某既有玻璃幕墻面板承載力和剛度計(jì)算與分析

程 晨 (安徽體育運(yùn)動(dòng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230051）

0 前言

中空玻璃面板由內(nèi)、外兩層玻璃和間隔條系統(tǒng)組成，玻璃與間隔條（內(nèi)部注入分子篩）通過(guò)多道密封膠粘接而成，因其具有節(jié)能保溫、隔音及采光好等優(yōu)點(diǎn)而在工程中應(yīng)用廣泛。李會(huì)等[1]提出中空玻璃熱傳遞性能的計(jì)算結(jié)果受玻璃邊界條件影響較大，分析了中、美標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算結(jié)果差異原因，對(duì)國(guó)內(nèi)計(jì)算軟件中邊界定義取值進(jìn)行分析比較，并建議采用NFCR 標(biāo)準(zhǔn)中的默認(rèn)情況。饒永[2]提出影響建筑室內(nèi)冷熱模式的主要參數(shù)為空氣濕度、空氣溫度、建筑外部氣流和太陽(yáng)能輻射等四個(gè)方面，介紹了夏季傳入室內(nèi)的主要熱源，雖然玻璃幕墻可以大大改善建筑能耗效果，但其由于光的反射可能會(huì)導(dǎo)致其他建筑吸收，這樣將產(chǎn)生二次光污染，因此在具體工程中玻璃幕墻的采用及選型應(yīng)專門(mén)研究分析。趙佳男等[3]提出中空玻璃撓度計(jì)算時(shí)可以將其等效厚度的方法看作一個(gè)整體進(jìn)行撓度計(jì)算，并且驗(yàn)證了該方法的可行性；通過(guò)試驗(yàn)和理論計(jì)算分析得出《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（JGJ102-2003）與《點(diǎn)支式玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（CECS127：2001）在玻璃應(yīng)力和位移計(jì)算公式的差別，并建議實(shí)際工程中應(yīng)采用JGJ102-2003 規(guī)范進(jìn)行內(nèi)外片荷載的分配，再通過(guò)CECS:2001 標(biāo)準(zhǔn)公式計(jì)算玻璃面板的最大應(yīng)力。萬(wàn)成龍等[4]在現(xiàn)有的光譜研究理論基礎(chǔ)上，依據(jù)相關(guān)規(guī)范通過(guò)數(shù)值模擬的方法研究了間隔條暖邊、內(nèi)部惰性氣體、玻璃表面涂層及真空這四個(gè)參數(shù)對(duì)中空玻璃熱工性能的影響，研究結(jié)果對(duì)實(shí)際工程設(shè)計(jì)有較好的參考意義。萬(wàn)成龍等[5]結(jié)合既有拉索玻璃幕墻開(kāi)展安全性評(píng)估案例，采用有限元分析方法計(jì)算案例中玻璃幕墻夾層面板的承載力和剛度，計(jì)算結(jié)果顯示玻璃面板內(nèi)外片應(yīng)力均滿足規(guī)范要求，玻璃面板中心最大撓度采用等效厚度方法算得撓度值小于規(guī)范限值，表明現(xiàn)階段該幕墻玻璃面板承載力和剛度均滿足規(guī)范要求。

上述文獻(xiàn)內(nèi)容中關(guān)于中空玻璃面板的計(jì)算研究多集中于熱工性能和點(diǎn)支式夾層面板承載力及剛度校核板塊，未見(jiàn)關(guān)于框支承中空玻璃面板規(guī)格厚度及平面尺寸參數(shù)，對(duì)承載能力和剛度影響的相關(guān)研究，本文以某既有玻璃幕墻為案例，對(duì)不同規(guī)格厚度的中空玻璃面板承載力和撓度進(jìn)行計(jì)算對(duì)比，得出現(xiàn)階段該既有玻璃面板安全狀況及不同規(guī)格厚度和平面尺寸參數(shù)對(duì)玻璃面板承載力和剛度的影響。本文的研究成果可以為實(shí)際幕墻中玻璃面板設(shè)計(jì)選型及安全性評(píng)估環(huán)節(jié)中計(jì)算方法提供一定的參考價(jià)值。

