點(diǎn)支承采光頂玻璃面板安全性評(píng)估分析研究

孫雨欣，鄭燕燕，周慶松，劉俊，高治亞

（1.安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院綠色建筑與裝配式建造安徽省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測(cè)站，安徽 合肥 230031）

0 前言

既有建筑采光頂?shù)陌踩栽u(píng)估一直是建筑行業(yè)研究熱點(diǎn)，這其中面板承載力和撓度的計(jì)算又是整個(gè)安全性評(píng)估的重要環(huán)節(jié)。中國(guó)建科院萬(wàn)成龍等[1]提出平行拉索式點(diǎn)支承玻璃幕墻玻璃面板安全檢測(cè)應(yīng)包括結(jié)構(gòu)校核和現(xiàn)場(chǎng)檢查，結(jié)構(gòu)校核可通過(guò)有限元軟件或規(guī)范公式計(jì)算校核。上海交通大學(xué)劉炘煒等[2]提出夾層玻璃底層玻璃的裂紋模態(tài)對(duì)夾層玻璃構(gòu)件的承載方式起著決定性作用，浮法玻璃相比于鋼化玻璃所形成的碎片形狀能更好地形成傳力路徑，并顯著影響夾層玻璃的開裂后強(qiáng)度。鄭州大學(xué)李天[3]提出采光頂支承結(jié)構(gòu)中立柱、主梁等主要受力構(gòu)件對(duì)結(jié)構(gòu)的基本周期有影響，次梁、支撐等非主要受力構(gòu)件截面對(duì)豎向地震作用較其他構(gòu)件影響更大。同濟(jì)大學(xué)張其林等[4]提出點(diǎn)支式夾層玻璃隨著荷載的增加，荷載—位移、荷載—應(yīng)力變化曲線接近于線性。安徽建科院劉俊等[5]提出采用有限元軟件近似計(jì)算矩形鋼立柱抗彎強(qiáng)度和撓度方法是可行的。安徽建科院鄭燕燕等[6]將石材幕墻面板槽口數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果和理論分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果基本一致，三者相互印證了各自的準(zhǔn)確性和有效性，進(jìn)而提出可以采用有限元軟件計(jì)算石材面板槽口抗剪性能?，F(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)[8]中給出均布荷載作用下四點(diǎn)跨中支承矩形板承載能力和撓度計(jì)算公式，但實(shí)際工程中有相當(dāng)一部分采光頂面板采用六點(diǎn)跨中支承方式，對(duì)于這類安裝方式，規(guī)范中的計(jì)算公式較難滿足計(jì)算要求。本文結(jié)合某點(diǎn)支承采光頂玻璃面板安全性評(píng)估實(shí)例，采用有限元分析軟件計(jì)算玻璃面板承載能力和撓度，研究成果為實(shí)際工程中不同類型點(diǎn)支承方式采光頂玻璃面板的安全性能評(píng)估分析方法提供了一定的參考價(jià)值。

1 工程背景

某點(diǎn)支承采光頂標(biāo)高為23.45m，所屬建筑物地面類別為B 類，抗震設(shè)防烈度為7 度，基本雪壓S0=0.5kN/m2，基本風(fēng)壓W0=0.35kN/m2。玻璃面板采用（12+1.14pvb+12）mm 厚鋼化夾層玻璃，支承結(jié)構(gòu)采用大跨度鋼桁架。典型玻璃面板尺寸有Ⅰ類（1500×2000mm）和Ⅱ類（1500×2600mm）兩種，Ⅰ類玻璃面板采用四點(diǎn)跨中支承，Ⅱ類玻璃面板采用六點(diǎn)跨中支承，玻璃面板支承點(diǎn)處均采用浮頭式活動(dòng)駁接頭與四點(diǎn)X 型駁接爪連接（見圖1 所示），相鄰板縫內(nèi)部嵌填密封膠。為了解該采光頂現(xiàn)階段玻璃面板的承載能力，建設(shè)單位委托作者對(duì)該采光頂中典型玻璃面板的安全性能進(jìn)行評(píng)估。

圖1 玻璃安裝節(jié)點(diǎn)實(shí)物圖

2 安全性評(píng)估方法

本采光頂玻璃面板安全性評(píng)估，按構(gòu)件外觀質(zhì)量，構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、變形，構(gòu)件承載能力及剛度（玻璃面板剛度以撓度來(lái)表征）四個(gè)檢驗(yàn)項(xiàng)目分別評(píng)定，最終玻璃面板安全性能取上述四個(gè)檢驗(yàn)項(xiàng)目評(píng)定結(jié)果中最低級(jí)別。

