玻璃幕墻風荷載設計研究

王敬麗，李 寧

(河北工程大學土木工程學院，河北邯鄲056038)

所謂的建筑幕墻就是由支承結構體系與面板組成的、可相對主體結構有一定位移能力、不分擔主體結構所受作用的建筑外圍護結構或裝飾性結構。

隨著玻璃幕墻這種外裝修圍護結構的興起，國內外高層建筑采用玻璃幕墻的迅速增多，玻璃幕墻的建筑技術發展也十分迅速，如：北京長城飯店(22層，83.85 m高)、北方國際傳媒中心(26層，104.3 m高)、芝加哥西爾斯大廈(110層，442 m高)、芝加哥漢·考蘭大廈(100層，344 m高)、德國慕尼黑奧林匹克體育館等，許多著名的建筑都以玻璃幕墻為外部裝修。

作為一種新型產業，玻璃幕墻的結構設計也是研究者主要的研究對象，其主要問題是抗風和抗震設計，但相對于抗震來說，風荷載是玻璃幕墻所受的主要荷載。故本文通過有限元的計算方法，對玻璃幕墻的三種形式分布進行了抗風設計的對比研究。

1 玻璃幕墻的三種構造形式

玻璃幕墻形式各異, 設計計算所依據的力學模型也不盡相同, 因此, 有限元的計算方法在幕墻設計計算過程中被廣泛采用。按照玻璃板塊的支承形式進行分類, 玻璃幕墻可分為框支承幕墻、點支承幕墻以及全玻幕墻。下面分別介紹玻璃幕墻的三種不同構造形式。

框支承玻璃幕墻(frame supported glass curtain wall): 玻璃面板四周由金屬框架支承的玻璃幕墻(圖1)。框支承玻璃幕墻最外面是玻璃板塊, 它支承在鋁合金橫梁上, 橫梁與立柱連接, 立柱則懸掛在主體結構上。上、下層立柱通過活動接頭連接, 可以相對移動, 以適應溫度變形和樓層的軸向壓縮變形。按幕墻形式分：明框玻璃幕墻、隱框玻璃幕墻、半隱框玻璃幕墻；按幕墻安裝形式分：單元式玻璃幕墻、構件式玻璃幕墻。

(1—橫梁；2—立柱)圖1 框支承玻璃幕墻截面示意

全玻幕墻(full glass curtain wall):由玻璃肋和玻璃面板構成的玻璃幕墻，其結構形式如圖2所示。全玻玻璃幕墻的結構有單肋和雙肋兩種形式。全玻玻璃幕墻的板面不得與其他剛性材料直接接觸。其板面與裝修面或結構面之間的空隙不應小于8 mm，且應采用密封膠密封。

(a)單肋 (b)雙肋(1—玻璃肋；2—玻璃面板)圖2 全玻幕墻玻璃肋截面示意

點支承玻璃幕墻(point-supported glass curtain wall)：由玻璃面板、點支承裝置和支承結構構成的玻璃幕墻。點支式玻璃幕墻的玻璃面板一般僅由支承點支承, 通常為四角支承(圖3), 也有六點或八點支承[2]。面板玻璃一般采用鋼化夾膠玻璃, 也有少數采用中空鋼化玻璃。

圖3 四點支承玻璃幕墻示意

2 有限元計算方法

本文根據模擬風壓作用下三種不同安裝結構的玻璃幕墻結構各自的受力特點, 對其分別建立了不同的玻璃幕墻結構的有限元模型。

2.1 框支承玻璃幕墻的有限元模型簡化

根據框支承玻璃幕墻的受力特點，設定立柱的兩端與靜壓箱之間的連接視為鉸接, 而梁柱間的連接為剛性連接，本文采用彈性桿單元通過改變其剛度來模擬立柱上下兩端節點處的半剛性狀態[7]。模型自由度的約束依據玻璃幕墻的安裝結構形式來實現。立柱懸掛結構體上, 桿件上端固定, 下端釋放其軸線方向的自由度, 以減小立柱軸向由于溫度變化而產生的應力。橫梁兩端與立柱固定連接,玻璃板塊四邊支撐于立柱與橫梁上。在對橫梁、立柱進行有限元計算時采用考慮軸向力和剪切變形的空間梁單元, 對玻璃采用彈性薄殼單元。

