單層索網(wǎng)點(diǎn)支承式既有玻璃幕墻安全評估分析

徐艷華 張玉萍 黃楠 馮功斌 馬敏波

【摘要】近期，既有建筑幕墻的安全性正被高度關(guān)注。通過對濟(jì)南市某單層索網(wǎng)點(diǎn)支承式既有玻璃幕墻進(jìn)行安全評估，研究了索網(wǎng)點(diǎn)支承式玻璃幕墻外觀及密封膠耐久性、玻璃面板安全性、拉索及支承結(jié)構(gòu)的安全評估方法，并給出了評估結(jié)論及建議。

【關(guān)鍵詞】單層索網(wǎng);點(diǎn)支承式玻璃幕墻;安全評估

單層索網(wǎng)點(diǎn)支承玻璃幕墻能夠充分展示點(diǎn)式玻璃幕墻無遮擋、結(jié)構(gòu)簡單、視野開闊的優(yōu)勢，因而被建筑師廣泛用于機(jī)場航站樓、會(huì)展中心及景觀走廊等建筑的外裝飾，使得整個(gè)建筑晶瑩剔透又雄偉宏大。近期，既有建筑幕墻的安全性正被高度關(guān)注，對用于上述重要公共場所的單層索網(wǎng)點(diǎn)支承既有玻璃幕墻定期進(jìn)行安全評估分析尤為必要[1-3]。

1.工程概況

濟(jì)南市某單層索網(wǎng)點(diǎn)支承玻璃幕墻工程（圖1所示）于2007年建成并投入使用。建筑主體結(jié)構(gòu)為鋼結(jié)構(gòu)，幕墻長度516m，高度14.5m;豎向拉索規(guī)格Ф22mm，跨度14.5m;橫向拉索規(guī)格Ф19.5mm，跨度9m。玻璃面板規(guī)格為10mm+12A+10mm-Low-E鋼化中空玻璃。該幕墻使用過程中未曾發(fā)生過安全事故。由于幕墻投入使用時(shí)間超過10年，業(yè)主委托對該幕墻進(jìn)行安全評估分析。

2.外觀及密封膠耐久性安全評估

對單層索網(wǎng)點(diǎn)支承玻璃幕墻分別從室外及室內(nèi)進(jìn)行整體外觀檢查，檢查結(jié)果如下。

2.1幕墻玻璃板塊無破損及脫落現(xiàn)象;

2.2幕墻東部靠近端部位置兩處玻璃板塊存在明顯色差，經(jīng)檢查其中一塊中空玻璃因內(nèi)部起霧、結(jié)露而產(chǎn)生色差，另外一塊玻璃為后更換中空玻璃與初始安裝玻璃存在色差;

2.3經(jīng)檢測，幕墻豎向密封膠膠縫及幕墻墻面垂直度符合要求，幕墻平面度及膠縫直線度符合要求。

檢查耐候密封膠耐久性發(fā)現(xiàn)，玻璃板塊之間豎向密封膠縫無開裂、起泡及脫膠現(xiàn)象，密封膠有較好的彈性并與玻璃粘接良好。幕墻室外側(cè)玻璃底部收口部位，部分密封膠縫出現(xiàn)開裂現(xiàn)象，如圖2所示。

3.玻璃面板安全評估

玻璃面板通過固定于索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的梅花夾具與索網(wǎng)連接，玻璃面板安全評估包括現(xiàn)場檢查及玻璃結(jié)構(gòu)校核。現(xiàn)場主要檢查玻璃面板的表面應(yīng)力及玻璃與梅花夾具連接可靠性。玻璃結(jié)構(gòu)校核是指校核計(jì)算玻璃面板剛度和強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求的符合性。

3.1現(xiàn)場檢查

3.1.1鋼化玻璃表面應(yīng)力檢測

現(xiàn)場抽取4片鋼化玻璃檢測表面應(yīng)力，檢測結(jié)果見表1。鋼化玻璃表面應(yīng)力檢測結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.1.2玻璃與梅花夾具連接可靠性檢查

現(xiàn)場檢查玻璃與梅花夾具連接情況，室外側(cè)梅花夾具蓋板內(nèi)的緊固螺栓松動(dòng)較普遍。梅花夾具結(jié)構(gòu)形式及防水防松示意圖如圖3所示。前壓板緊固螺栓松動(dòng)，使得壓板與玻璃面板之間出現(xiàn)間隙，玻璃在載荷作用下會(huì)產(chǎn)生晃動(dòng)，從而易導(dǎo)致玻璃破損甚至脫落。

