吊掛肋接式全玻幕墻玻璃肋深化設(shè)計(jì)及安裝技術(shù)

裴吉星

（中鐵建設(shè)集團(tuán)有限公司 北京 100040）

1 幕墻工程概況

三亞海棠灣國際購物中心工程，地上三層，建筑主體高度29.7 m，建筑總面積約12萬 m2。幕墻作為一種高級(jí)建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)［1］，本工程建筑幕墻采用全玻幕墻系統(tǒng)、隱框玻璃幕墻系統(tǒng)和隱框金屬幕墻系統(tǒng)。建筑西立面采用吊掛駁接式全玻幕墻系統(tǒng)，整個(gè)結(jié)構(gòu)由上支座、駁接節(jié)點(diǎn)和下支座三個(gè)部分做成。上支座和主體之間的連接采用剛接，上支座和玻璃肋采用專用吊掛式夾具連接，下支座與主體結(jié)構(gòu)采用可滑動(dòng)鉸接連接，如圖1所示。此種結(jié)構(gòu)形式可使下支座不參與受力，只是起到固定玻璃肋的作用，使玻璃肋在完全自由狀態(tài)下工作，可以很好地協(xié)調(diào)主體結(jié)構(gòu)變形對(duì)幕墻位移要求，保證幕墻結(jié)構(gòu)的安全。

一二層間玻璃肋無連接點(diǎn)，采用駁接式的玻璃肋，如圖2、圖3所示。玻璃肋采用19+2.28pvb+19超白鋼化夾膠玻璃，玻璃肋寬0.75 m，總長(zhǎng)度達(dá)18 m，單塊重量約930 kg，對(duì)連接節(jié)點(diǎn)及安裝要求很高。

圖1 吊掛肋接式全玻幕墻結(jié)構(gòu)

圖2 吊掛連接節(jié)點(diǎn)

圖3 駁接連接節(jié)點(diǎn)

2 玻璃肋深化設(shè)計(jì)

按照《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（JGJ 102-2003）中“玻璃幕墻應(yīng)具有足夠的承載能力、剛度、穩(wěn)定性和相對(duì)于主體結(jié)構(gòu)的位移能力［2］27”要求，需要對(duì)全玻幕墻的玻璃肋截面高度、撓度、穩(wěn)定性及連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行深化設(shè)計(jì)并進(jìn)行內(nèi)力驗(yàn)算。

2.1 玻璃肋側(cè)向穩(wěn)定性構(gòu)造深化設(shè)計(jì)

（1）深化設(shè)計(jì)原則：一是在多臺(tái)風(fēng)的環(huán)境下，保證玻璃肋的側(cè)向穩(wěn)定性，防止失穩(wěn)破壞；二是保證外觀效果，滿足通透、開放、自然的效果。

（2）深化設(shè)計(jì)內(nèi)容：玻璃肋穩(wěn)定性驗(yàn)算、穩(wěn)定性加強(qiáng)構(gòu)造措施、外觀設(shè)計(jì)。

玻璃肋截面高度和撓度規(guī)范中給出了具體的計(jì)算公式，且設(shè)計(jì)院在設(shè)計(jì)中已經(jīng)進(jìn)行了內(nèi)力計(jì)算，故在深化設(shè)計(jì)階段沒有對(duì)這兩項(xiàng)進(jìn)行內(nèi)力復(fù)核。

根據(jù)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（JGJ 102-2003）第7.3.7條規(guī)定，對(duì)于高度大于12 m的玻璃肋，應(yīng)進(jìn)行平面外穩(wěn)定驗(yàn)算，必要時(shí)采取防止失穩(wěn)的構(gòu)造措施［2］49。本工程玻璃肋高度12.5 m，按照要求應(yīng)該對(duì)玻璃肋進(jìn)行平面外驗(yàn)算，但是規(guī)范沒有提供驗(yàn)算方法，設(shè)計(jì)院沒有對(duì)側(cè)向穩(wěn)定性進(jìn)行內(nèi)力驗(yàn)算，且沒有采取防止失穩(wěn)的構(gòu)造措施，故需要對(duì)此進(jìn)行二次深化設(shè)計(jì)。

通過查閱資料，澳大利亞的幕墻規(guī)范給出了多種邊界條件下的玻璃肋的整體穩(wěn)定驗(yàn)算［3］，玻璃肋極限側(cè)向屈曲彎矩按式（1）計(jì)算［4］。