2.2 全玻玻璃幕墻的有限元模型簡化

對于全玻玻璃幕墻的結構形式，面板玻璃通過膠縫與玻璃肋相連結時，面板可作為支承于玻璃肋的單向簡支板設計。面板與玻璃肋的連接按鉸接設計。有限元計算采用彈性-大變形有限元分析模塊，計算過程中可以忽略玻璃膠縫的寬度。

2.3 點支承玻璃幕墻的有限元模型簡化

點支承玻璃幕墻的玻璃面板由支承點支承, 通常為四點支承、六點支承、八點支承等，在風荷載作用下，其受力可簡化為四角簡支受力或多點簡支受力。由彈性薄板的小撓度彎曲變形理論，點支承玻璃面板的彎矩與撓度可采用彈性薄板的有限單元法程序計算[4]。

在進行計算的過程中，風荷載的施加以均布荷載的形式垂直作用于各個玻璃板塊的表面。

完成上述有限元計算前處理工作后, 進入ANSYS的求解模塊(圖4), 選擇分析類型為靜態分析, 進行解算,如圖5所示為三種玻璃幕墻結構分別在ANSYS軟件中的計算流程圖。求解完成以后, 在后處理模塊中查看分析結果，然后進一步對三種安裝結構形式進行對比分析，進而做出進一步的總結分析。

圖4 ANSYS軟件進行中的模型輸入

3 實例計算及結構分析

如將玻璃幕墻的平板玻璃選取為2 m×2 m的方形平板面，板厚為1.4 cm。現在在玻璃板面的垂直方向上施加0.14

圖5 幕墻結構在有限元程序中計算的流程

N/cm2的風壓力。本例中，框支承玻璃幕墻選用常用的明框玻璃幕墻形式，全玻玻璃幕墻選用單肋玻璃幕墻的結構形式，點支承玻璃幕墻選用四點支承的結構形式。

利用上述方法對三種不同的安裝構造形式進行有限元計算程序求解，從計算后可獲得各幕墻結構形式的最大彎曲應力值，見表1。

表1 各種幕墻結構形式最大彎曲應力 N/cm2

通過有限元計算程序求解取得的最大應力值表中可以看出，框支承玻璃幕墻的最大應力彎曲值遠小于規范玻璃的允許應力。而全玻玻璃幕墻和點式玻璃幕墻主應力遠遠超過了設計的允許應力，而且點式玻璃幕墻是極其集中的破壞應力，對結構的破壞性能較強。

4 結束語

從以上的分析中可知，有框式玻璃幕墻是相對較安全的結構形式。雖然，全玻玻璃幕墻和點式玻璃幕墻具有外形美觀、通透性好等特點，但是由于全玻玻璃幕墻和點式玻璃幕墻結構形式易產生極其嚴重的破壞應力，故在以后的選用和施工中需要特別的注意。

[1] 李創第,管昌生,李桂青,等.高層建筑玻璃幕墻的風壓和風振計算[J].廣西工學院學報,1996,7(4):26-31

[2] 童麗萍,李明.風荷載作用下玻璃幕墻結構的受力分析與計算[J].工業建筑,2000,30(4):27-30

[3] 洪天華,李宏男.風荷載作用下單層平面索網體系點支式玻璃幕墻的動力性能研究[J].防災減災工程學報,2008,28(2):156-162

[4] 韋林,蔣偉.風荷載作用下點支式玻璃幕墻的受力分析[J].建筑施工,2006,28(5):401-403

[5] 劉忠偉，孫加林,洪彥若.點接式玻璃幕墻抗風壓性能[J].北京科技大學學報,1999,21(5):472-475

[6] 吳奕生，陳海,郭金基.點式玻璃幕墻有限元法的計算[J].機電工程技術,2003,32(4):48-49

[7] 史寶軍，尹曉江，張瑞軍,等.玻璃幕墻結構力學性能試驗分析與數值模擬[J].山東建筑大學學報,2006,21(6):474-479