大跨度剛性玻璃幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析

郭繼業(yè) （中建二局第一建筑工程有限公司，北京 100000）

1 引言

隨著中國幕墻產(chǎn)業(yè)的多元化發(fā)展，剛性玻璃幕墻也應(yīng)運(yùn)而生[1]。所謂剛性玻璃幕墻是由剛性玻璃門窗肋和剛性玻璃門窗面所組成的全剛性門窗幕墻[2]。根據(jù)連接形式的不同，剛性幕墻結(jié)構(gòu)大致分為兩種形式，剛性玻璃肋肋相連的全玻幕墻結(jié)構(gòu)和剛性玻璃肋點(diǎn)相連的全剛性幕墻結(jié)構(gòu)。由于剛性幕墻建筑具有的結(jié)構(gòu)形式簡潔、視覺通透漂亮、成本低等優(yōu)點(diǎn)，被大量運(yùn)用于公共建筑以及有良好采光條件的機(jī)場、博物館等面積較大的場所[3]。

規(guī)范規(guī)定“對(duì)寬度大于8m的剛性門窗肋應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定驗(yàn)算，高度大于12m的剛性門窗肋宜做平面外固定試驗(yàn)，在必要時(shí)宜采用防側(cè)向失穩(wěn)的結(jié)構(gòu)保護(hù)?！辈贿^，對(duì)于穩(wěn)定性的計(jì)算方法，由于標(biāo)準(zhǔn)中缺乏具體的規(guī)范，實(shí)際操作中也存在著一定的問題?，F(xiàn)在，國內(nèi)不少設(shè)計(jì)師按照歐美標(biāo)準(zhǔn)完成相應(yīng)計(jì)算，但是因?yàn)閷?duì)規(guī)范理解不夠深入等因素，且一些規(guī)定要求不符合實(shí)際情況，給剛性幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的安全性帶來了很多隱患[4]。

基于剛性玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)構(gòu)造型式不同，對(duì)剛性肋的計(jì)算結(jié)果形式也有所不同。規(guī)范中明文規(guī)定，關(guān)于剛性玻璃幕墻“點(diǎn)支承剛性幕墻的支承構(gòu)造設(shè)計(jì)宜獨(dú)立進(jìn)行，剛性面不能兼做支承構(gòu)成的部分”。關(guān)于剛性肋肋接的剛性幕墻“面面剛性透過膠縫與剛性肋相連時(shí)，面板可用做支承于剛性肋的單面簡支板設(shè)計(jì)”。而規(guī)范[5]中，關(guān)于剛性肋穩(wěn)定性統(tǒng)計(jì)方式的劃分也與此規(guī)范相同，將剛性肋的支承型式細(xì)分成三種類型：沒有側(cè)面支承的剛性肋、有連續(xù)性側(cè)面支承的剛性肋、有不連續(xù)性側(cè)面支承的剛性肋。點(diǎn)接的剛性肋幕墻則屬第一種形體，通高的肋接剛性肋幕墻則屬第二種形體，而復(fù)雜支承型式的剛性肋幕墻則屬第三種形體。

2 無側(cè)向支承的剛性幕墻穩(wěn)定性分析

這些型式的大跨越剛性幕墻結(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)是窗戶構(gòu)造在立面上有分格，窗戶構(gòu)造使用點(diǎn)支承連接在肋剛性上面，窗戶構(gòu)造和肋剛性相互之間使用剛性密封膠(圖1)或使用結(jié)構(gòu)膠(圖2)連接。

圖1 密封膠示意圖

圖2 結(jié)構(gòu)膠示意圖

在規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)中，規(guī)定此類的剛性精裝飾剛性表面并不能為肋剛性帶來橫向支撐，其整體的穩(wěn)定性及臨界最大彎矩Mcr公式如下：

