玻璃幕墻的安全性能檢測分析

【摘 要】對某建筑物幕墻進行檢查分析，查找玻璃大量碎裂的原因，并提出處理意見。

【關鍵詞】玻璃幕墻；玻璃肋；安全性

1 工程概況

某公共建筑北側圍護結構采用玻璃幕墻， 總體約153 m 長， 30 m 高， 其豎向承重構件為直徑800mm 的鋼管圓柱，頂部采光頂跨度約 10 m， 主要承重桿件為 I36a 型鋼。幕墻玻璃的支撐方式為框支承式，立面均采用雙層鋼化玻璃，采光頂采用夾膠玻璃。

該幕墻自2004 年建成以來，不斷發(fā)生玻璃碎裂現(xiàn)象，到2010年底為止， 據(jù)不完全統(tǒng)計，更換的玻璃數(shù)量已經(jīng)超過60 塊，而且經(jīng)常會有連接螺栓的螺帽或者栓桿從高空掉落。

該公共建筑每天人流密集，玻璃破損及螺栓掉落不但影響觀瞻、 威脅人員安全，而且可能存在更加危險的結構安全隱患，必須對其進行詳細檢查分析，查找玻璃破損及螺栓不斷掉落的原因， 確保玻璃幕墻的安全。

2 現(xiàn)場檢查

經(jīng)現(xiàn)場檢查及核查圖紙， 玻璃幕墻的支承體系主要由以下構件組成:

2.1 豎向主要構件為直徑800 mm 的鋼管圓柱，柱高30 m，間距9 0 m， 沿北立面共18 個;

2.2 玻璃的豎向方通采用130 mm 75 mm × 5.0mm的方鋼管， 高30 m，間距3.0 m;

2.3 水平方通為 80 mm ×40 mm×4.0 mm 的方鋼管，間距4.0 m;

2.4 沿高度方向每隔 4.0m 設有一道橫向玻璃肋，作為豎方通的支撐， 玻璃肋兩端與圓管鋼柱連接;

2.5 采光頂橫向采用136a 工字鋼， 跨度約 10.0m， 間距3.0 m，與豎方通位置對應;

現(xiàn)場檢查后，決定從以下幾個方面對玻璃幕墻的安全性進行排查:

2.5.1 玻璃肋拉桿的有效性;

2.5.2 玻璃肋的穩(wěn)定性;

2.5.3 螺栓連接的可靠性;

2.5.4 支撐體系的布置。

3 安全性分析

3.1 玻璃肋拉桿

玻璃肋后部設有一拉桿， 自頂部采光頂梁上垂下，依次連接各排玻璃肋。依據(jù)竣工圖紙說明， 該拉桿主要是為了承受玻璃肋的自重并幫助保持玻璃肋的穩(wěn)定性。

但經(jīng)檢查， 該拉桿下部并未落地，所以當玻璃肋受力后向上翻轉時， 拉桿由于自身長細比過大(直徑12 mm) ， 無法提供支撐， 所以不能對玻璃肋提供平面外變形的約束，起不到提高玻璃肋穩(wěn)定性的作用。

3.2 玻璃肋的穩(wěn)定性

根據(jù)JGJ 102- 2003 玻璃幕墻工程技術規(guī)范 的規(guī)定， 高度大于8 m 的玻璃肋宜考慮平面外的穩(wěn)定驗算，但規(guī)范并未給出計算方法，這里分別參照國外幕墻規(guī)范中提供的玻璃肋穩(wěn)定計算公式以及有限元軟件中的buckling 穩(wěn)定計算方法進行計算。

3.2.1 參照澳洲幕墻規(guī)范計算結果

依據(jù)澳洲幕墻規(guī)范:

式中 Mcr—極限側向屈曲彎矩， N ·.mm:

L—玻璃肋的高度， mm;

(EI)y—玻璃肋繞弱軸方向的抗彎剛度，N ·mm2;

d —玻璃肋的厚度， mm;

y 0—側向約束與中性軸之間的距離， mm;

