论文部分内容阅读
摘 要：点支式玻璃幕墙是幕墙支承体系中最简单的一个，最大限度的通透性是这个系统最大的特点。本文通过分析，从点支式玻璃幕墙中空及夹层玻璃板的承载特点出发，结合试验与数值计算的结果，给出了点支式中空及夹层玻璃板的垂直荷载作用下的应力、挠度的计算方法。
关键词：幕墙设计 点支式玻璃幕墙设计特点
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
一、点式玻璃幕墙技术的特点
由于建筑点式玻璃幕墙技术是由金属连接件和紧固件将玻璃与支承结构连接成一个整体的组合式建筑结构，与有框( 含隐框、半隐框) 玻璃幕墙相比，点式玻璃幕墙技术的特点:
1． 通透性好: 由于大片玻璃是通过几个点与支承结构相连接，因此视线被遮挡的面积降低到最小，使视野开阔到最大限度。
2. 安全性好: 经过钢化后的玻璃石通过金属件用机械的手段固定到支承结构上，耐候密封胶只起密封作用而不考虑其他受力，即使在外来撞击下，使单片玻璃破坏落下“玻璃雨”，也不可能出现整块玻璃坠落的严重伤人事故。
3. 灵活性好: 由于在金属连接件和紧固的设计中考虑了各种措施，使每个连接点可以自由转动外，还允许有一定的位移，用于调节土建施工中不可避免的误差，因此，玻璃不会产生安装应力，并且可以适应支承结构受荷载后产生的变形，使玻璃受力状态良好，不仅如此，用点式连接方法可以最大程度地体现建筑造型的要求。
4. 工艺感强: 点式结构可以使用许多种形式，变化无穷，有良好的工艺性、艺术性，便于设计师选择使用。
5. 环保节能: 由于建筑点式玻璃追求明快的风格，因而在玻璃的使用上多选择光污染极小的白玻、超白玻和低辐射玻璃，同时辅以室内或室外遮阳系统，在减少甚至杜绝污染的同时，可大大降低能耗，尤其是使用中空技术，效果更加明显。
点支式玻璃幕墻建筑体系是用金属连接件和紧固件将建筑玻璃与金属( 或玻璃) 支撑结构连接成整体的新型组合式建筑结构形式( 1) 。现行点支式玻璃幕墙下程技术规程规定分别使用下列( 1) 、( 2) 式计算点支单层玻璃在垂直荷载作用下，长边边缘应力和板心挠度。
σ=α1qlb2/ t2 ( 1)
u=β1qlb2/Et3( 2)
式中: q － 垂直于板面的均布荷载; l － 板长边上支承点间距离; t －板厚; E － 弹性模量; α1、β1 － 系数，可从规程中查用。
由于建筑功能的特殊需要，近年来点支式中空与夹层玻璃得到了越来越广泛的应用。对于中空与夹层玻璃应力与位移的计算，现行规程规定: 对于中空玻璃与夹层玻璃，按行业标准 JGJ 102《玻璃幕墙工程技术规范》的规定取值。而《玻璃幕墙工程技术规范》中则规定“: 中空玻璃的厚度取单片外侧玻璃厚度的 1． 2 倍; 夹层玻璃的厚度取单片玻璃厚度的 1．25 倍”。这种等效厚度的算法与取法是否适用于点支式中空与夹层玻璃板，值得商榷。
本文通过对试验、数值计算的结果进行比较分析，将中空及夹层玻璃的设计方法有效的建立在单层玻璃的设计方法之上，这样有利于形成统一而又简洁的设计体系。
二、中空玻璃板的承载计算
1. 承载特点。中空玻璃一般是在 2 片玻璃之间设有一干燥空气层或惰性气体层，常在对保温隔热有较高要求的建筑物中使用。一般认为中空玻璃承受垂直荷载时内、外片变形不协调，直接承载的外片变形要大些。某研究所完成的点支式中空玻璃承载性能试验，其结果验证了上述观点。该试验测量中空玻璃板承受垂直板面均布荷载时的挠度与应力。试件为2 块1000 mm* 1000 mm 的中空玻璃板( A、B 试件) ，内外片均厚 6mm，中空层厚 9 mm，孔心边距 100mm。表 1 列出了试件承载时的位移。
注: 绝对位移为内外片绝对位移的平均值。
