玻璃幕墻退層施工與抗沖擊性能研究

摘 要：玻璃幕墻透光性好、視野好、外表美觀，但面臨更大的沖擊風(fēng)險。本文針對某汽車大樓工程項目，進(jìn)行了玻璃幕墻的退層施工。對玻璃幕墻的安全性進(jìn)行校驗，構(gòu)建了抗沖擊性能分析模型，并將有限元方法和離散元方法結(jié)合，構(gòu)建一種新的有限元離散分析方法。在試驗過程中，對比分析了有限元離散方法和離散元方法的優(yōu)劣。試驗結(jié)果也充分表明，有限元離散分析方法的抗沖擊過程分析更符合實際情況，本工程項目的檢驗結(jié)果也證實了玻璃幕墻退層施工是可靠的。

關(guān)鍵詞：玻璃幕墻；退層施工；抗沖擊性能；有限元離散分析方法

中圖分類號：TU 74" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

大型商業(yè)建筑不僅注重結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和整體安全性，還注重美觀以達(dá)到宣傳企業(yè)形象的重要目的[1]?；诖?，大型商業(yè)建筑廣泛采用玻璃幕墻，作為其外觀效果的重要展現(xiàn)手段。玻璃幕墻不僅透光性能良好，還可以起到裝飾作用。在玻璃幕墻的常規(guī)施工效果外，還可以采用退層施工，既可以保障建筑的安全性，又可以達(dá)到參差錯落的美觀效果[2]。但是退層施工將面臨新的連接問題，同時，玻璃幕墻以玻璃為主體材料，玻璃的脆性特征明顯，在外界物體的沖擊下容易發(fā)生斷裂。玻璃幕墻退層施工后，上層幕墻下落的物體會垂直擊中下層玻璃幕墻的頂部，可能會導(dǎo)致局部損傷或玻璃幕墻的整體損壞[3]。因此，本文在玻璃幕墻退層施工的基礎(chǔ)上，將有限元分析和離散元分析結(jié)合，提出一種新的沖擊過程分析模型，對玻璃幕墻進(jìn)行抗沖擊性能的試驗研究。

1 玻璃幕墻退層施工及其效果

為清晰說明本文采用的技術(shù)、模型和方法，以具體的工程案例作為研究背景。本文中的玻璃幕墻施工對象是某汽車大型商業(yè)建筑工程項目。

本項目區(qū)域分為A、B、C、D，其中A、B、C這3個區(qū)域有主樓，共10層，幕墻總高49.7m，A、B、C區(qū)1層至3層及D區(qū)域為裙樓區(qū)域。玻璃幕墻面積約為27000㎡，玻璃幕墻為橫明框豎隱玻璃幕墻，幕墻外部有橫向裝飾線條約32000m。本工程主樓最大分格位于A區(qū)第8層至10層，其中立柱為350mm×120mm×10mm鋼立柱，長為15600mm，質(zhì)量約1300kg，主樓玻璃最大分格位于主樓退層區(qū)域9層，規(guī)格2350mm×2950mm，玻璃配置為8+1.52Pvb+8Low-E+15A+10，質(zhì)量為480kg/塊。為支撐整體玻璃幕墻，對其進(jìn)行鋼結(jié)構(gòu)骨架支撐設(shè)計，如圖1所示。

本項目A區(qū)的4層至7層為臺階式結(jié)構(gòu)，玻璃幕墻系統(tǒng)進(jìn)行退層施工。B區(qū)和C區(qū)的4層一直到頂層，也是臺階式結(jié)構(gòu)，其玻璃幕墻系統(tǒng)也要進(jìn)行退層施工。A區(qū)3層存在兩根跨度24.4m的大跨度箱型鋼梁（鋼梁編號GL4），截面為口1600mm×800mm×40mm×60mm，跨度為24.4m，單件總重46t。在施工過程中，大跨度鋼梁分布在D～E軸/6～9軸分成3段吊裝。臨時支撐胎架布置在距6軸和9軸8m處位置，胎架底部預(yù)埋錨栓與樓板臨時固定，胎架頂部設(shè)置“H”形鋼和千斤頂支撐分段鋼梁并卸載。選擇75t汽車吊20.1m主臂，質(zhì)量26.2t，構(gòu)件質(zhì)量16.15t，安全系數(shù)K=26.2/（16.15+1）=1.52＞1.2，滿足安全系數(shù)要求。