GJ—玻璃肋的抗扭剛度， N ·mm2

y k—荷載作用于中性軸之間的距離， mm。

經(jīng)計算: Mcr= 13 3 kN ·m

而風載作用下的荷載效應: M= 31.2 kN ·m。

從計算結果可知，玻璃肋穩(wěn)定性不滿足要求。

3.2.2 有限元buckling 計算

采用sap 進行計算， 計算結果表明，方通傳遞過來的允許極限集中力為: 9 .33 kN; 而風載作用下方通傳遞過來的集中力為: 12 .24 kN。

從計算結果可知， 玻璃肋穩(wěn)定性不滿足要求。考慮到buckling 計算是按第一類穩(wěn)定問題計算的極限承載力，沒有考慮實際存在的初始幾何缺陷和力學缺陷， buckling 計算結果是第二類穩(wěn)定問題極限承載力的上限值，實際承載力要小于buckling 計算結果。

3.2.3 玻璃肋穩(wěn)定性結論

從計算分析結果可知， 玻璃肋穩(wěn)定性不能滿足承載力的要求， 按照澳洲幕墻規(guī)范計算結果可知， 承載力僅為設計荷載的 42. 6% 。

3.3 螺栓連接的可靠性

該幕墻玻璃肋與圓管鋼柱、 豎方通以及拉桿之間均采用螺栓連接， 采光頂交叉撐與節(jié)點板也采用螺栓連接，經(jīng)調查，絕大多數(shù)螺栓連接均未采用彈簧墊圈、 雙螺帽或者點焊固定等防滑措施，檢查人員手擰即松;而且為了美觀需要， 螺桿均未出頭，設計尺寸與螺帽齊平， 螺帽高度較小， 多處螺帽未擰至端部，僅有1~ 2 扣連接， 極易脫落。

同時由于方通和玻璃肋間也采用螺栓連接，在風載往復作用下， 螺栓極易松脫，現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)多處螺帽缺失或者接近脫落。

3.4 支撐體系的布置

該幕墻主要受力的圓管鋼柱間為了美觀，并未設置柱間支撐，在采光頂上設置有若干道交叉撐，提供屋面剛度， 來控制鋼柱沿縱向的柱頂位移。但檢查發(fā)現(xiàn)屋面交叉撐桿件截面過小( 鋼管 40×4mm) ，而交叉撐與節(jié)點板連接采用單個普通螺栓連接，往復作用下極易松動， 已發(fā)生過螺栓掉落，幸未造成人員安全事故。

4 玻璃破損原因分析

從前面分析結果可知， 由于玻璃肋穩(wěn)定性不足，在風載作用下極易發(fā)生失穩(wěn)從而造成剛度迅速下降，玻璃肋不能為豎方通提供側向支撐后，導致豎向方通變形過大，超出了玻璃的允許范圍，玻璃不能與方通等構件間的變形差相協(xié)調一致，發(fā)生破壞。簡而言之，就是玻璃肋的穩(wěn)定性不足導致了幕墻玻璃的大量損壞。

5 結論

該幕墻造型美觀、 新穎， 效果非常輕盈，但從分析結果可知，玻璃肋本身穩(wěn)定性不足，最終導致了幕墻玻璃的大量破壞，如果遭遇更強的風載作用， 豎向方通發(fā)生更大變形， 必然會造成大面積玻璃肋破壞及幕墻玻璃破壞， 后果非常嚴重。

另外屋面交叉撐剛度不足， 連接不可靠，造成螺栓脫落，存在嚴重安全隱患。

在風載往復作用下，玻璃肋螺栓極易發(fā)生松脫，由于幕墻較高( 30 m) ， 任何微小物體的墜落都會對地面人員或設施造成嚴重傷害。

玻璃幕墻在大型公共建筑和高層建筑中應用越來越廣泛，各種造型奇特的幕墻不斷涌現(xiàn)，在追求良好視覺效果的同時， 一定要重視其安全性的設計和評價，做到既美觀又安全。