式中：Mcr為臨界側(cè)向屈曲彎矩(N·mm)；g2、g3為從附表中查屈曲常值；Lay為穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果中的計(jì)算時(shí)間；(EI)y為剛性肋繞弱軸方位的抗彎剛度(N·mm2)；GJ為剛性肋的抗扭剛度(N/mm2)；yh為荷載作用點(diǎn)到剛性肋中性軸的間距(mm)，yh=d/2；E為剛性面面的彈性模量，取為72000N/mm2；g為剛性面面的剪切模量，取為30000N/mm2；b為剛性肋直徑的厚薄(mm)。根據(jù)剛性等效厚薄推算，d為剛性肋直徑的高程(mm)；Iy為剛性肋繞弱軸方位慣性矩，Iy=db3/12(mm4)；J是指剛性肋的最大抗扭反慣矩，J=bb3/3(1-0.63d/b)(mm)4。剛性肋的最高扭矩是Mmax。

關(guān)于g2、g3的取值方式，本文只根據(jù)目前最常用的圖2、圖3二種形態(tài)加以解釋。如圖2所示，面剛性外殼和肋剛性之間均采用剛性密封膠聯(lián)接，面剛性外殼的負(fù)荷均經(jīng)過駁接件以點(diǎn)負(fù)荷的形態(tài)輸送到肋剛性，g2、g3取值于采用承受等間距點(diǎn)荷載形態(tài)的肋，為第二種型式，g2=3.3、g3=1.3。

根據(jù)圖2所示，面剛性外殼和肋剛性中間采用結(jié)構(gòu)膠聯(lián)接，面剛性外殼自身重量負(fù)荷由駁接件以點(diǎn)負(fù)荷的形態(tài)傳遞給肋剛性，而水平荷載則經(jīng)由構(gòu)造膠以線負(fù)荷的形態(tài)傳給肋剛性，g2、g3取值于采用承受均布線負(fù)荷形態(tài)的肋，屬第一種類型的鉸接件做法，g2=3.6、g3=1.4。

由式(1)可知，臨界彎矩Mcr與剛性肋的計(jì)算結(jié)果長寬Lay以及剛性肋的最大直徑標(biāo)準(zhǔn)d，與剛性肋的斷面厚薄b均有關(guān)聯(lián)。確定在計(jì)算長寬為一定的情形下,臨界彎矩Mcr與最大直徑標(biāo)準(zhǔn)d成反比率，即Mcr與斷面厚薄b的三次方成反比率。此外，由于SGP膠片的問世，已經(jīng)逐步運(yùn)用于大跨度剛性肋中。PVB膠片的剛性等效平均厚薄為，而SGP膠片的剛性等效平均厚薄則為b≈t1+t2。所以，夾膠的種類對(duì)提高總體安全穩(wěn)定性負(fù)面影響很大，要綜合考慮現(xiàn)實(shí)情況選擇合適的膠片。

3 連續(xù)側(cè)向支承的剛性幕墻設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析

大跨越剛性幕墻建筑物構(gòu)件的共同特點(diǎn)是面剛性構(gòu)造通高布置，面剛性構(gòu)造和肋剛性相互之間通過結(jié)構(gòu)膠層連接，可以認(rèn)為對(duì)面剛性構(gòu)造和肋剛性相互之間實(shí)現(xiàn)了連續(xù)性的側(cè)向支承。針對(duì)大跨度剛性幕墻，按照規(guī)范要求[5]吊掛，肋剛性的自重對(duì)其總體穩(wěn)定性起到有利的影響，而忽略了自重對(duì)穩(wěn)定性的影響。其總體穩(wěn)定性與臨界扭矩的Mcr方程見式(3)。

