點(diǎn)支式玻璃幕墻面板受力性能分析

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(lái)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(duì)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(duì)點(diǎn)支式玻璃幕墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，喻支凱[5]對(duì)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(duì)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化，王鑫等[6]則對(duì)點(diǎn)支式玻璃幕墻抗風(fēng)壓性能進(jìn)行了研究分析.國(guó)外， Bucak et al[7]對(duì)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(duì)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(guò)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(lèi)，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(zhǎng)短跨長(zhǎng)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(duì)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(guò)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(kāi)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(duì)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?jī)蓚?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(shuō)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(duì)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(duì)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(guò)程中加強(qiáng)對(duì)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(guò)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(guó)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(guó)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(yáng),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.