大跨度全玻幕墻系統(tǒng)技術(shù)分析

朱江

摘 要：大跨度全玻幕墻系統(tǒng)是以?shī)A膠鋼化玻璃為面板，以金屬桿件、玻璃肋及橫豎向穩(wěn)定鎖為組合支撐系統(tǒng)，通過(guò)支撐組合系統(tǒng)將力傳遞到主體結(jié)構(gòu)上的建筑幕墻。本文通過(guò)我司承建的項(xiàng)目實(shí)例，分析了較為復(fù)雜受力情況下，大跨度全玻幕墻的設(shè)計(jì)要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：夾膠鋼化玻璃；不銹鋼吊夾；穩(wěn)定拉鎖

一、大跨度全玻幕墻案列分析

我司承建的大跨度全玻幕墻系統(tǒng)用于宴會(huì)廳外立面，豎向高度為12m，寬度為2.5m。面板玻璃采用15mm超白鋼化+2.28PVB+12mm超白鋼化夾膠彩釉玻璃，玻璃肋采用19 +1.52PVB+19超白鋼化夾膠玻璃。

在前期方案討論階段，有以下三種方案：

1.玻璃面層采用整塊玻璃，即單片玻璃為寬度2.5m，高度12m，該方案結(jié)構(gòu)形式單一，設(shè)計(jì)相對(duì)簡(jiǎn)單，受力模型較為明確。但是咨詢玻璃廠家后，這種超常規(guī)的玻璃面板供貨周期長(zhǎng)、成本高，施工中運(yùn)輸、安裝都存在較大的風(fēng)險(xiǎn)，包括后期的玻璃破損更換成本都是要高出普通玻璃幾倍。綜合考慮成本及安裝風(fēng)險(xiǎn)等因素，該方案未被采用。

2.玻璃面板采用兩片拼接，即單片玻璃寬度為2.5m，高度為6m，上下兩片玻璃通過(guò)鋼板拼接成一塊，所有重力傳到頂部的吊掛構(gòu)件上。該方案材料及安裝成本相對(duì)而言，稍低于第1種方案，但是上下兩片玻璃的拼接構(gòu)件較為復(fù)雜，存在安全隱患，故該方案未被采用。

3.綜合考慮前兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，最終采用兩片玻璃各自受力的形式，上片玻璃吊掛，下片玻璃落地的設(shè)計(jì)思路，既可以解決大玻璃板塊的高成本，也可以達(dá)到合理受力的目的。

本工程面板規(guī)格（面板寬度2.5m，高度6m）、自重（面板重1036kg，肋玻璃重263kg）較大，并且是上、下兩片玻璃拼接的大跨度全玻幕墻，總豎向跨度12m，受力較大且復(fù)雜，在綜合分析該幕墻受力后，在傳統(tǒng)的單片全玻幕墻的受力模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行優(yōu)化。傳統(tǒng)的落地式，上片玻璃自重需要傳遞到下片玻璃，上、下片玻璃拼接處連接較為復(fù)雜，受力穩(wěn)定性也不理想；如果采用吊掛式，上端的吊夾受力增大一倍，下片玻璃傳力至上片玻璃的構(gòu)造也存在風(fēng)險(xiǎn)，另外當(dāng)上片玻璃自爆后，下片玻璃將失去支撐，存在較大的安全隱患。綜上，本工程采用上片玻璃吊掛，下片玻璃落地的設(shè)計(jì)理念，大樣詳見下圖：

上端連接構(gòu)造分析：

上片玻璃面板及玻璃肋均采用吊掛式，使上片玻璃自重由上端吊夾支撐，后端玻璃肋承擔(dān)水平力，上端吊掛由雙面不銹鋼夾板、無(wú)紡布加環(huán)氧樹脂專用結(jié)構(gòu)膠、不銹鋼螺栓組合件配合使用。結(jié)構(gòu)膠使玻璃與不銹鋼吊夾充分粘結(jié)，并且避免了玻璃與不銹鋼板的剛性接觸，螺栓穿過(guò)玻璃與鋼板，主要承擔(dān)玻璃的自重。該設(shè)計(jì)使玻璃自重在結(jié)構(gòu)膠與吊夾結(jié)構(gòu)作用下，存在著雙保險(xiǎn)的效果。整個(gè)吊夾隱藏在鋁板吊頂內(nèi)，復(fù)雜的受力構(gòu)件完全不影響外觀效果，巧妙地增加了整個(gè)全玻幕墻的通透與整潔。

中間連接構(gòu)造分析：

中間支撐根據(jù)建筑師的要求，盡可能的弱化該部分的可視性能，以滿足受力要求而不影響外觀效果為主要設(shè)計(jì)思路?；诖?，中部支撐構(gòu)件采用特制細(xì)長(zhǎng)不銹鋼桿件，前端夾住上、下片玻璃，后端焊接于主體鋼結(jié)構(gòu)上。該桿件不承受玻璃自重，主要承擔(dān)玻璃的水平力。