1 工程概況

某既有玻璃幕墻工程標(biāo)高為18.6m，主體采用鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，所在地基本風(fēng)壓為0.35kN/m2，基本雪壓為0.6kN/m2，抗震設(shè)防烈度為7度，地震峰值加速度為0.1g，場(chǎng)地類型為C 類。建筑外立面采用全隱框玻璃幕墻，面板均采用雙鋼化中空玻璃，厚度規(guī)格分為（6+12A+6）mm 和（6+12A+8）mm 兩種；面板主要分格尺寸分為1200mm×1500mm 和1200mm×1800mm 兩種，具體玻璃面板規(guī)格厚度及對(duì)應(yīng)的分格尺寸見(jiàn)表1 所示。該幕墻自建成至今已有15 年，為了解現(xiàn)階段該幕墻玻璃面板安全狀況，作者對(duì)上述幕墻中空玻璃面板現(xiàn)階段承載力和剛度進(jìn)行計(jì)算分析。

中空玻璃面板規(guī)格參數(shù)表 表1

2 荷載分析計(jì)算

本節(jié)詳細(xì)列舉玻璃面板A-1 承載力和剛度的計(jì)算過(guò)程，玻璃面板A-2 和玻璃面板A-3 相關(guān)參數(shù)計(jì)算過(guò)程與玻璃面板A-1 相同，所以本節(jié)不再重復(fù)列出玻璃面板A-2 和玻璃面板A-3 的計(jì)算過(guò)程。

2.1 風(fēng)荷載計(jì)算

2.1.1 玻璃面板風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Wk

按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB50009-2012）要求，視玻璃面板為直接承受風(fēng)荷載的圍護(hù)構(gòu)件，體型系數(shù)不進(jìn)行折減。故此，本工程（封閉式建筑物）墻面負(fù)壓區(qū)體型系數(shù)取值為μs1=1+ 0.2= 1.2。

按規(guī)范規(guī)定，玻璃面板風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)按下式計(jì)算，并且不應(yīng)小于1kN/m2

按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》（GB50068-2018）第8.2.9 條取風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)為1.5，所以作用在幕墻上的風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值W=1.5kN/m2。

2.2 水平地震作用計(jì)算

按現(xiàn)行的玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范要求，垂直于幕墻平面的分布水平地震標(biāo)準(zhǔn)值可按式qEk=βE×αmax× Gk/A。

2.3 外片玻璃荷載計(jì)算

按現(xiàn)行的玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范要求，分配到外片玻璃的荷載組合的標(biāo)準(zhǔn)值（N/mm2）和荷載組合的設(shè)計(jì)值（N/mm2）分別為：

2.4 內(nèi)片玻璃荷載計(jì)算

同本文2.3 節(jié)的荷載分配理論計(jì)算，分配到內(nèi)片玻璃的荷載組合的標(biāo)準(zhǔn)值（N/mm2）和荷載組合的設(shè)計(jì)值（N/mm2）分別為：

①分配到內(nèi)片玻璃的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值

3 承載力和撓度計(jì)算

3.1 承載力計(jì)算

按現(xiàn)行的玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范要求，查閱規(guī)范得到內(nèi)、外片鋼化玻璃強(qiáng)度折減系數(shù)∩分別為12.911 和11.778，彎矩系數(shù)m 為0.0628，玻璃面板在風(fēng)荷載和水平地震作用組合下，玻璃面板截面最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如下。

①中空玻璃外片玻璃產(chǎn)生的最大應(yīng)力：

計(jì)算結(jié)果顯示內(nèi)片玻璃強(qiáng)度滿足規(guī)范要求。

3.2 剛度計(jì)算

按現(xiàn)行國(guó)家規(guī)范《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（JGJ102-2003），正常使用狀態(tài)下，幕墻構(gòu)件的變形或撓度驗(yàn)算時(shí)，一般不考慮不同作用效應(yīng)的組合，地震作用效應(yīng)相對(duì)于風(fēng)荷載較小，不單獨(dú)進(jìn)行地震作用下結(jié)構(gòu)的變形驗(yàn)算，因此玻璃面板在風(fēng)荷載作用下，玻璃面板跨中最