梅花夾具與索網(wǎng)連接螺栓未見明顯松動(dòng)。

3.2玻璃結(jié)構(gòu)校核

校核計(jì)算高度14.5m，依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范計(jì)算該高度位置風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為1.051kN/m2，水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值為0.102kN/m2。水平作用載荷設(shè)計(jì)值組合值為水平風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值與水平地震作用設(shè)計(jì)值二者的組合值。

3.2.1玻璃剛度校核

玻璃剛度校核即計(jì)算風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下玻璃的撓度是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。中空玻璃寬度與高度分格尺寸為1500mm×2300mm，玻璃四角支承于梅花夾具內(nèi)。中空玻璃撓度計(jì)算時(shí)玻璃厚度采用等效厚度，等效厚度計(jì)算值為12mm。采用有限元軟件建模，按照大變形迭代解算方法模擬玻璃面板撓度大小。

玻璃撓度解算結(jié)果最大撓度10.049mm，產(chǎn)生于玻璃面板中心位置。四點(diǎn)支承玻璃撓度許用值為2300/60=38.3mm，玻璃撓度校核結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.2.2玻璃強(qiáng)度校核

玻璃強(qiáng)度校核即為計(jì)算水平載荷設(shè)計(jì)值組合值作用下玻璃的應(yīng)力是否滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。由于中空玻璃內(nèi)外單片玻璃厚度相同，僅校核直接承受水平荷載作用的單片玻璃應(yīng)力大小。直接承受水平荷載大小為水平作用載荷設(shè)計(jì)組合值的0.55倍。

有限元建模后，為了模擬玻璃四角部位約束情況，對玻璃模型四角部位半徑為60mm的1/4圓周區(qū)域施加固定約束。施加水平荷載約束，按照大變形迭代解算方法模擬玻璃面板應(yīng)力大小。

玻璃應(yīng)力解算結(jié)果顯示，面板最大應(yīng)力值出現(xiàn)在梅花夾具邊緣附近，該位置因有應(yīng)力集中作用使得最大應(yīng)力值為59.4MPa。玻璃面板計(jì)算應(yīng)力值小于鋼化玻璃大面強(qiáng)度許用應(yīng)力值，符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

4.拉索及支承結(jié)構(gòu)安全評估

拉索安全評估包括拉索張拉力檢測及索網(wǎng)結(jié)構(gòu)剛度和強(qiáng)度校核，支承結(jié)構(gòu)安全評估主要檢查拉索兩端連接耳板與鋼結(jié)構(gòu)承載件焊縫質(zhì)量以及承載件是否發(fā)生變形損壞等功能障礙。

4.1拉索安全評估

4.1.1拉索張拉力檢測

為了減小風(fēng)荷載對拉索初始張拉力檢測結(jié)果的影響，拉索張拉力檢測選擇無風(fēng)或風(fēng)力較小天氣條件下進(jìn)行?，F(xiàn)場對每跨鋼結(jié)構(gòu)柱之間的豎向拉索抽樣檢測了相鄰兩根拉索的張拉力，抽樣檢測了部分橫向拉索的張拉力。豎向拉索最大張拉力為99.4kN，位置為E38-E39跨第3道豎向拉索。豎向拉索最小張拉力為83.4kN，位置為E21-E22跨第1道豎向拉索。豎向拉索張拉力檢測結(jié)果均大于設(shè)計(jì)初始張拉力（80kN）。

同一塊玻璃面板固定于左右相鄰兩根豎向拉索上，相鄰拉索張拉力差值大小關(guān)系到玻璃面板的安全性。相鄰豎向拉索張拉力差值統(tǒng)計(jì)情況見表2。拉索張拉力差值不大于5kN有43根，差值在5～10kN之間的有14根，差值大于10kN的有2根。

4.1.2索網(wǎng)剛度校核

對相鄰立柱間豎向拉索與橫向拉索組成的索網(wǎng)建立有限元分析模型，通過定義拉索單元實(shí)常數(shù)中的初始應(yīng)變賦予拉索初始張拉力大小。在拉索端部施加固定約束，在索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)施加風(fēng)荷載集中力標(biāo)準(zhǔn)值[4]，按照大變形迭代解算方法解算分析拉索撓度的大小。索網(wǎng)撓度解算結(jié)果如圖4所示。

索結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程規(guī)定“單層平面索網(wǎng)玻璃幕墻的最大撓度與跨度之比不宜大于1/45”，據(jù)此條豎索撓度許用值為14500/45=322.2mm，橫索撓度許用值為9000/45=200mm。豎索與橫索最大撓度值為258.0mm，產(chǎn)生于索網(wǎng)中心位置。豎索撓度滿足規(guī)范要求，橫索撓度不滿足規(guī)范要求。