从表量看出，直接承载的外片产生了较大的位移，且内、外片的位移差随荷载增加有增大的趋势。但同时可以看到，内、外片玻璃的位移差，相对于玻璃的绝对位移量要小，且两者之比随着荷载增加呈减小的趋势。故在进行点支式中空玻璃板的工程计算时，可设内、外片玻璃的变形一致。
同时考虑到，气体层并不能阻止内、外片玻璃在面内的相对滑移，即不提供面内抗剪的作用。但是，气体可以向任何方向传递压强，而内、外片玻璃的横向受力面积基本上是相等的，故可认为外来横向荷载被分为两部分。一部分直接由外片承担，另一部分由气体层传递到内片上，如图 1 所示。
设总荷载为 q，外、内片分担的荷载分别为 q1、q2，外、内片抗弯刚度分别为 D1、D2，板心挠度分别为 δ1、δ2，由薄板传统理论得:
δ1∝q1/ D1，δ2∝q2/ D2 ( 3)
内外片挠度相等，δ1= δ2，q =q1+ q2，又由内外片边长相等，可推出:
q1= QD1/ D1+ D2)q2= QD2/ D1+ D2) ( 4)
即外荷载按薄板抗弯刚度比例在内外片上分配。因为薄 9 的抗弯刚度为 D = Et3/12( 1 －v2) ，其中 t、E、V 分别代表板厚、材料的弹性摸量与泊松比。故可认为外荷载按( 5) 式进行分配。
q1= qt13/ ( t13+ t23) ，q2= qt23/ ( t13+ t23)( 5)
2. 试验与计算结果。按( 5) 式将外荷载分配到双层点支式中空玻璃板的内、外片上后，即可以使用 ( 1) 、( 2) 式分别计算内、外片的变形与应力。本文将这种计算方法称为刚度分配法。
表 2、表 3 列出了某研究所试验结果与刚度分配法、现有规程所采用的等效厚度法的计算结果。
表 2、表 3 中的计算结果与试验结果都比较接近，等效厚度算法的计算结果要保守一些。但应注意，该试验中内、外片玻璃等厚，为验证以上算法是否适用于内、外片不等厚的情况，可跟相关试验的数据加以验证。
某玻璃和金属结构研究所进行的点支式中空玻璃承载试验，试件为 2000mmxl600mm 的玻璃板，外片厚 12mm，内片厚 8mm，中空层厚 12mm，孔心边距 120nm。为模拟实际情况，试验中将紧固件底部连接在加载架上。试验采用堆装沙袋模拟均布荷载加载，由于仅依靠沙袋加载无法达到破坏荷载，故当沙袋堆积到一定高度后，将千斤顶作用于沙袋顶部按 45 度扩散角进行加载。因为连接件的端部固定于横梁上，连接件处于受拉状态。
3. 结果分析。从内、外片等厚的试验中可得:
( 1) 外荷载按刚度分配，D1 = D2，q1 = q2 = 0． 5q，即实际情况相当于以 D1 的抗弯刚度承担 0．5q 的荷载。
( 2) 如取外片厚度的 1．2 倍为等效厚度进行计算，则将整块玻璃的抗弯刚度估计为 1．23D1 =1． 73D1，以 1． 73D1 的总刚度承担外荷载 q，即相当于以 D1 的刚度承担 0． 58q 的外荷载。后者结果与前者的比为0． 58 /0． 5 = 1． 16 倍，这即是在内、外片等厚的试验中，等效厚度算法的结果稍显保守的原因。
而从不等厚的试验中可得:
( 1) 外荷载按刚度分配，外片承受的荷载为: 即以 D1 的刚度承担0． 77 q 的荷载。
( 2) 按等效厚度法，仍然相当以 D1 的刚度承担 0． 58q。
三、夹层玻璃板的承载计算
1. 承载特点。夹层玻璃是在两层玻璃之间夹入聚乙烯缩丁醛( PVB) 胶片，这样玻璃破碎时仍会与 PVB 胶片粘在一起，可有效的避免玻璃碎落造成的人员伤害及其他损失。与中空玻璃的气体层不同，夹层玻璃的夹胶层能够很大程度的限制内、外片玻璃的面內相对滑移( 如图 4) ，所以夹层玻璃的抗弯能力要比几何尺寸相同的中空玻璃高。某研究所完成的夹层玻璃抗弯试验中，试件为 1000mm* I000mm方板，孔心边距 100mm，内、外片玻璃厚度均为 6 mm，PVB 胶层为 1．14mm 厚。试验分别测定了试件在刚加载以及持续加载半年后的位移与应力。
