李龍起

(許昌學(xué)院 土木工程學(xué)院,河南 許昌 461000)

點(diǎn)支式玻璃幕墻是由玻璃面板、點(diǎn)支撐裝置和支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)成的玻璃幕墻.玻璃幕墻具有效果通透、結(jié)構(gòu)美觀、支撐結(jié)構(gòu)多樣的特點(diǎn)，能使室內(nèi)空間和室外自然環(huán)境達(dá)到自然的和諧統(tǒng)一，能夠?qū)崿F(xiàn)精美的金屬構(gòu)件與玻璃裝飾藝術(shù)的完美結(jié)合，可滿足不同建筑結(jié)構(gòu)和裝飾效果的需要，具有極強(qiáng)的藝術(shù)感染力.因此，點(diǎn)支式玻璃幕墻外圍護(hù)結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于高層建筑及大型公共建筑[1].但是，良好通透性帶來的不良影響就是由于玻璃面板連接部位和連接件偏少，容易在四點(diǎn)支撐處出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，嚴(yán)重的會(huì)出現(xiàn)玻璃面板破碎從而導(dǎo)致建筑安全事故的發(fā)生，因此，相關(guān)規(guī)范對玻璃幕墻外圍護(hù)結(jié)構(gòu)提出了較高的設(shè)計(jì)和施工要求[2,3].

張宇、霍治澎[4]從彈性力學(xué)角度并運(yùn)用ANSYS有限元軟件對點(diǎn)支式玻璃幕墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，喻支凱[5]對點(diǎn)支式玻璃幕墻駁接件力學(xué)性能進(jìn)行了相關(guān)研究并對其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，王鑫等[6]則對點(diǎn)支式玻璃幕墻抗風(fēng)壓性能進(jìn)行了研究分析.國外， Bucak et al[7]對不同溫度條件下的不同厚度夾層玻璃和點(diǎn)支式玻璃進(jìn)行了彎曲性能試驗(yàn)，并同有限元計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了對比分析。

本研究以中原地區(qū)某建筑外圍幕墻工程為例，使用SAP2000有限元程序?qū)λ狞c(diǎn)支撐式玻璃幕墻的受力和傳力機(jī)理進(jìn)行了風(fēng)荷載和地震作用組合下的計(jì)算和受力分析.通過計(jì)算其在風(fēng)荷載和水平地震組合荷載作用下的作用效應(yīng)，探討上述荷載組合作用下玻璃面板殼應(yīng)力的傳遞規(guī)律，從而為相關(guān)幕墻的設(shè)計(jì)提供一定的經(jīng)驗(yàn)借鑒.

圖1 點(diǎn)支式玻璃幕墻示例

1 工程概況

圖2 四點(diǎn)支式玻璃幕墻面板示意圖

中原地區(qū)某建筑工程外圍玻璃幕墻工程，建筑高度40 m，建筑所處環(huán)境的地面粗糙度為c類，基本風(fēng)壓為0.45 kN·m-2，抗震設(shè)防烈度為8度，經(jīng)計(jì)算其風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值小于1.0 kN·m-2，根據(jù)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》[3]要求，此處的玻璃幕墻計(jì)算用風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值取為1.0 kN·m-2.外圍裝飾采用四點(diǎn)支式玻璃幕墻格柵，駁接頭采用Φ36浮頭式駁接頭與玻璃連接，玻璃面板選用TP12+12A+TP12中空鋼化玻璃，平面示意如圖2所示,長短跨長為2 650 mm×2 050 mm.

本文考慮了玻璃幕墻面板所受的風(fēng)荷載和水平地震荷載組合作用.對于中空玻璃，作用于中空玻璃上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值可按下列公式分配到內(nèi)外兩片玻璃上.

直接承受風(fēng)荷載作用的單片玻璃(外面)：

(1)

不直接承受風(fēng)荷載作用的單片玻璃(內(nèi)面)：

(2)

wk為垂直于玻璃幕墻平面的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN·m-2)，t為玻璃的厚度(mm).

平行于玻璃幕墻平面的集中水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算：

PEk=βEαmaxGk,

(3)

式中PEk為平行于玻璃幕墻平面的集中水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值(kN)，αmax為水平地震影響系數(shù)最大值，Gk為玻璃幕墻構(gòu)件(包括玻璃面板和鋁框)的重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN).

將工程概況中所述參數(shù)代入上述公式，考慮風(fēng)荷載和地震作用組合的幕墻玻璃面板所受荷載的組合設(shè)計(jì)值最終定為0.93 kN·m-2.