式中，y0為側(cè)向約束與中性軸距離，y0＝375 mm；yk為荷載作用點(diǎn)與中性軸的距離，yk＝375 mm；d為玻璃肋寬度，d＝750 mm；L為玻璃肋的高度，L＝12 500 mm；EI為玻璃肋的繞弱軸方向的抗彎剛度，EI＝2.47×1011N／mm2；G為玻璃剪切模量，取3.0×104N／mm2；J為玻璃肋抗扭慣性，J＝13 280 121 mm4。

將數(shù)據(jù)代入公式（1），可得：

玻璃肋受到最大彎矩M＝136 796 875 N·mm＜Ma，滿足要求。

式（1）中沒有考慮風(fēng)荷載作用下對(duì)玻璃肋側(cè)向穩(wěn)定性的影響，三亞地處南部沿海地區(qū)，夏秋兩季臺(tái)風(fēng)較多，為了確保在遇到超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)時(shí)不會(huì)發(fā)生失穩(wěn)破壞，需要在玻璃肋自由邊加上橫向穩(wěn)定裝置來提高玻璃肋穩(wěn)定性［5］。為了保證穩(wěn)定性及外觀效果，駁接點(diǎn)增加兩道鋼支撐，支撐采用不銹鋼管，兩段焊接在駁接點(diǎn)的鋼板上，在焊縫外側(cè)包一層1 mm后磨砂不銹鋼，如圖4、圖5所示。

圖4 玻璃肋斜支撐節(jié)點(diǎn)

圖5 斜支撐安裝實(shí)景

2.2 玻璃肋吊掛連接節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)

（1）深化設(shè)計(jì)原則：節(jié)點(diǎn)受力可靠性、耐久性、玻璃肋受力均勻，防止發(fā)生破壞。

（2）深化設(shè)計(jì)內(nèi)容：與主體結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)、玻璃肋與夾具的連接節(jié)點(diǎn)、吊掛節(jié)點(diǎn)受力驗(yàn)算。

全玻幕墻玻璃肋的一個(gè)設(shè)計(jì)及施工要點(diǎn)就是要保證玻璃肋能夠適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)的相對(duì)位移，不承擔(dān)主體結(jié)構(gòu)傳來的荷載。大跨度玻璃肋系統(tǒng)中，合理的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)十分重要，是關(guān)系到結(jié)構(gòu)體系是否安全的重要因素［6］。如果連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)不合理或者施工工藝沒有達(dá)到設(shè)計(jì)要求，就很容易產(chǎn)生缺陷，從而造成質(zhì)量安全隱患。

2.2.1 吊掛節(jié)點(diǎn)方案選擇

深化設(shè)計(jì)時(shí)考慮采取吊掛夾具直接焊接在主體結(jié)構(gòu)預(yù)埋或后置鋼板上，此種連接方式可以保證夾具受力可靠且施工質(zhì)量容易保證。

玻璃肋與吊掛夾具的連接是本工程的重難點(diǎn)，現(xiàn)有可參考的連接方式主要有以下3種形式：

方案一：采用螺栓與玻璃肋孔壁直接接觸受力，勢(shì)必會(huì)在孔邊引起應(yīng)力集中，導(dǎo)致玻璃孔壁承載力不足而發(fā)生破壞。

方案二：玻璃肋通過兩塊鋼板拼接起來，鋼板和玻璃之間的縫隙填充環(huán)氧樹脂膠，使其成為一個(gè)整體受力，然后通過螺栓固定在吊掛夾具上。此種方式可以在一定程度上提高孔壁處的承載力，但沒有從根本上改變孔邊應(yīng)力集中的現(xiàn)象。此工藝施工難度較大，對(duì)玻璃和鋼板表面平整度要求很高，不然很難保證二者的有效粘結(jié)，且一旦環(huán)氧樹脂膠老化整個(gè)體系就破壞了。

方案三：選用摩擦型高強(qiáng)螺栓來固定玻璃肋，此種方式不靠玻璃孔壁受力，也不靠粘結(jié)力受力，而是通過兩種材料之間的摩擦力受力。此種連接方式是最近新提出的一種連接形式，但是玻璃和鋼材間的摩擦系數(shù)很難確定，相關(guān)文獻(xiàn)和規(guī)范對(duì)此均沒有相關(guān)參數(shù)的說明，計(jì)算可靠性不大。