从试验结果发现，夹层玻璃试件的中心位移随着加载时间的增加而逐渐增大，但是位移在增大到一定值后，逐渐平稳。而边缘中点的应力随着时间的增加逐渐增大，在增大到一定值后又开始缓慢下降，逐渐又回到原来的应力值左右。
为比较研究夹层玻璃的承载特点，本文采用下列计算方法与试验结果进行对比:
1) 现行规程使用的等效厚度的算法:
2) 刚度分配法。即忽略夹胶层的面内抗剪作用，认为 PVB 夹胶层与中空玻璃的气体层一样，完全不能阻止内外片在面内的相对滑移，这当然是一种保守的假设:
3) 采用大犁综合有限元程序 ANSYS 的夹层板壳单元进行计算，该有限元模型假设各层间相对的滑移完全被限制，这种算法又过高的估计了夹胶层的面内抗剪能力。
四、结语
1) 现行的点支式玻璃幕墙技术规程沿用了按照外片取用等效厚度的算法，对点支式中空、夹层玻璃进行计算。对于内、外片等厚的玻璃，该方法显得较保守: 对于外片厚度较内片大的情况，该方法可能过高地估计玻璃板的抗弯刚度，从而得到偏小的计算结果。
2) 在工程计算中，中空玻璃承受垂直荷载时的内、外片位移差可以忽略。中空玻璃的气体层不能限制内、外片在面内的相对滑移，但能够传递压强，达到把外荷载按照刚度分配到内、外片上的效果。本文刚度分配法得到的结果与试验的结果十分接近。
3) 夹层玻璃的承载特点很大程度上取决于夹胶层的性质。同济大学的相关试验表明，在长期荷载作用下，试件的位移与应力都有一定程度的发展，位移、应力的长期测值已经接近于刚度分配法的计算结果。
4) 经过分析、计算和比较，本文提出了在玻璃幕墙的点支式中空、夹层玻璃的承载力和变形计算方法，该法简便易行，且与现行规程中对于单层玻璃的计算方法保持一体。
参考文献:
［1］点支式玻璃建筑结构体系及其应用技术研究． 土木工程学报。
［2］点支式玻璃幕墙工程技术规程． 北京: 中国工程建设标准化协会。
［3］JGJ102 －2003，玻璃幕墙工程技术规范。
［4］殷永炜，张其林，黄庆文． 点支式中空和夹层玻璃承载性能的试验与研究北京: 建筑结构学报。
关键词：幕墙设计 点支式玻璃幕墙设计特点
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
一、点式玻璃幕墙技术的特点
由于建筑点式玻璃幕墙技术是由金属连接件和紧固件将玻璃与支承结构连接成一个整体的组合式建筑结构，与有框( 含隐框、半隐框) 玻璃幕墙相比，点式玻璃幕墙技术的特点:
1． 通透性好: 由于大片玻璃是通过几个点与支承结构相连接，因此视线被遮挡的面积降低到最小，使视野开阔到最大限度。
2. 安全性好: 经过钢化后的玻璃石通过金属件用机械的手段固定到支承结构上，耐候密封胶只起密封作用而不考虑其他受力，即使在外来撞击下，使单片玻璃破坏落下“玻璃雨”，也不可能出现整块玻璃坠落的严重伤人事故。
3. 灵活性好: 由于在金属连接件和紧固的设计中考虑了各种措施，使每个连接点可以自由转动外，还允许有一定的位移，用于调节土建施工中不可避免的误差，因此，玻璃不会产生安装应力，并且可以适应支承结构受荷载后产生的变形，使玻璃受力状态良好，不仅如此，用点式连接方法可以最大程度地体现建筑造型的要求。
4. 工艺感强: 点式结构可以使用许多种形式，变化无穷，有良好的工艺性、艺术性，便于设计师选择使用。
5. 环保节能: 由于建筑点式玻璃追求明快的风格，因而在玻璃的使用上多选择光污染极小的白玻、超白玻和低辐射玻璃，同时辅以室内或室外遮阳系统，在减少甚至杜绝污染的同时，可大大降低能耗，尤其是使用中空技术，效果更加明显。
点支式玻璃幕墻建筑体系是用金属连接件和紧固件将建筑玻璃与金属( 或玻璃) 支撑结构连接成整体的新型组合式建筑结构形式( 1) 。现行点支式玻璃幕墙下程技术规程规定分别使用下列( 1) 、( 2) 式计算点支单层玻璃在垂直荷载作用下，长边边缘应力和板心挠度。
