幕墻中空夾層玻璃受力問題的數(shù)值分析

劉和國

（南京市建筑工程質(zhì)量安全監(jiān)督站，江蘇 南京 210007）

0 引言

隨著我國城市化建設(shè)的不斷深入，越來越多的高層建筑如雨后春筍般在各大城市不斷涌現(xiàn)，玻璃幕墻憑借其外表美觀、結(jié)構(gòu)牢固、節(jié)能環(huán)保的優(yōu)勢得到越來越多高層建筑設(shè)計師的青睞。就南京市區(qū)而言，絕大部分超高層建筑均采用玻璃幕墻的外觀設(shè)計。而玻璃幕墻的受力變形問題一直都是學(xué)者研究的熱點，特別是在受沖擊載荷作用下的動態(tài)響應(yīng)問題。

根據(jù) JGJ 113－2015《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》中第 7.2.5 條的規(guī)定，當(dāng)欄板玻璃最低點距離一側(cè)樓的地面高度大于 5 m 時，不能使用直接承受水平荷載的欄桿玻璃。同時 JGJ 102－2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》也規(guī)定當(dāng)與玻璃幕墻相鄰的樓面外緣無實體墻時，應(yīng)設(shè)置防撞設(shè)施。對高層建筑幕墻而言，一般三層及以上建筑高度均大于 5 m，因此必須在玻璃幕墻內(nèi)側(cè)設(shè)置防撞護欄。而在實際的工程實踐中，特別是在一些高層酒店的設(shè)計中，防撞護欄的設(shè)置均在一定程度上影響到室內(nèi)空間的使用與室內(nèi)的裝飾效果。因此本文結(jié)合某實際工程，建立相關(guān)有限元模型分析其在受沖擊載荷作用下的響應(yīng)問題，對高層建筑幕墻室內(nèi)不設(shè)防撞護欄問題進行了討論。

1 模型分析

該工程為南京某新建高層辦公大樓，大樓設(shè)計外裝飾為框架式玻璃幕墻系統(tǒng)，幕墻玻璃選用為 6+12A（空氣）+6 中空鋼化玻璃。

1.1 模型建立

根據(jù)該工程實際情況，建立了一塊 6+12A+6 中空玻璃板模型，模型寬度為 1.45 m，高度為 3.33 m，相關(guān)玻璃力學(xué)參數(shù)如表 1 所示。

表1 玻璃的力學(xué)參數(shù)

幕墻玻璃屬于典型的脆性材料，主要的破壞形式為受拉破壞，受剪切作用較小，其本身具有典型的線彈性材料特征，因此在模型建立過程中將其視作理想的線彈性材料。模型邊界條件按內(nèi)外側(cè)玻璃片四周固支考慮。中空夾層玻璃中的空氣層在實際的受力作用中起到傳遞垂直玻璃表面荷載的作用，根據(jù)馬贏等［1-5］的研究成果，可將其視作兩節(jié)點的彈簧單元處理。本文在玻璃的內(nèi)片與外片之間均布了 133 個彈簧單元模擬空氣層的壓縮行為，彈簧單元的彈性模量如式（1）所示。

式中：k為每個彈簧單元的剛度，N/mm；Pi為中空玻璃內(nèi)片上分配到的外荷載，N；P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，Pa；A為玻璃表面積，m2；d0為空氣層的初始厚度，mm；n為彈簧單元的個數(shù)。本文討論的是在內(nèi)片玻璃施加沖擊荷載作用下的響應(yīng)問題，以受風(fēng)載為準(zhǔn)計算得到每個彈簧單元的剛度為 313 N/mm。本文建立的添加彈簧單元前后的有限元模型如圖 1 所示。

圖1 添加彈簧單元前后的有限元模型

1.2 沖擊載荷響應(yīng)

本文模擬一個身高 1.8 m，體重 100 kg 的男子以 3 m/s 的速度撞擊玻璃幕墻，在 0.2 s 內(nèi)完成撞擊。由動量守恒定律Ft=mΔv，F(xiàn)×0.2s=100 kg×3 m/s，沖擊力F取 1.5 kN。根據(jù) DGJ 08－56－2012《上海市建筑幕墻工程技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定，取最大沖擊系數(shù) 1.5，荷載分項系數(shù) 1.4，最后疊加的沖擊荷載為 1.5×1.4×1.5=3.15 kN。在計算中，取 1.3 m 高處0.18 m×0.18 m 的區(qū)域模擬人肩膀沖擊玻璃的區(qū)域，該區(qū)域內(nèi)模擬 3.15 kN/（0.18 m×0.18 m）=97.22 kPa 在 0.2 s 內(nèi)的沖擊過程，相關(guān)的加載曲線與加載圖分別如圖 2、圖 3 所示。

