單層索網點支承式既有玻璃幕墻安全評估分析

徐艷華 張玉萍 黃楠 馮功斌 馬敏波

【摘要】近期，既有建筑幕墻的安全性正被高度關注。通過對濟南市某單層索網點支承式既有玻璃幕墻進行安全評估，研究了索網點支承式玻璃幕墻外觀及密封膠耐久性、玻璃面板安全性、拉索及支承結構的安全評估方法，并給出了評估結論及建議。

【關鍵詞】單層索網;點支承式玻璃幕墻;安全評估

單層索網點支承玻璃幕墻能夠充分展示點式玻璃幕墻無遮擋、結構簡單、視野開闊的優勢，因而被建筑師廣泛用于機場航站樓、會展中心及景觀走廊等建筑的外裝飾，使得整個建筑晶瑩剔透又雄偉宏大。近期，既有建筑幕墻的安全性正被高度關注，對用于上述重要公共場所的單層索網點支承既有玻璃幕墻定期進行安全評估分析尤為必要[1-3]。

1.工程概況

濟南市某單層索網點支承玻璃幕墻工程（圖1所示）于2007年建成并投入使用。建筑主體結構為鋼結構，幕墻長度516m，高度14.5m;豎向拉索規格Ф22mm，跨度14.5m;橫向拉索規格Ф19.5mm，跨度9m。玻璃面板規格為10mm+12A+10mm-Low-E鋼化中空玻璃。該幕墻使用過程中未曾發生過安全事故。由于幕墻投入使用時間超過10年，業主委托對該幕墻進行安全評估分析。

2.外觀及密封膠耐久性安全評估

對單層索網點支承玻璃幕墻分別從室外及室內進行整體外觀檢查，檢查結果如下。

2.1幕墻玻璃板塊無破損及脫落現象;

2.2幕墻東部靠近端部位置兩處玻璃板塊存在明顯色差，經檢查其中一塊中空玻璃因內部起霧、結露而產生色差，另外一塊玻璃為后更換中空玻璃與初始安裝玻璃存在色差;

2.3經檢測，幕墻豎向密封膠膠縫及幕墻墻面垂直度符合要求，幕墻平面度及膠縫直線度符合要求。

檢查耐候密封膠耐久性發現，玻璃板塊之間豎向密封膠縫無開裂、起泡及脫膠現象，密封膠有較好的彈性并與玻璃粘接良好。幕墻室外側玻璃底部收口部位，部分密封膠縫出現開裂現象，如圖2所示。

3.玻璃面板安全評估

玻璃面板通過固定于索網節點的梅花夾具與索網連接，玻璃面板安全評估包括現場檢查及玻璃結構校核?，F場主要檢查玻璃面板的表面應力及玻璃與梅花夾具連接可靠性。玻璃結構校核是指校核計算玻璃面板剛度和強度與標準規范要求的符合性。

3.1現場檢查

3.1.1鋼化玻璃表面應力檢測

現場抽取4片鋼化玻璃檢測表面應力，檢測結果見表1。鋼化玻璃表面應力檢測結果符合標準要求。

3.1.2玻璃與梅花夾具連接可靠性檢查

現場檢查玻璃與梅花夾具連接情況，室外側梅花夾具蓋板內的緊固螺栓松動較普遍。梅花夾具結構形式及防水防松示意圖如圖3所示。前壓板緊固螺栓松動，使得壓板與玻璃面板之間出現間隙，玻璃在載荷作用下會產生晃動，從而易導致玻璃破損甚至脫落。

梅花夾具與索網連接螺栓未見明顯松動。

3.2玻璃結構校核

校核計算高度14.5m，依據現行規范計算該高度位置風荷載標準值為1.051kN/m2，水平地震作用標準值為0.102kN/m2。水平作用載荷設計值組合值為水平風荷載設計值與水平地震作用設計值二者的組合值。

3.2.1玻璃剛度校核

玻璃剛度校核即計算風荷載標準值作用下玻璃的撓度是否滿足標準要求。中空玻璃寬度與高度分格尺寸為1500mm×2300mm，玻璃四角支承于梅花夾具內。中空玻璃撓度計算時玻璃厚度采用等效厚度，等效厚度計算值為12mm。采用有限元軟件建模，按照大變形迭代解算方法模擬玻璃面板撓度大小。

玻璃撓度解算結果最大撓度10.049mm，產生于玻璃面板中心位置。四點支承玻璃撓度許用值為2300/60=38.3mm，玻璃撓度校核結果符合標準要求。

3.2.2玻璃強度校核

玻璃強度校核即為計算水平載荷設計值組合值作用下玻璃的應力是否滿足標準要求。由于中空玻璃內外單片玻璃厚度相同，僅校核直接承受水平荷載作用的單片玻璃應力大小。直接承受水平荷載大小為水平作用載荷設計組合值的0.55倍。

有限元建模后，為了模擬玻璃四角部位約束情況，對玻璃模型四角部位半徑為60mm的1/4圓周區域施加固定約束。施加水平荷載約束，按照大變形迭代解算方法模擬玻璃面板應力大小。

玻璃應力解算結果顯示，面板最大應力值出現在梅花夾具邊緣附近，該位置因有應力集中作用使得最大應力值為59.4MPa。玻璃面板計算應力值小于鋼化玻璃大面強度許用應力值，符合標準要求。