以上三種連接方式均不適用于本工程，經(jīng)過技術(shù)人員一起討論，對(duì)第二種連接方式進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種新的連接形式，即玻璃肋通過兩塊10mm厚鋼板拼接起來，鋼板和玻璃之間的縫隙填充環(huán)氧樹脂膠和纖維網(wǎng)，用專用螺栓將二者夾緊固定，使其成為一個(gè)整體受力。為了減少玻璃孔邊緣的應(yīng)力集中，在孔壁內(nèi)設(shè)置2 mm純鋁線圈。最后通過不銹鋼高強(qiáng)螺栓將其固定在吊掛夾具上，如圖6所示。

2.2.2 吊掛節(jié)點(diǎn)受力驗(yàn)算

由于設(shè)計(jì)院沒有對(duì)吊掛節(jié)點(diǎn)進(jìn)行受力分析，且本工程選用的連接節(jié)點(diǎn)形式和傳統(tǒng)的連接形式不同，故需要對(duì)此進(jìn)行受力驗(yàn)算。

（1）荷載計(jì)算

①風(fēng)荷載計(jì)算

風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值及設(shè)計(jì)值采用下式計(jì)算：

圖6 玻璃肋吊掛連接節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)

式中，Wk為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN／m2）；W為風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值（kN／m2）；γw為風(fēng)荷載作用分項(xiàng)系數(shù)，取1.4；βgz為風(fēng)振系數(shù)，取1.559；μsl為風(fēng)荷載體型系數(shù)，取1.600；μs2為風(fēng)壓高度變化系數(shù)，取1.479；W0為基本風(fēng)壓，取 0.85 kN／m2。

將數(shù)據(jù)代入公式（2）、（3），可得：

②自重荷載計(jì)算

幕墻構(gòu)件自重標(biāo)準(zhǔn)值GAK取1.00 kN／m2；幕墻構(gòu)件自重設(shè)計(jì)值GA＝γG×GAK＝1.2×1.00＝1.20（kN／m2）。

③地震作用計(jì)算

地震作用標(biāo)準(zhǔn)值及設(shè)計(jì)值采用下式計(jì)算：

式中，qEAK為水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值（kN／m2）；qEA為水平地震作用設(shè)計(jì)值（kN／m2）；γE為地震作用分項(xiàng)系數(shù)，取1.3；β為動(dòng)力放大系數(shù)，取5.0；α為水平地震影響系數(shù)，取0.04。

將數(shù)據(jù)代入公式（4）、（5），可得：

④垂直幕墻面的荷載組合計(jì)算

幕墻所受垂直幕墻面的組合荷載設(shè)計(jì)值：

⑤計(jì)算模型

幕墻玻璃肋按簡(jiǎn)支梁力學(xué)模型進(jìn)行計(jì)算：qL＝q×B＝4.519×1.550＝7.004（kN／m）

（2）反力和螺栓計(jì)算

①支座反力計(jì)算

式中，N為連接處合力設(shè)計(jì)值（kN）；N1為連接處水平力設(shè)計(jì)值，N1＝qL×H／2＝63.040 kN；N2為連接處自重總值設(shè)計(jì)值，N2＝GA×B×H1＝23.25 kN；H為風(fēng)荷載作用下上段和下段玻璃肋計(jì)算跨度和，取18.00 m；H1為下段玻璃肋計(jì)算跨度，取12.50 m。

②螺栓抗剪強(qiáng)度驗(yàn)算，采用下式計(jì)算：

式中，Dvbh為螺栓受剪承載能力（kN）；Nnum為螺栓受剪個(gè)數(shù)，取2個(gè)；Nv為螺栓剪切面數(shù)，取2面；AS為螺栓受剪有效面積，取157.0 mm2；fv為螺栓抗剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取175 N／mm2。

將數(shù)據(jù)代入公式（7）可得：

強(qiáng)度滿足要求。

③連接部位玻璃肋型材壁承壓驗(yàn)算，采用下式計(jì)算：

式中，Ncb1為玻璃肋型材壁承壓力（kN）；D為不銹鋼螺栓直徑，取16 mm；fcb為型材承壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，取325 N／mm2；t為型材壁厚，取10.0 mm。

將數(shù)據(jù)代入公式（8）可得：

強(qiáng)度滿足要求。

2.3 玻璃肋底部節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)

（1）深化設(shè)計(jì)原則：玻璃肋可適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)的相對(duì)位移，不承擔(dān)主體結(jié)構(gòu)傳來的荷載，吊掛節(jié)點(diǎn)承受玻璃幕墻全部重量，底部節(jié)點(diǎn)不參與受力。