式中：y0為側(cè)向約束到剛性肋中性軸線的長度(mm)；yh為荷載作用點(diǎn)到剛性肋中立軸的長度(mm)。當(dāng)為風(fēng)吸力時(shí),yh=y0=d/2。當(dāng)為風(fēng)壓力時(shí),yh=-d/2,而y0=d/2。因此,風(fēng)吸力時(shí)的Mcr值遠(yuǎn)低于風(fēng)氣壓時(shí)的Mcr值，這和現(xiàn)實(shí)情況一致。同時(shí)由于面剛性的存在，也影響了窗戶肋一邊的平面向外移，從而在門窗肋的一側(cè)出現(xiàn)了側(cè)向支座[6]。而針對(duì)風(fēng)壓，該側(cè)撐也會(huì)支撐在承重區(qū)，但是由于窗戶肋的支撐區(qū)有連續(xù)的支撐，所以在這時(shí)并不會(huì)出現(xiàn)安全問題。而針對(duì)風(fēng)吸力，側(cè)面的撐支在被風(fēng)拉區(qū)，因此，也有可能損壞。剛性肋的最高扭矩為Mmax,如果符合上述公式定義(2)，則剛性肋的總體安全穩(wěn)定性也符合設(shè)計(jì)規(guī)定。由式(3)可得,臨界彎曲矩Mcr與剛性肋徑向厚度范圍b的3次方成反比例關(guān)系，其負(fù)面影響也很大。Mcr與剛性肋截面高度d的成正比關(guān)系，但作用并不大。

4 不連續(xù)側(cè)向支承的剛性幕墻設(shè)計(jì)與穩(wěn)定性分析

大跨越剛性幕墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是面剛性構(gòu)造在立面上有分格，而面剛性構(gòu)造通過節(jié)點(diǎn)支承或構(gòu)造膠聯(lián)接在肋剛性構(gòu)造上。肋剛性利用拉索和拉桿連在同一主體構(gòu)造上，并從橫縱位置都布設(shè)了肋剛性。根據(jù)這個(gè)受力狀況，可以認(rèn)為剛性肋之間布的并不連貫。

玻璃肋上的主要支撐結(jié)構(gòu)，包括拉桿、拉索、交叉等機(jī)械肋結(jié)構(gòu)，都能夠有效限制機(jī)械肋的屈曲能力，即這種支撐結(jié)構(gòu)需要有效約束，并聯(lián)連接到主體結(jié)構(gòu)上，才能夠發(fā)揮在機(jī)械肋上布置側(cè)向支撐結(jié)構(gòu)的作用[7～8]。其整體穩(wěn)定性臨界扭矩的Mcr公式見式(4)。

式中：g1是屈曲常數(shù)。

剛性肋的最高彎曲矩為Mmax，如果符合式中(2)，則剛性肋的總體穩(wěn)定能力也符合設(shè)計(jì)規(guī)定。此屈曲常數(shù)g1值與橋端部的較大彎曲矩有關(guān)聯(lián)，若按照附表(此處不詳盡列舉)的描述,當(dāng)端部彎曲矩相同時(shí)，g1值極小，對(duì)總體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果最不利于影響，此時(shí)g1=3.1。且從式(4)中即可得到，為Mcr-bd3值，與其他二種主要受力類型相同。

5 結(jié)語

針對(duì)施工實(shí)踐，通過分析承重設(shè)計(jì)模式，大跨度全剛性玻璃幕墻設(shè)計(jì)工程的承重設(shè)計(jì)模式大致可以分成三種。按照我國標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)規(guī)范提出了適應(yīng)要求的公式；再綜合國內(nèi)外應(yīng)用實(shí)際確定了對(duì)應(yīng)的系數(shù)；最后得出各種強(qiáng)度模具的最高臨界屈曲與最高扭矩都相同，和一般玻璃肋支撐的最高扭矩也相等或相當(dāng)。從大跨越剛性幕墻結(jié)構(gòu)的總體安全穩(wěn)定性分析結(jié)果，由以上的受力分析可得出，根據(jù)三種強(qiáng)度模型計(jì)算，大跨越剛性幕墻結(jié)構(gòu)的最大臨界屈曲為彎矩Mcr-bd3。臨界屈曲最高扭矩Mcr與剛性肋直徑高程d成反比,對(duì)總體安全穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果的負(fù)面影響并不少。而臨界屈曲最高扭矩Mcr與剛性肋斷面厚度b3成正比，對(duì)總體安全穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果的負(fù)面影響也很大。但經(jīng)過對(duì)PVB膠片與SGP膠片的比較，SGP膠片的使用對(duì)總體安全穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果負(fù)面影響很大，根據(jù)工程設(shè)計(jì)實(shí)踐,選用了適當(dāng)?shù)哪z片。