σ=α1qlb2/ t2 ( 1)
u=β1qlb2/Et3( 2)
式中: q － 垂直于板面的均布荷载; l － 板长边上支承点间距离; t －板厚; E － 弹性模量; α1、β1 － 系数，可从规程中查用。
由于建筑功能的特殊需要，近年来点支式中空与夹层玻璃得到了越来越广泛的应用。对于中空与夹层玻璃应力与位移的计算，现行规程规定: 对于中空玻璃与夹层玻璃，按行业标准 JGJ 102《玻璃幕墙工程技术规范》的规定取值。而《玻璃幕墙工程技术规范》中则规定“: 中空玻璃的厚度取单片外侧玻璃厚度的 1． 2 倍; 夹层玻璃的厚度取单片玻璃厚度的 1．25 倍”。这种等效厚度的算法与取法是否适用于点支式中空与夹层玻璃板，值得商榷。
本文通过对试验、数值计算的结果进行比较分析，将中空及夹层玻璃的设计方法有效的建立在单层玻璃的设计方法之上，这样有利于形成统一而又简洁的设计体系。
二、中空玻璃板的承载计算
1. 承载特点。中空玻璃一般是在 2 片玻璃之间设有一干燥空气层或惰性气体层，常在对保温隔热有较高要求的建筑物中使用。一般认为中空玻璃承受垂直荷载时内、外片变形不协调，直接承载的外片变形要大些。某研究所完成的点支式中空玻璃承载性能试验，其结果验证了上述观点。该试验测量中空玻璃板承受垂直板面均布荷载时的挠度与应力。试件为2 块1000 mm* 1000 mm 的中空玻璃板( A、B 试件) ，内外片均厚 6mm，中空层厚 9 mm，孔心边距 100mm。表 1 列出了试件承载时的位移。
注: 绝对位移为内外片绝对位移的平均值。
从表量看出，直接承载的外片产生了较大的位移，且内、外片的位移差随荷载增加有增大的趋势。但同时可以看到，内、外片玻璃的位移差，相对于玻璃的绝对位移量要小，且两者之比随着荷载增加呈减小的趋势。故在进行点支式中空玻璃板的工程计算时，可设内、外片玻璃的变形一致。
同时考虑到，气体层并不能阻止内、外片玻璃在面内的相对滑移，即不提供面内抗剪的作用。但是，气体可以向任何方向传递压强，而内、外片玻璃的横向受力面积基本上是相等的，故可认为外来横向荷载被分为两部分。一部分直接由外片承担，另一部分由气体层传递到内片上，如图 1 所示。
设总荷载为 q，外、内片分担的荷载分别为 q1、q2，外、内片抗弯刚度分别为 D1、D2，板心挠度分别为 δ1、δ2，由薄板传统理论得:
δ1∝q1/ D1，δ2∝q2/ D2 ( 3)
内外片挠度相等，δ1= δ2，q =q1+ q2，又由内外片边长相等，可推出:
q1= QD1/ D1+ D2)q2= QD2/ D1+ D2) ( 4)
即外荷载按薄板抗弯刚度比例在内外片上分配。因为薄 9 的抗弯刚度为 D = Et3/12( 1 －v2) ，其中 t、E、V 分别代表板厚、材料的弹性摸量与泊松比。故可认为外荷载按( 5) 式进行分配。
q1= qt13/ ( t13+ t23) ，q2= qt23/ ( t13+ t23)( 5)
2. 试验与计算结果。按( 5) 式将外荷载分配到双层点支式中空玻璃板的内、外片上后，即可以使用 ( 1) 、( 2) 式分别计算内、外片的变形与应力。本文将这种计算方法称为刚度分配法。
表 2、表 3 列出了某研究所试验结果与刚度分配法、现有规程所采用的等效厚度法的计算结果。
表 2、表 3 中的计算结果与试验结果都比较接近，等效厚度算法的计算结果要保守一些。但应注意，该试验中内、外片玻璃等厚，为验证以上算法是否适用于内、外片不等厚的情况，可跟相关试验的数据加以验证。