（2）深化設(shè)計(jì)內(nèi)容：底部固定形式、確定底部槽口預(yù)留位移空間。

吊掛式玻璃肋系統(tǒng)的受力特點(diǎn)是吊掛節(jié)點(diǎn)承受了玻璃幕墻的全部重量，底部節(jié)點(diǎn)只起到固定玻璃肋的作用，不參與受力。因此玻璃自然垂直，板面平整，在地震或大風(fēng)左右下，整幅玻璃在一定限度內(nèi)作彈性變形，避免應(yīng)力集中造成玻璃破裂。

此種結(jié)構(gòu)方式要求玻璃肋的底部和建筑主體結(jié)構(gòu)之間有一定的空隙，預(yù)留空隙量要大于結(jié)構(gòu)的總沉降量，如果小于結(jié)構(gòu)沉降量，結(jié)構(gòu)變形將對(duì)玻璃肋施加較大應(yīng)力，導(dǎo)致玻璃大面積爆裂，所以需要計(jì)算結(jié)構(gòu)總沉降量，依此確定玻璃肋底部預(yù)留量。

根據(jù)地勘報(bào)告，設(shè)計(jì)院給出結(jié)構(gòu)沉降量在8～13 mm，故底部預(yù)留量取20 mm。在水平風(fēng)荷載作用下，玻璃肋水平位移量為5～8 mm，故左右預(yù)留量取16 mm。為保證玻璃肋底部的穩(wěn)定性，在預(yù)留空隙內(nèi)填充邵氏硬度為60±5的橡膠墊塊，底部深化設(shè)計(jì)如圖7所示。

圖7 玻璃肋底部節(jié)點(diǎn)深化設(shè)計(jì)

3 玻璃肋制作及安裝施工要點(diǎn)

3.1 構(gòu)件加工制作要求

（1）鋼化玻璃各項(xiàng)性能應(yīng)符合相應(yīng)規(guī)定［7］，玻璃肋上下兩端及側(cè)邊必須磨邊處理，因?yàn)樵诓ＡЪ庸み^程中存在有內(nèi)應(yīng)力，吊裝時(shí)玻璃容易和周圍結(jié)構(gòu)碰撞，特別是中下部要臨時(shí)落地受力，如果沒有磨邊處理，很容易在復(fù)雜外力作用下產(chǎn)生裂紋。

（2）玻璃肋和連接鋼板的組裝必須在工廠內(nèi)完成，先將鋼板內(nèi)側(cè)用打磨機(jī)打磨平整，去除毛刺、焊疤、銹跡，并用丙酮徹底清洗。在玻璃肋上纏上一層纖維網(wǎng)，用不銹鋼螺栓將其臨時(shí)固定，注入環(huán)氧樹脂，待完成初期固化后再擰緊螺栓，24 h后方可起運(yùn)。

（3）底部支座槽應(yīng)在工廠加工制作，槽口內(nèi)四周打磨光滑，加工表面粗糙度應(yīng)不低于Ra3.2μm［8］，確保沒有切割毛刺、焊疤、銹跡。玻璃肋與槽口四周的間隙大于16 mm，玻璃肋側(cè)面與槽口壁平行，夾角≤15′，以避免玻璃肋應(yīng)力集中。

3.2 安裝施工要點(diǎn)

3.2.1 后置埋件安裝

幕墻埋件埋設(shè)的好壞與否極大影響著幕墻系統(tǒng)及結(jié)構(gòu)的使用安全，它的埋設(shè)質(zhì)量至關(guān)重要［9］。根據(jù)事先確定的幕墻分格定位圖，將每一道玻璃肋的位置用墨線彈在地面上，然后將埋件的位置投射到結(jié)構(gòu)梁上并做好標(biāo)記。鉆孔前先用鋼筋掃描儀確定鋼筋的位置，鉆孔避開鋼筋，對(duì)于廢孔應(yīng)用化學(xué)錨固膠封閉，深度滿足設(shè)計(jì)要求，孔內(nèi)灰渣用空壓機(jī)和鋼絲刷清理干凈，并用丙酮擦拭孔道，保持孔道干燥。錨栓距結(jié)構(gòu)邊緣的最小距離不小于5d（d為錨栓直徑）。固化完成后要請(qǐng)有資質(zhì)的檢測(cè)單位做抗拉拔試驗(yàn)，抽取數(shù)量按錨栓總數(shù)的1‰計(jì)算，要求不少于 5根［10］。