2 模型建立

根據(jù)上述工程概況建立了有限元分析模型，玻璃面板采用殼單元進(jìn)行模擬，考慮了其剪切變形的影響.材料屬性采用表1所示進(jìn)行輸入.通過計(jì)算得到了玻璃面板在風(fēng)荷載和水平地震作用下玻璃面板最大和最小主應(yīng)力值等值線圖，如圖3所示.

表1 點(diǎn)支式玻璃面板材料屬性

圖3 玻璃面板荷載作用下主應(yīng)力

圖4 玻璃幕墻面板主應(yīng)力跡線/(N·mm-2)

由于玻璃是最具有代表性的脆性材料，幾乎所有的玻璃都是由于拉應(yīng)力產(chǎn)生表面裂縫而破碎.相關(guān)研究顯示：玻璃從受荷載開始直到破壞為止，其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系幾乎都呈線性.因此，應(yīng)按照第一強(qiáng)度理論—最大拉應(yīng)力理論進(jìn)行玻璃面板強(qiáng)度的計(jì)算和校核.從圖3(a)可以看出四點(diǎn)支撐處出現(xiàn)壓應(yīng)力，玻璃面板最大拉應(yīng)力值沿面板橫向?qū)ΨQ軸對稱分布，最大拉應(yīng)力大小從中間逐漸向兩邊減小，最大主拉應(yīng)力出現(xiàn)在玻璃面板中部兩側(cè)邊的邊緣處，其最大主拉應(yīng)力值小于規(guī)范所要求的鋼化玻璃大面的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值84 N·mm-2，因此該玻璃面板強(qiáng)度符合規(guī)范要求[3].

圖4為玻璃幕墻面板主拉壓應(yīng)力跡線分布圖.從中可以看出，點(diǎn)支式玻璃幕墻的四點(diǎn)支撐處應(yīng)力分布變得很不均勻，應(yīng)力跡線雜亂、曲折，支撐點(diǎn)處應(yīng)力分布大且雜亂，說明應(yīng)力集中現(xiàn)象的存在，而此位置也正是點(diǎn)支式玻璃幕墻容易破壞的地方，是點(diǎn)支式玻璃幕墻的薄弱環(huán)節(jié).

3 結(jié)論與建議

點(diǎn)支式玻璃幕墻具有的質(zhì)量輕、剛度小、阻尼小等特點(diǎn)使其對風(fēng)荷載和地震荷載比較敏感，本研究以中原地區(qū)某建筑幕墻工程四點(diǎn)支撐式玻璃幕墻面板為例，對其進(jìn)行了風(fēng)荷載和水平地震作用組合下的受力分析.分析結(jié)果顯示：

(1)該地區(qū)建筑幕墻結(jié)構(gòu)玻璃面板強(qiáng)度符合規(guī)范規(guī)定.

(2)玻璃面板中間部位出現(xiàn)較大拉應(yīng)力，四周支撐點(diǎn)處以壓應(yīng)力為主，尤其在四點(diǎn)支撐處存在較大的應(yīng)力集中現(xiàn)象且應(yīng)力分布不均勻.

(3)建議在設(shè)計(jì)和施工過程中加強(qiáng)對四點(diǎn)支撐玻璃面板節(jié)點(diǎn)處的結(jié)構(gòu)處理，防止玻璃面板由于主拉應(yīng)力過大從而產(chǎn)生脆性破壞.

[1] 藍(lán)建勛.點(diǎn)支式幕墻玻璃破碎主要原因分析及控制技術(shù)[J].建筑技術(shù),2011,42(3):306-309.

[2] 中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì).點(diǎn)支式玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)程(CECS127-2001)[S].2001.

[3] 中華人民共和國建設(shè)部.玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范(JGJ 102-2003)[S].2003.

[4] 張 宇,霍治澎.點(diǎn)支式玻璃幕墻玻璃面板的受力分析[J].科學(xué)技術(shù)與工程,2012,12(2):349-352.

[5] 喻支凱.點(diǎn)支式玻璃幕墻駁接件力學(xué)性能研究及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].山東建筑大學(xué),2017.

[6] 王 鑫,呂列民,張今陽,等.點(diǎn)支式玻璃幕墻抗風(fēng)壓性能的研究與發(fā)展[J].建筑技術(shù),2015,46(S2):148-152.

[7] Amer Bucak, Schuler C, Sackmann V, et al. Structural Behaviour of Point-Supported and Clamped Laminated Glass[J]. Structural Engineering International, 2004, 14(2): 129-135.