某玻璃和金属结构研究所进行的点支式中空玻璃承载试验，试件为 2000mmxl600mm 的玻璃板，外片厚 12mm，内片厚 8mm，中空层厚 12mm，孔心边距 120nm。为模拟实际情况，试验中将紧固件底部连接在加载架上。试验采用堆装沙袋模拟均布荷载加载，由于仅依靠沙袋加载无法达到破坏荷载，故当沙袋堆积到一定高度后，将千斤顶作用于沙袋顶部按 45 度扩散角进行加载。因为连接件的端部固定于横梁上，连接件处于受拉状态。
3. 结果分析。从内、外片等厚的试验中可得:
( 1) 外荷载按刚度分配，D1 = D2，q1 = q2 = 0． 5q，即实际情况相当于以 D1 的抗弯刚度承担 0．5q 的荷载。
( 2) 如取外片厚度的 1．2 倍为等效厚度进行计算，则将整块玻璃的抗弯刚度估计为 1．23D1 =1． 73D1，以 1． 73D1 的总刚度承担外荷载 q，即相当于以 D1 的刚度承担 0． 58q 的外荷载。后者结果与前者的比为0． 58 /0． 5 = 1． 16 倍，这即是在内、外片等厚的试验中，等效厚度算法的结果稍显保守的原因。
而从不等厚的试验中可得:
( 1) 外荷载按刚度分配，外片承受的荷载为: 即以 D1 的刚度承担0． 77 q 的荷载。
( 2) 按等效厚度法，仍然相当以 D1 的刚度承担 0． 58q。
三、夹层玻璃板的承载计算
1. 承载特点。夹层玻璃是在两层玻璃之间夹入聚乙烯缩丁醛( PVB) 胶片，这样玻璃破碎时仍会与 PVB 胶片粘在一起，可有效的避免玻璃碎落造成的人员伤害及其他损失。与中空玻璃的气体层不同，夹层玻璃的夹胶层能够很大程度的限制内、外片玻璃的面內相对滑移( 如图 4) ，所以夹层玻璃的抗弯能力要比几何尺寸相同的中空玻璃高。某研究所完成的夹层玻璃抗弯试验中，试件为 1000mm* I000mm方板，孔心边距 100mm，内、外片玻璃厚度均为 6 mm，PVB 胶层为 1．14mm 厚。试验分别测定了试件在刚加载以及持续加载半年后的位移与应力。
从试验结果发现，夹层玻璃试件的中心位移随着加载时间的增加而逐渐增大，但是位移在增大到一定值后，逐渐平稳。而边缘中点的应力随着时间的增加逐渐增大，在增大到一定值后又开始缓慢下降，逐渐又回到原来的应力值左右。
为比较研究夹层玻璃的承载特点，本文采用下列计算方法与试验结果进行对比:
1) 现行规程使用的等效厚度的算法:
2) 刚度分配法。即忽略夹胶层的面内抗剪作用，认为 PVB 夹胶层与中空玻璃的气体层一样，完全不能阻止内外片在面内的相对滑移，这当然是一种保守的假设:
3) 采用大犁综合有限元程序 ANSYS 的夹层板壳单元进行计算，该有限元模型假设各层间相对的滑移完全被限制，这种算法又过高的估计了夹胶层的面内抗剪能力。
四、结语
1) 现行的点支式玻璃幕墙技术规程沿用了按照外片取用等效厚度的算法，对点支式中空、夹层玻璃进行计算。对于内、外片等厚的玻璃，该方法显得较保守: 对于外片厚度较内片大的情况，该方法可能过高地估计玻璃板的抗弯刚度，从而得到偏小的计算结果。
2) 在工程计算中，中空玻璃承受垂直荷载时的内、外片位移差可以忽略。中空玻璃的气体层不能限制内、外片在面内的相对滑移，但能够传递压强，达到把外荷载按照刚度分配到内、外片上的效果。本文刚度分配法得到的结果与试验的结果十分接近。
3) 夹层玻璃的承载特点很大程度上取决于夹胶层的性质。同济大学的相关试验表明，在长期荷载作用下，试件的位移与应力都有一定程度的发展，位移、应力的长期测值已经接近于刚度分配法的计算结果。
4) 经过分析、计算和比较，本文提出了在玻璃幕墙的点支式中空、夹层玻璃的承载力和变形计算方法，该法简便易行，且与现行规程中对于单层玻璃的计算方法保持一体。
参考文献:
［1］点支式玻璃建筑结构体系及其应用技术研究． 土木工程学报。
［2］点支式玻璃幕墙工程技术规程． 北京: 中国工程建设标准化协会。
［3］JGJ102 －2003，玻璃幕墙工程技术规范。
［4］殷永炜，张其林，黄庆文． 点支式中空和夹层玻璃承载性能的试验与研究北京: 建筑结构学报。