3.2.2 吊掛連接件焊接

將玻璃肋的中心線位置從地面上精確投射到埋板上，標(biāo)高準(zhǔn)確，上下位置要統(tǒng)一，根據(jù)中心線向兩側(cè)標(biāo)出連接件的定位線，核對(duì)無誤后再進(jìn)行安裝，就位后先點(diǎn)焊固定，再滿焊，采用對(duì)稱施焊法來控制焊接變形。所有連接件安裝完成后，對(duì)中心線和標(biāo)高進(jìn)行統(tǒng)一復(fù)測(cè)，對(duì)焊接造成的偏位、變形進(jìn)行調(diào)整，確保偏差在允許范圍內(nèi)。

3.2.3 玻璃肋安裝

玻璃肋寬750 mm，總長(zhǎng)度達(dá)12.5 m，在安裝過程中，因玻璃撓度過大，極容易發(fā)生玻璃破碎，無法采用常規(guī)的電動(dòng)吸盤吊裝方法進(jìn)行安裝。經(jīng)過討論，技術(shù)人員設(shè)計(jì)出一個(gè)1 m寬，10 m長(zhǎng)的鋼架，用作玻璃肋運(yùn)輸、安裝小車［11］，鋼架頂部安裝防滑橡膠墊，鋼架底部裝有4組8個(gè)活動(dòng)輪，兼作運(yùn)輸時(shí)的平板車。安裝流程如下：

（1）在室內(nèi)搭設(shè)雙排落地式腳手架。安裝電動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)和電動(dòng)葫蘆，卷揚(yáng)機(jī)和電動(dòng)葫蘆的位置要合理，卷揚(yáng)機(jī)安裝在玻璃肋頂部連接點(diǎn)的上方，且略往外偏離30 cm，使鋼架起吊順利，易和玻璃肋分離。電動(dòng)葫蘆安裝在連接點(diǎn)的下方，和玻璃肋在同一個(gè)平面內(nèi)。

（2）將玻璃肋用綁扎帶固定在鋼架上，上中下各一道。要求鋼架的剛度要大，頂面要平整，在鋼架頂部左右兩側(cè)各設(shè)置一個(gè)吊點(diǎn)。起吊前在鋼架頂部左右兩側(cè)各設(shè)置一道纜風(fēng)繩，便于在起吊過程中調(diào)整位置，便于就位。在玻璃肋接駁點(diǎn)設(shè)置一個(gè)吊點(diǎn)，起吊前綁好吊裝帶。

（3）試起吊，將鋼架吊起2～3 cm，檢查玻璃肋和鋼架之間是否固定牢固。

（4）啟動(dòng)卷揚(yáng)機(jī)，使鋼架緩慢移近就位位置，兩條纜風(fēng)繩配合就位避免碰撞。此時(shí)整條玻璃肋已經(jīng)處于懸吊狀態(tài)，離地面大約200 mm左右。

（5）將電動(dòng)葫蘆的掛鉤掛上吊裝帶，起動(dòng)電動(dòng)葫蘆使吊裝帶處于繃緊狀態(tài)。此時(shí)，解除玻璃肋和鋼架之間的綁扎帶，將鋼架緩慢落地。

（6）電動(dòng)葫蘆徐徐提升，左右兩人配合將玻璃肋緩慢拉入吊掛連接件的槽口，穿上螺栓臨時(shí)固定。地面上左右兩人要手扶玻璃肋，將玻璃肋輕輕放入底部固定件槽口內(nèi)，兩面用木塊臨時(shí)固定，防止其晃動(dòng)。

（7）精確調(diào)整玻璃肋的平面位置、標(biāo)高和垂直度，垂直度偏差不大于10 mm，直線度偏差不大于2.5 mm［12］，復(fù)查無誤后擰緊固定螺栓。

4 結(jié)束語

本工程全玻幕墻玻璃肋總高度達(dá)到12.5 m，屬于超高玻璃肋的范疇，三亞地區(qū)臺(tái)風(fēng)較多，偶爾還會(huì)遇到超強(qiáng)臺(tái)風(fēng)，玻璃肋的強(qiáng)度、側(cè)向穩(wěn)定性以及吊掛連接點(diǎn)的可靠性是保證全玻幕墻安全的關(guān)鍵。在工程施工前，必須對(duì)以上三個(gè)方面進(jìn)行受力分析，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙施工，保證幕墻各構(gòu)件的受力狀態(tài)和設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)的受力狀態(tài)一致。