2.1 構(gòu)件外觀質(zhì)量檢查

檢測(cè)方法：主要通過(guò)目視法檢查構(gòu)件及粘接材料外觀質(zhì)量，對(duì)部分連接構(gòu)件拆卸后進(jìn)行功能性檢查。

檢測(cè)結(jié)果：現(xiàn)場(chǎng)抽檢的玻璃面板外觀無(wú)明顯裂紋、缺角和脫膠現(xiàn)象；抽檢的駁接頭、駁接爪及鋼底座外觀無(wú)明顯銹蝕現(xiàn)象；抽檢的浮頭式駁接頭旋轉(zhuǎn)無(wú)明顯卡頓現(xiàn)象；抽檢的密封膠注膠均勻，外觀無(wú)明顯老化、開裂現(xiàn)象。

2.2 構(gòu)件規(guī)格尺寸檢驗(yàn)

檢測(cè)方法：現(xiàn)場(chǎng)采用超聲波測(cè)厚儀和游標(biāo)卡尺，對(duì)抽檢的玻璃面板和駁接爪尺寸進(jìn)行測(cè)量。

檢測(cè)結(jié)果：現(xiàn)場(chǎng)抽檢的駁接爪尺寸基本滿足設(shè)計(jì)250mm×250mm要求，抽檢的鋼化夾層玻璃面板單片厚度基本滿足設(shè)計(jì)厚度12.0mm要求。

2.3 構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、變形檢查

檢測(cè)方法：現(xiàn)場(chǎng)采用游標(biāo)卡尺，并結(jié)合目視法對(duì)抽檢的具有典型代表的Ⅰ類和Ⅱ類玻璃面板安裝節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及變形進(jìn)行檢查。

2.3.1 Ⅰ類玻璃面板

實(shí)際現(xiàn)狀：I類玻璃面板采用四點(diǎn)支承方式，鉆孔直徑約40mm，孔邊距≥70mm，面板角部用浮頭式駁接頭與四點(diǎn)X型駁接爪連接，駁接爪與玻璃面板接觸面用1mm厚襯套及墊圈分隔后再用密封膠密封，單個(gè)駁接爪安裝在直徑44mm鋼座頂部，鋼座底部與主體鋼結(jié)構(gòu)圍焊連接，連接節(jié)點(diǎn)未見明顯松動(dòng)、變形和滑移現(xiàn)象。

（注：原設(shè)計(jì)I 類玻璃面板采用四點(diǎn)支承方式，面板端部用浮頭式駁接頭與四點(diǎn)X 型駁接爪連接，單個(gè)駁接爪安裝在鋼座頂部，鋼座底部與主體鋼結(jié)構(gòu)焊接。）

Ⅰ類玻璃面板安裝節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及變形基本滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3.2 Ⅱ類玻璃面板

實(shí)際現(xiàn)狀：Ⅱ類玻璃面板采用六點(diǎn)支承方式，鉆孔直徑約40mm，孔邊距≥70mm，面板端部和跨中用浮頭式駁接頭分別與四點(diǎn)X 型和二點(diǎn)I型駁接爪連接，駁接爪與玻璃面板接觸面用1mm厚襯套及墊圈分隔后，再用密封膠密封，單個(gè)駁接爪安裝在直徑44mm鋼座頂部，鋼座底部與主體鋼結(jié)構(gòu)圍焊連接，連接節(jié)點(diǎn)未見明顯松動(dòng)、變形和滑移現(xiàn)象。

（注：原設(shè)計(jì)Ⅱ類玻璃面板采用六點(diǎn)支承方式，面板端部和跨中用浮頭式駁接頭分別與四點(diǎn)X 型和二點(diǎn)I 型駁接爪連接，單個(gè)駁接爪安裝在鋼座頂部，鋼座底部與主體鋼結(jié)構(gòu)焊接。）

Ⅱ類玻璃面板安裝節(jié)點(diǎn)構(gòu)造及變形基本滿足設(shè)計(jì)要求。

綜合上述檢查結(jié)果，抽查的點(diǎn)支承采光頂玻璃面板構(gòu)件規(guī)格尺寸基本符合設(shè)計(jì)要求，構(gòu)件外質(zhì)量滿足相關(guān)規(guī)范要求，面板支承節(jié)點(diǎn)安裝方式、構(gòu)造及變形情況基本滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