圖2 0.2 s 內(nèi)的加載曲線

圖3 模型的加載圖

最終計算出的內(nèi)外片玻璃的最大應(yīng)力云圖、最大位移云圖如圖 4、圖 5 所示。

圖4 內(nèi)外片玻璃的最大應(yīng)力云圖

圖5 沖擊荷載作用下內(nèi)外片玻璃位移云圖

由圖 4、圖 5 可以看出由于沖擊荷載施加在靠近內(nèi)片玻璃的下側(cè)，內(nèi)外片玻璃最大應(yīng)力均出現(xiàn)在玻璃片的底部位置，且內(nèi)片玻璃的應(yīng)力大于外片玻璃。而內(nèi)外片玻璃最大撓度的出現(xiàn)的位置均近似在沖擊荷載加載所在平面的中部，且內(nèi)片玻璃的撓度大于外片玻璃的撓度。且加載過程中出現(xiàn)的最大應(yīng)力 0.527 3 MPa≤84 MPa，最大撓度 0.709 5 mm≤20 mm，均符合設(shè)計要求。

分別提取內(nèi)片玻璃受力最大單元與變形最大單元進行動態(tài)分析，得到其應(yīng)力隨加載時間變化圖、位移隨時間變化如圖 6、圖 7 所示。

圖6 內(nèi)片玻璃最不利單元應(yīng)力變化圖

圖7 內(nèi)片玻璃最不利節(jié)點位移變化圖

由圖 6、圖 7 可見內(nèi)片玻璃最不利單元的應(yīng)力隨時間變化曲線、最不利節(jié)點位移隨時間變化曲線均與加載曲線類似，且應(yīng)力變化有明顯的波動。

2 防撞護欄設(shè)置討論

上海市規(guī)定高層幕墻可不設(shè)防護欄桿的情況如下。DGJ 08－56－2012《上海市建筑幕墻工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定滿足下列條件之一的可不設(shè)防撞護欄。

1）在護欄高度處設(shè)有幕墻橫梁，該部位的橫梁及立柱已經(jīng)抗沖擊計算，滿足可能發(fā)生的撞擊。沖擊力標(biāo)準(zhǔn)值為 1.2 kN，應(yīng)計入沖擊系數(shù) 1.50、荷載分項系數(shù) 1.40?？刹慌c風(fēng)荷載及地震作用力相組合。

2）中空玻璃的內(nèi)片采用鋼化玻璃，單塊玻璃面積≤ 3.0 m2，鋼化玻璃厚度≥8 mm。

3）中空玻璃的內(nèi)片采用夾層玻璃，單塊玻璃面積≤4.0 m2，夾層玻璃厚度≥ 12.76 mm。

4）單塊玻璃面積大于 4.0 m2，中空玻璃的內(nèi)片采用夾層玻璃，夾層玻璃厚度經(jīng)計算確定，且應(yīng)≥ 12.76 mm，沖擊力標(biāo)準(zhǔn)值為 1.5 kN，荷載作用于玻璃板塊中央，應(yīng)計入沖擊系數(shù) 1.50、荷載分項系數(shù) 1.40，且應(yīng)與風(fēng)荷載、地震作用力相組合，符合承載能力極限狀態(tài)的規(guī)定。

通過數(shù)值計算我們可以得出 6+12A+6 的中空夾層玻璃能夠承受正常成人沖擊載荷的作用，具有足夠的強度與穩(wěn)定性。由于數(shù)值計算是建立在理想情況下的理論計算，需要輔助試驗進行對比，可在幕墻玻璃最不利位置取同等試樣進行耐撞擊試驗，在試驗結(jié)果滿足設(shè)計要求的情況下，我們可以建議該幕墻工程根據(jù)用戶需求可不設(shè)防撞護欄。

3 結(jié)語

本文通過數(shù)值模擬分別分析了中空夾層玻璃在沖擊載荷作用下的響應(yīng)問題，得到的主要結(jié)論如下。

1）在沖擊載荷作用下，內(nèi)外片玻璃最大應(yīng)力均出現(xiàn)在玻璃片的底部位置，且內(nèi)片玻璃的應(yīng)力大于外片玻璃，而內(nèi)外片玻璃最大撓度的出現(xiàn)的位置均近似在沖擊荷載加載所在平面的中部，且內(nèi)片玻璃的撓度大于外片玻璃的撓度；

2）幕墻玻璃在正常沖擊載荷作用下產(chǎn)生的應(yīng)力與變形均符合規(guī)范要求；

3）對于高層幕墻玻璃不設(shè)防撞護欄問題給出了建議，在經(jīng)過數(shù)值計算及實體試驗均滿足設(shè)計要求的前提下根據(jù)用戶需求可不設(shè)防撞護欄。

通過數(shù)值計算我們可以得出 6+12A+6 的中空夾層玻璃能夠承受正常成人沖擊載荷的作用，具有足夠的強度與穩(wěn)定性?？稍谧畈焕恢萌⊥仍嚇舆M行耐撞擊試驗，在試驗結(jié)果滿足設(shè)計要求的情況下，我們可以建議該幕墻工程可不設(shè)防撞護欄。Q