安裝玻璃幕墻包括以下幾個階段。階段一為利用剪刀車完成各層間的龍骨施工，還包括滿焊操作和防腐處理，從而形成玻璃幕墻的骨架結(jié)構(gòu)。階段二為利用剪刀車完成各層間的鋁板安裝，并完成打膠處理。階段三為利用吊車與剪刀車配合施工完成飾面玻璃的安裝。

玻璃幕墻的退層安裝，可以細(xì)化為以下步驟：玻璃幕墻系統(tǒng)中的支撐鋼框架安裝→玻璃幕墻系統(tǒng)中的退臺下層龍骨安裝→玻璃幕墻系統(tǒng)中的橫向金屬遮陽板鋼龍骨安裝→玻璃幕墻系統(tǒng)中的層間保溫棉及防火棉安裝→玻璃幕墻系統(tǒng)中的玻璃安裝→玻璃幕墻系統(tǒng)中的橫向金屬遮陽板安裝。玻璃幕墻退層施工后的效果如圖2所示。

圖2顯示了玻璃幕墻退層施工后的簡易效果，隨著樓層高度增加，玻璃幕墻不斷向靠近樓體方向收縮，從而形成視覺上的后退效果。

2 玻璃幕墻的抗沖擊性能分析

玻璃幕墻的透光性好、視野好以及外表美觀，但玻璃幕墻也比較容易受到?jīng)_擊破壞。尤其是退層設(shè)計的玻璃幕墻，上層墜物會直接砸向下一層的玻璃幕墻頂部，各層玻璃幕墻遭受沖擊進(jìn)而被破壞的概率進(jìn)一步增加。因此，重點進(jìn)行玻璃幕墻的抗沖擊性能分析。

在玻璃幕墻抗沖擊性能的研究過程中，樣體試驗是最有效的方法之一。由于通過試驗法測試玻璃幕墻的強度、抗沖擊性能，會增加成本。因此試驗法逐漸被仿真分析法取代。在玻璃幕墻抗沖擊性能的仿真研究中，有限元分析法和離散元分析法是兩種最常見的手段。

隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，網(wǎng)格自適應(yīng)等理論被引入有限元中，進(jìn)而應(yīng)用到玻璃的斷裂模型中。有限元法廣泛應(yīng)用于斷裂力學(xué)的計算分析，對離散裂紋形態(tài)及其擴展研究也有一定的適應(yīng)性。將結(jié)函數(shù)的概念引入有限元分析后，能更準(zhǔn)確地表示玻璃裂縫，這種方法也稱為擴展有限元法。擴展有限元法對玻璃裂紋的發(fā)生點及擴展方向，有比較細(xì)致的表達(dá)能力，如圖3所示。

有限元方法可以應(yīng)用到裂紋和裂紋增長的預(yù)測中，但受其本身的限制，該方法難以模擬玻璃破壞后的離散碎片及其運動。

離散元法是一種用于不連續(xù)分析的方法，應(yīng)用于研究二維土壤邊坡穩(wěn)定性問題。用牛頓第二運動定律，采用離散元法建立動力學(xué)方程。將某些離散單元假定為剛性單元，采用剛體彈簧模型表示，可以用可變形的二維和三維離散單元。多數(shù)離散單元在二維上呈圓形，在三維上呈球形，這些形狀已被廣泛用于顆粒分析，因此也便于分析坍塌。在不連續(xù)柱的坍塌建模中應(yīng)用立體塊或塊單元。離散元法可以模擬夾層玻璃的沖擊行為，并可以擴展到雙層玻璃。使用球形離散單元，可以研究沖擊體沖擊單層玻璃和夾層玻璃的沖擊表現(xiàn)，預(yù)測穿透和破碎。有限元法能夠模擬玻璃損傷后的行為，包括碎片動態(tài)運動及相互作用，但在預(yù)測裂紋起始和斷裂形態(tài)方面精度較低。

有限元分析和離散元分析各有優(yōu)點，但也存在自身的局限性，因此本文將兩種方法結(jié)合起來，形成有限元離散分析方法，用于分析玻璃幕墻的抗沖擊性能。

對玻璃幕墻來說，高空墜物會在短時間內(nèi)完成撞擊，其沖擊的瞬態(tài)作用明顯強于重力作用。因此，將墜物設(shè)定為多個離散單元體，符合牛頓第二定律，如公式（1）所示。