3 荷載分析計(jì)算

參考文獻(xiàn)[8～10]計(jì)算得到面板正負(fù)風(fēng)壓設(shè)計(jì)值W±=±0.001917N/mm2；雪荷載設(shè)計(jì)值S=0.00075N/mm2；活荷載設(shè)計(jì)值Q=0.00075N/mm2。內(nèi)、外片玻璃自重標(biāo)準(zhǔn)值GAK1=GAK2=0.000307N/mm2，自重設(shè)計(jì)值GA1=GA2=0.000368N/mm2。內(nèi)、外片玻璃風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值WK1=WK2=0.000639N/mm2，風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值W1=W2=0.000958N/mm2。內(nèi)、外片玻璃雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值SK1=SK2=0.00025N/mm2，雪荷載設(shè)計(jì)值S1=S2=0.000375N/mm2。內(nèi)、外片玻璃活荷載標(biāo)準(zhǔn)值QK1=QK2=0.00025N/mm2，活荷載設(shè)計(jì)值S1=S2=0.000375N/mm2。荷載組合標(biāo)準(zhǔn)值qk1=0.001121N/mm2，設(shè) 計(jì) 值 q1=0.001588N/mm2。

有限元分析與公式計(jì)算結(jié)果對(duì)比 表2

4 有限元建模分析

4.1 模型建立

采用有限元軟件中靜力學(xué)分析板塊，采用考慮了有限的膜應(yīng)變和任意大轉(zhuǎn)動(dòng)的單元，建立單片玻璃面板分析模型，分析模型采用自由技術(shù)進(jìn)行劃分網(wǎng)格，模型相關(guān)參數(shù)詳見表1所示。

有限元模型相關(guān)參數(shù) 表1

玻璃面板點(diǎn)支承部位施加x、y、z 三個(gè)方向的位移約束，同時(shí)釋放x、y、z 三個(gè)方向轉(zhuǎn)動(dòng)約束。在面板1 和面板3 的面法線方向施加均布荷載q=0.001588N/mm2，在面板2 和面板4 的面法線方向施加均布荷載q=0.001121N/mm2，荷載和邊界條件如圖2 和圖4 所示，網(wǎng)格劃分如圖3 和圖5 所示。中支承和六點(diǎn)跨中支承玻璃面板，分析結(jié)果顯示最大應(yīng)力均出現(xiàn)在支承點(diǎn)附近，且數(shù)值均滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)值42N/mm2要求；最大撓度計(jì)算值均滿足撓度限值df,lim=l/60 要求。對(duì)比計(jì)算結(jié)果可知，六點(diǎn)跨中支承面板撓度分析值相較于四點(diǎn)跨中支承面板大大減小。實(shí)際工程中采用單塊四點(diǎn)支承玻璃面板的撓度超限時(shí)，可以考慮將相鄰兩塊面板改用一塊六點(diǎn)跨中支承面板代替，并重新進(jìn)行承載能力和撓度計(jì)算。

圖2 Ⅰ類板荷載和邊界條件圖

圖3 Ⅰ類板網(wǎng)格劃分

圖4 Ⅱ類板荷載和邊界條件圖

圖5 Ⅱ類板網(wǎng)格劃分

4.2 分析結(jié)果

圖6 面板1應(yīng)力圖

圖7 面板2變形圖

圖8 面板3應(yīng)力圖

圖9 面板4變形圖

5 結(jié)論

本文對(duì)采光頂玻璃面板按構(gòu)件外觀質(zhì)量，構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、變形，構(gòu)件承載能力及剛度四個(gè)檢驗(yàn)項(xiàng)目分別評(píng)定，得出下列主要結(jié)論：

①玻璃面板外觀質(zhì)量，構(gòu)件連接節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、變形滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求；

②有限元分析結(jié)果顯示四點(diǎn)和六點(diǎn)跨中支承玻璃面板最大應(yīng)力部位均在支承點(diǎn)附近，且應(yīng)力計(jì)算結(jié)果均滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)值要求；最大撓度計(jì)算值均滿足撓度限值要求；

③實(shí)際工程中采用單塊四點(diǎn)支承玻璃面板的撓度超限時(shí)，可以考慮將相鄰兩塊面板改用一塊六點(diǎn)跨中支承面板代替，并進(jìn)行承載能力和撓度計(jì)算；

④本文研究結(jié)果為實(shí)際工程中，不同點(diǎn)支承方式采光頂玻璃面板的承載力和撓度計(jì)算分析方法提供了一定的參考價(jià)值。