中間支撐桿件設(shè)計(jì)的巧妙構(gòu)思主要有以下三點(diǎn)：

1.經(jīng)結(jié)構(gòu)計(jì)算，只承擔(dān)水平力的情況下，該不銹鋼板高度只需要150mm，細(xì)長(zhǎng)圓桿為直徑60mm，遠(yuǎn)小于最初構(gòu)思的1500mm高度，尺寸了縮小了近10倍。

2.橫、豎向穩(wěn)定拉索通過(guò)構(gòu)件中的圓孔夾緊，橫向φ10拉索與水平玻璃縫隙同一高度，豎向φ10拉索與玻璃豎向縫隙等分格設(shè)置，即所有拉索都設(shè)置在玻璃縫隙后面，不會(huì)打斷玻璃的整體性外觀。

3.桿件噴涂成淺色系，透過(guò)玻璃觀看，基本不影響建筑外觀的通透性；整體效果得到了建筑師的充分肯定。

下端連接構(gòu)造分析：

下片玻璃采用落地式設(shè)計(jì)，讓玻璃自重直接落在鋼槽內(nèi)，上端用不銹鋼支撐桿件支撐，后端用玻璃肋承受水平力，整個(gè)支撐構(gòu)造都隱藏于鋁板面層內(nèi)。

二、玻璃面板與連接件結(jié)合處設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

本工程玻璃面板與不銹鋼連接件之間的連接采用的是雙保險(xiǎn)設(shè)計(jì)，即螺栓可承受玻璃面板的重力，環(huán)氧樹脂膠也可承受玻璃面板的重力。鋼化夾膠玻璃面板用兩片不銹鋼連接件夾住，結(jié)合面設(shè)置無(wú)紡布和環(huán)氧樹脂膠，用三組M20的螺栓夾緊不銹鋼板和玻璃面板，螺栓穿過(guò)的玻璃孔內(nèi)需要設(shè)置尼龍?zhí)?，尼龍?zhí)着c玻璃面板之間、尼龍?zhí)着c螺栓之間灌注環(huán)氧樹脂膠，避免玻璃孔的應(yīng)力集中。在單獨(dú)驗(yàn)算螺栓承受重力、單獨(dú)驗(yàn)算環(huán)氧樹脂膠承受重力均能夠滿足要求的前提下，通過(guò)玻璃與不銹鋼板間粘接環(huán)氧樹脂膠、三組M20的螺栓共同受力，承擔(dān)玻璃的重力，可預(yù)防螺栓與玻璃孔位置不均勻受力、環(huán)氧樹脂膠失效的風(fēng)險(xiǎn)。

環(huán)氧樹脂膠單獨(dú)承受玻璃面板重力時(shí)，膠剪切力的驗(yàn)算：

本工程采用的是強(qiáng)力環(huán)氧膠，根據(jù)廠家的技術(shù)報(bào)告，此類產(chǎn)品的剪切強(qiáng)度在20MPa（2x107N/m2）左右。

本工程中面板產(chǎn)生的剪切力 =G/4A

式中

G——單塊玻璃的重量（N）

A——單個(gè)不銹鋼連接件與玻璃的接觸面積（m2）

G=69.12Kg/m2X2.5mX6mX10N/Kg=10360N

A=4x350x130x10-6m2=0.182m2

=10360N/0.182m2=5.7x104N/m2<2x107N/m2

由計(jì)算可知，環(huán)氧樹脂膠滿足承載玻璃面板重力的要求。

螺栓單獨(dú)承受玻璃面板重力時(shí)，玻璃孔局部受力驗(yàn)算：

面板鋼連接件承受玻璃自重，因此面板玻璃開孔處，玻璃與螺栓接觸面上的局部支承應(yīng)力可以采用下式驗(yàn)算（單個(gè)鋼件螺栓數(shù)設(shè)置3個(gè)，但考慮兩點(diǎn)決定一條直線的原理，計(jì)算時(shí)取2個(gè)，即每塊玻璃面板重力由4個(gè)M20螺栓共同承擔(dān)）：

G=G/4bt≤[fgb]

式中

G——玻璃與螺栓接觸面上的局部支撐應(yīng)力（N/mm2）；

G——單塊玻璃的重量（N）；

b——玻璃孔徑；

t——玻璃厚度；

[fgb]——面板玻璃的邊緣強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2）。

G=69.12Kg/m2X2.5mX6mX10N/Kg=10360N

G=10360/（4x30x27）=3.2N/mm2≤41.3N/mm2

由計(jì)算可知，螺栓連接滿足承載玻璃面板重力的要求。

三、結(jié)語(yǔ)

大跨度全玻幕墻系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于實(shí)際工程，設(shè)計(jì)方案也是千變?nèi)f化，相關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)也對(duì)該類型幕墻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)有著很好的指導(dǎo)作用。但是結(jié)構(gòu)安全與建筑美學(xué)的實(shí)現(xiàn)需要合理的構(gòu)造設(shè)計(jì)，上吊掛式、下落地式的設(shè)計(jì)思路可有效解決部分大跨度全玻幕墻的難題。

參考文獻(xiàn)

[1] 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范.廣東：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2014.

[2] 建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2015.

（作者單位：深圳中航幕墻工程有限公司）