考慮到玻璃面板對索網(wǎng)體系剛度的貢獻(xiàn)作用[5]，另外建模分析風(fēng)荷載作用下索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)連接梅花夾具支承玻璃面板有限元模型的撓度大小。梅花夾具采用梁單元模擬，設(shè)定中空玻璃單元參數(shù)時(shí)使用其等效厚度值。垂直玻璃面板的水平荷載大小為風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值。解算后，模型撓度云圖如圖5所示。索網(wǎng)最大撓度113.1mm。對比不含玻璃面板時(shí)拉索撓度解算結(jié)果，玻璃面板對于索網(wǎng)體系剛度的貢獻(xiàn)為（258.0-113.1）/258=56.2%。

綜合以上計(jì)算結(jié)果，索網(wǎng)撓度符合規(guī)范要求。

4.1.3索網(wǎng)強(qiáng)度校核

索網(wǎng)強(qiáng)度校核，需要將索網(wǎng)剛度計(jì)算模型中的風(fēng)荷載集中力標(biāo)準(zhǔn)值修改為水平荷載集中力設(shè)計(jì)值，進(jìn)而按照大變形迭代解算方法解算拉索應(yīng)力大小。

分析索網(wǎng)應(yīng)力解算結(jié)果，豎向拉索最大軸向應(yīng)力435.1MPa，位于中間豎索頂部位置，該拉索工作拉力為124.6kN，小于其最小破斷拉力（336.23kN）;橫向拉索最大軸向應(yīng)力378.4MPa，位于中間橫索端部位置，該拉索工作拉力為89.8kN，小于其最小破斷拉力（278.62kN）。索網(wǎng)強(qiáng)度滿足要求。

上述計(jì)算模型拉索初始張拉力大小均為設(shè)計(jì)值，經(jīng)計(jì)算當(dāng)豎向拉索張拉力達(dá)到檢測最大值99.4kN時(shí)，該拉索最大應(yīng)力值為495.7MPa，拉索工作拉力為141.9kN，小于其最小破斷拉力。

4.2支承結(jié)構(gòu)安全評估

索網(wǎng)幕墻支承結(jié)構(gòu)檢查檢測結(jié)果，鋼結(jié)構(gòu)立柱、水平支承鋼柱及拉索耳板鋼材壁厚及防腐處理符合要求，鋼構(gòu)件無變形、損壞現(xiàn)象。拉索兩端連接耳板與鋼結(jié)構(gòu)承載件之間焊縫無裂紋、銹蝕等缺陷。

索網(wǎng)幕墻支承結(jié)構(gòu)安全評估結(jié)果符合要求。

5.結(jié)論及建議

對長期使用的單層索網(wǎng)點(diǎn)支承式既有玻璃幕墻進(jìn)行安全評估分析十分必要。通過這次安全評估分析得出如下結(jié)論及建議：

5.1幕墻外觀及密封膠耐久性安全評估合格，建議對影響使用功能及外觀效果的兩塊玻璃面板進(jìn)行更換，應(yīng)對幕墻室外側(cè)玻璃底部收口處密封膠局部開裂部位重新進(jìn)行注膠修復(fù)。

5.2現(xiàn)場檢查玻璃與梅花夾具連接情況，室外側(cè)梅花夾具蓋板內(nèi)的緊固螺栓松動(dòng)較普遍，建議按照施工圖紙要求在緊固螺釘螺紋涂緊固膠后重新進(jìn)行螺栓緊固。梅花夾具邊緣部位玻璃易產(chǎn)生應(yīng)力集中，應(yīng)保證玻璃面板與夾具之間的橡膠墊片有良好的彈性，避免玻璃應(yīng)力過大而發(fā)生破損。

5.3依據(jù)索網(wǎng)張拉力檢測結(jié)果，個(gè)別相鄰豎向拉索張拉力差值過大，應(yīng)適當(dāng)調(diào)整拉索張拉力。

索網(wǎng)點(diǎn)支承式玻璃幕墻外觀及密封膠耐久性、玻璃面板安全性、拉索及支承結(jié)構(gòu)安全評估的研究，為今后索網(wǎng)點(diǎn)支承式既有玻璃幕墻安全評估的開展積累了經(jīng)驗(yàn)。

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（作者單位：1.山東省建筑科學(xué)研究院;2.濟(jì)南大學(xué)）

【中圖分類號】TU228

【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】【文章編號】1671-3362（2019）07-0054-03