計(jì)算結(jié)果顯示中空玻璃面板的跨中最大撓度滿足規(guī)范要求。

4 計(jì)算結(jié)果對(duì)比分析

通過(guò)上述理論公式計(jì)算得出玻璃面板A-1、玻璃面板A-2 及玻璃面板A-3在風(fēng)荷載及地震作用組合下，其承載力和剛度計(jì)算結(jié)果，具體數(shù)值詳見(jiàn)表2 所示。

中空玻璃面板計(jì)算結(jié)果 表2

承載力和撓度計(jì)算結(jié)果顯示，該幕墻3 種典型中空玻璃面板現(xiàn)階段承載力和撓度均滿足規(guī)范要求，無(wú)需進(jìn)行處理，后期使用過(guò)程中應(yīng)定期進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常情況（如玻璃破裂、密封性能失效、脫落等）時(shí)應(yīng)及時(shí)進(jìn)行有效處理。玻璃面板A-2 與玻璃面板A-1 平面分格尺寸相同，但外片玻璃厚度增加2mm，計(jì)算結(jié)果顯示其承載力最小富余系數(shù)提高2.6%，撓度富余系數(shù)提高9.8%，表明剛度（用撓度表征）較承載力提高效果顯著。玻璃面板A-3 與玻璃面板A-2 內(nèi)外片厚度規(guī)格相同，但平面尺寸延長(zhǎng)邊增加300mm（比例關(guān)系：A-3 板的長(zhǎng)邊/短邊=1.5，A-2 板的長(zhǎng)邊/短邊=1.8），計(jì)算結(jié)果顯示其承載力最小富余系數(shù)降低3%，撓度富余系數(shù)降低4.5%，剛度（用撓度表征）較承載力降低明顯。

通過(guò)上述結(jié)算結(jié)果對(duì)比分析，玻璃幕墻墻面中空玻璃面板規(guī)格厚度和平面尺寸參數(shù)對(duì)面板承載力和撓度均有不同程度的影響。具體如下：隨著單片玻璃厚度的降低，其承載力和剛度均有不同程度降低，但剛度降低效果較承載力顯著，建議工程造價(jià)允許的情況下，采用厚度較大的玻璃，可以有效提高玻璃承載力和剛度，以降低玻璃面板服役過(guò)程中破裂風(fēng)險(xiǎn)。隨著玻璃面板長(zhǎng)邊/短邊數(shù)值的增加，其承載力和剛度均有不同程度降低，但剛度降低幅度較承載力顯著，建議實(shí)際工程中盡量減少大跨度玻璃面板的應(yīng)用，面板分格尺寸應(yīng)重點(diǎn)研究決定。

5 研究結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)某既有玻璃幕墻面板承載力和剛度進(jìn)行計(jì)算對(duì)比分析，得出主要研究結(jié)論如下：

①玻璃幕墻面板現(xiàn)階段承載力和撓度均滿足規(guī)范要求，使用過(guò)程中應(yīng)定期進(jìn)行維護(hù)保養(yǎng)，發(fā)現(xiàn)異常情況時(shí)，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行處理；

②玻璃幕墻墻面中空玻璃面板規(guī)格厚度和平面尺寸參數(shù)對(duì)面板承載力和撓度均有不同程度的影響，隨著單片玻璃厚度的增加，其承載力和剛度均有不同程度提高，但剛度提高效果較承載力明顯；隨著玻璃面板長(zhǎng)邊/短邊數(shù)值的增加，其承載力和剛度均有不同程度降低，但剛度降低幅度較承載力顯著，因此玻璃幕墻施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格把控面板規(guī)格尺寸；

③本文的研究成果可以為實(shí)際幕墻的玻璃面板設(shè)計(jì)選型及安全性評(píng)估環(huán)節(jié)中計(jì)算方法提供一定的參考價(jià)值。