拉索玻璃幕墻抗風壓安全性能實驗研究

駱瑞萍 周海鷗

(湖北省建筑科學研究設計院，湖北 武漢 430071)

0 引言

玻璃幕墻由于其采光面積大、外表華麗、造型美觀，施工便利，因而被廣泛用于各種建筑物的外圍護結構，是現代建筑的重要組成部分。隨著現代結構設計水平的發展，玻璃幕墻結構形式由單一的框架式發展為更多元化，其抗風壓性能也越來越受到重視［1-4］。樓文娟等通過試驗方法研究了“L 形”和“一字形”幕墻的風壓分布特性［5］，董軍等通過風洞試驗分析了復雜環境中玻璃幕墻設計風壓［6］。預應力拉索幕墻作為支撐結構的玻璃幕墻以其簡潔通透，施工速度快，節省空間的特點越來越廣泛的應用于幕墻結構形式中［7］，但是它抗風壓安全性能缺少深入的研究。本文將通過室內實驗方法對拉索幕墻的風壓變形性能進行分析，對其安全性進行評價。

1 拉索幕墻特點及實驗概況

預應力拉索結構體系是點支幕墻建筑較新的一種支撐結構。其桿件纖細，結構輕盈，越來越受到建筑設計者的青睞。但是它卻是一種具有較大張力索的柔性結構，其剛度比較小，抗風壓變形大，結構工作敏感性強。風壓作用下的變形控制是設計和施工的難題。

本實驗拉索幕墻箱體為自行設計的豎向拉索玻璃幕墻，主要由錨索、錨定結構、索桁架、玻璃面板、連接爪及墊層材料組成。本試驗板塊尺寸為10.9 m×10.6 m，由6 根索和25 塊中空玻璃組成。張拉索根據索的張力對稱布置，從左到右張力分別為180.87 kN，125.0 kN，103.9 kN，103.9 kN，125.0 kN，180.87 kN。拉索直徑為38 mm 高釩索，玻璃尺寸為2.5 m×2.0 m。試驗變形風壓為0.4 kPa，極限試驗風壓為1.0 kPa。

2 拉索幕墻實驗研究

2.1 實驗方法

在試件拉索及玻璃上，安裝好位移測量儀器。第二根拉索和第三根拉索分別布置3 個測點(測點1～測點6)，測點位置為受力拉索的中點位置和兩端頭向中心移10 mm 處。玻璃測點位置布置在玻璃的中央處(測點7)。

測點布置如圖1 所示。

首先在正負壓施加前分別施加三個壓力脈沖，壓力差絕對值為500 Pa，持續時間為3 s，加壓速度宜為100 Pa/s，等到壓力回0后開始進行實驗。

2.2 變形測量

第一階段實驗為正負風壓實驗。

先進行正風壓實驗，后進行負風壓實驗。實驗壓力分級升降;每級升、降壓力差值不超過風荷載標準值的10%，每級壓力作用時間不少于10 s。壓力的升、降值達到幕墻風荷載標準值的40%(p1=400 Pa)時停止實驗。記錄每級壓力差作用下的面法線位移量。

圖1 測點布置圖

第二階段實驗為反復受荷實驗。

以實驗壓力p2=600 Pa 為平均值，以平均值的1/4 為波幅(450 Pa～750 Pa)，進行波動實驗，先后進行正負風壓實驗。波動壓力周期為5 s～7 s，波動次數不少于10 次。記錄反復實驗風壓值±p2，并記錄出現功能性障礙或損壞的狀況和部位。

第三階段實驗以p3=1 000 Pa 進行安全性分析。

壓力持續時間不少于3 s。測試面法線的位移量、功能障礙或損壞的狀況和部位。

2.3 實驗結果分析

根據測點1～測點7 分別在不同的壓力差下實驗得出的變形量計算出拉索2、拉索3 和玻璃的面法線撓度值，計算結果如表1所示。

表1 面法線撓度值

實驗得出，拉索2、拉索3 和玻璃在正向和負向安全檢測時的面法線殘余變形量均為0 mm;但是，正向變形實驗時的面法線殘余變形分別為6.53 mm，10.84 mm 和2.26 mm，負向變形實驗的面法線殘余變形分別為6.75 mm，11.03 mm 和2.18 mm。面法線撓度的變化規律如圖2 所示。拉索2、拉索3 和玻璃的變形實驗時的面法線位移均為非線性變化。達到最大風壓時，拉索的最大撓度值為149.87 mm，設計計算容許值為196 mm;玻璃最大撓度值為40.51 mm，設計計算容許值為40.8 mm。實驗發現，在設計風壓下，各構件均處于彈性變形狀態，抗風壓變形試驗值與設計計算值比較吻合。

圖2 面法線撓度變化規律

2.4 結構安全性評價

根據抗風壓實驗前后的氣密性結果來判斷拉索玻璃幕墻結構的安全性。抗風壓實驗之前，壓力差為300 Pa 時，幕墻整體透氣量為31.10 m3/h，單位面積透氣量為0.31 m3/h·m-2，符合設計要求。抗風壓實驗之后，壓力差為300 Pa 時，幕墻整體透氣量為32.60 m3/h，單位面積透氣量為0.33 m3/h·m-2。前后相差為4.8%，在工程允許誤差范圍內。因此原幕墻結構在風壓設計荷載作用下，各部分構件均未發生破壞現象。

3 結論與建議

拉索幕墻作為一種新興的幕墻結構，由于其剛度小，變形大，拉索和幕墻玻璃的面法線撓度隨風壓差的增大呈非線性增加的變化趨勢。需對其進行詳細的變形驗算及抗風壓試驗，使之滿足其抗風壓變形要求。

［1］顧 明，黃 鵬.雙層玻璃幕墻風壓分布特性的試驗研究［J］.建筑結構，2005，35(6):68-71.

［2］蔣 荃，劉玉軍，劉正權.鋁塑復合板幕墻抗風壓性能試驗研究［J］.新型建筑材料，2006(8):58-60.

［3］張士翔.建筑幕墻風壓變形性能檢測數據與常見現象分析［J］.門窗，2007(9):13-15.

［4］駱瑞萍，劉 凡.建筑門窗幕墻抗風壓變形檢測［J］.中華建設，2012(12):250-251.

［5］樓文娟，張 敏，沈國輝.L 形和一字形雙層幕墻平均風壓分布特性的試驗研究［J］.建筑結構學報，2009，30(1):120-125.

［6］董 軍，毛黎明，季克和.復雜環境中玻璃幕墻設計風壓風洞試驗［J］.自然災害學報，2009，18(6):175-181.

［7］張連飛，區 彤，譚 堅.拉索幕墻在建筑工程中的應用［J］.建筑結構，2013，43(S1):371-376.