（1）

式中：mi為第i個離散單元體所具有的質(zhì)量；ri為第i個離散單元體所在的空間位置量；Fi為第i個離散單元體在沖擊過程中所受到的沖擊力。

進(jìn)一步分析在沖擊過程中，離散單元體所受到的力矩效果，如公式（2）所示。

（2）

式中：Ii為第i個離散單元體的慣性矩；wi為第i個離散單元體的角速度；Ti為第i個離散單元體所受到的力矩。

3 試驗結(jié)果與分析

本文對某汽車項目進(jìn)行了玻璃幕墻的退層施工，并對比分析了有限元分析法和離散元分析法的優(yōu)缺點，進(jìn)而提出一種有限離散元分析方法，用來分析玻璃幕墻的抗沖擊性能。通過試驗研究，分析本文中玻璃幕墻施工后的安全效果。

在研究的過程中，本文采用的是帶有夾層的三層玻璃結(jié)構(gòu)。這種三層玻璃分別稱為第一層玻璃、第二層玻璃、第三層玻璃，第二層玻璃即夾層玻璃。第一層玻璃和第三層玻璃采用同樣的厚度，夾層玻璃的厚度則略薄于另外兩層玻璃。

在試驗過程中，以球形物體為沖擊體，三層玻璃為被沖擊的幕墻。在有限元離散分析方法下，玻璃幕墻被劃分成7000個單元，沖擊試驗的過程霎時間設(shè)置為10-10s。球形沖擊體和玻璃幕墻的關(guān)鍵參數(shù)及指標(biāo)，見表1。

在表1的參數(shù)配置下，進(jìn)行退層施工的玻璃幕墻抗沖擊性能分析試驗。在試驗過程中，以離散元分析方法作為參照方法，同時采用本文提出的有限元離散分析方法，比較二者的沖擊過程和沖擊效果，結(jié)果如圖4和圖5所示。

從圖4的試驗結(jié)果可以看出，采用離散元分析方法，當(dāng)球形沖擊體與玻璃幕墻接觸開始，會產(chǎn)生可能的破壞。圖5為球形沖擊體距離玻璃幕墻的高度逐漸增加。球形沖擊體距離玻璃幕墻的高度越高，根據(jù)牛頓第二定律及沖量模型，其對玻璃幕墻造成的沖擊越強烈、破壞越嚴(yán)重。

圖5的試驗結(jié)果是在本文構(gòu)建的有限元離散方法下完成的。與圖4的結(jié)果相比，兩種分析方法對球體沖擊玻璃幕墻的過程分析，有很大程度上的相似性。如果觀察球體在玻璃幕墻沖擊處的細(xì)節(jié)，就會發(fā)現(xiàn)有限元離散分析法考慮了在撞擊過程中，可能向沖擊反方向飛濺的玻璃碎屑，這更符合實際情況。和離散元分析方法相同，有限元離散分析方法也得出同樣的結(jié)論，球形沖擊體距離玻璃幕墻的高度越高，對玻璃幕墻造成破損影響的概率越大。

在本文的玻璃幕墻退層施工的過程中，充分考慮了層間高度對可能發(fā)生沖擊的影響。經(jīng)過有限元離散分析驗證，相鄰兩層間的常規(guī)重物沖擊不會對玻璃幕墻造成破壞，工程中使用的玻璃幕墻材料，可以抵御沖擊。

4 結(jié)論

大型商業(yè)建筑越來越廣泛地采用玻璃幕墻作為外觀效果的重要展現(xiàn)手段。玻璃幕墻不僅透光性能良好，還可以起到很好的裝飾作用。在某汽車項目的玻璃幕墻設(shè)計的過程中，采用了退層玻璃幕墻的施工方案，進(jìn)一步提高了工程項目的外觀美化度。施工過程有如下6個步驟：支撐鋼框架安裝、退臺下層龍骨安裝、橫向金屬遮陽板鋼龍骨安裝、層間保溫棉及防火棉安裝、玻璃安裝、橫向金屬遮陽板安裝。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合沖擊效應(yīng)模型，構(gòu)建了有限元離散分析方法，證實了本工程項目施工后的退層玻璃幕墻，具有較好的安全性。

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