對玻璃幕墻的靜力、動力、時變可靠度研究和分析，這必將大大推動玻璃幕墻設(shè)計方法發(fā)展.

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