4.拉索及支承結構安全評估

拉索安全評估包括拉索張拉力檢測及索網結構剛度和強度校核，支承結構安全評估主要檢查拉索兩端連接耳板與鋼結構承載件焊縫質量以及承載件是否發生變形損壞等功能障礙。

4.1拉索安全評估

4.1.1拉索張拉力檢測

為了減小風荷載對拉索初始張拉力檢測結果的影響，拉索張拉力檢測選擇無風或風力較小天氣條件下進行。現場對每跨鋼結構柱之間的豎向拉索抽樣檢測了相鄰兩根拉索的張拉力，抽樣檢測了部分橫向拉索的張拉力。豎向拉索最大張拉力為99.4kN，位置為E38-E39跨第3道豎向拉索。豎向拉索最小張拉力為83.4kN，位置為E21-E22跨第1道豎向拉索。豎向拉索張拉力檢測結果均大于設計初始張拉力（80kN）。

同一塊玻璃面板固定于左右相鄰兩根豎向拉索上，相鄰拉索張拉力差值大小關系到玻璃面板的安全性。相鄰豎向拉索張拉力差值統計情況見表2。拉索張拉力差值不大于5kN有43根，差值在5～10kN之間的有14根，差值大于10kN的有2根。

4.1.2索網剛度校核

對相鄰立柱間豎向拉索與橫向拉索組成的索網建立有限元分析模型，通過定義拉索單元實常數中的初始應變賦予拉索初始張拉力大小。在拉索端部施加固定約束，在索網節點施加風荷載集中力標準值[4]，按照大變形迭代解算方法解算分析拉索撓度的大小。索網撓度解算結果如圖4所示。

索結構技術規程規定“單層平面索網玻璃幕墻的最大撓度與跨度之比不宜大于1/45”，據此條豎索撓度許用值為14500/45=322.2mm，橫索撓度許用值為9000/45=200mm。豎索與橫索最大撓度值為258.0mm，產生于索網中心位置。豎索撓度滿足規范要求，橫索撓度不滿足規范要求。

考慮到玻璃面板對索網體系剛度的貢獻作用[5]，另外建模分析風荷載作用下索網節點連接梅花夾具支承玻璃面板有限元模型的撓度大小。梅花夾具采用梁單元模擬，設定中空玻璃單元參數時使用其等效厚度值。垂直玻璃面板的水平荷載大小為風荷載標準值。解算后，模型撓度云圖如圖5所示。索網最大撓度113.1mm。對比不含玻璃面板時拉索撓度解算結果，玻璃面板對于索網體系剛度的貢獻為（258.0-113.1）/258=56.2%。

綜合以上計算結果，索網撓度符合規范要求。

4.1.3索網強度校核

索網強度校核，需要將索網剛度計算模型中的風荷載集中力標準值修改為水平荷載集中力設計值，進而按照大變形迭代解算方法解算拉索應力大小。

分析索網應力解算結果，豎向拉索最大軸向應力435.1MPa，位于中間豎索頂部位置，該拉索工作拉力為124.6kN，小于其最小破斷拉力（336.23kN）;橫向拉索最大軸向應力378.4MPa，位于中間橫索端部位置，該拉索工作拉力為89.8kN，小于其最小破斷拉力（278.62kN）。索網強度滿足要求。

上述計算模型拉索初始張拉力大小均為設計值，經計算當豎向拉索張拉力達到檢測最大值99.4kN時，該拉索最大應力值為495.7MPa，拉索工作拉力為141.9kN，小于其最小破斷拉力。

4.2支承結構安全評估

索網幕墻支承結構檢查檢測結果，鋼結構立柱、水平支承鋼柱及拉索耳板鋼材壁厚及防腐處理符合要求，鋼構件無變形、損壞現象。拉索兩端連接耳板與鋼結構承載件之間焊縫無裂紋、銹蝕等缺陷。

索網幕墻支承結構安全評估結果符合要求。

5.結論及建議

對長期使用的單層索網點支承式既有玻璃幕墻進行安全評估分析十分必要。通過這次安全評估分析得出如下結論及建議：

5.1幕墻外觀及密封膠耐久性安全評估合格，建議對影響使用功能及外觀效果的兩塊玻璃面板進行更換，應對幕墻室外側玻璃底部收口處密封膠局部開裂部位重新進行注膠修復。

5.2現場檢查玻璃與梅花夾具連接情況，室外側梅花夾具蓋板內的緊固螺栓松動較普遍，建議按照施工圖紙要求在緊固螺釘螺紋涂緊固膠后重新進行螺栓緊固。梅花夾具邊緣部位玻璃易產生應力集中，應保證玻璃面板與夾具之間的橡膠墊片有良好的彈性，避免玻璃應力過大而發生破損。

5.3依據索網張拉力檢測結果，個別相鄰豎向拉索張拉力差值過大，應適當調整拉索張拉力。

索網點支承式玻璃幕墻外觀及密封膠耐久性、玻璃面板安全性、拉索及支承結構安全評估的研究，為今后索網點支承式既有玻璃幕墻安全評估的開展積累了經驗。

參考文獻

[1] 萬成龍，王洪濤，張山山等.平行拉索式點支承既有玻璃幕墻安全評估分析[J].建筑科學.2018，34（5）：107～112

[2] 陳武雄，賈傳勝.建筑幕墻結構檢測與評價方法研究[J].工程建設與設計.2017（18）：22～23

[3] DBJ/T14-096-2013.既有玻璃幕墻檢驗評估技術規程[S]

[4] 曹金章.基于ANSYS的單層索網幕墻結構幾何非線性有限元分析[J].建設科技.2018（10）：8-13

[5] 王元清，孫芬，石永久等.點支式玻璃幕墻單層索網體系承載性能試驗研究[J].東南大學學報2005，35（5）：769～774

（作者單位：1.山東省建筑科學研究院;2.濟南大學）

【中圖分類號】TU228

【文獻標識碼】A

【文章編號】【文章編號】1671-3362（2019）07-0054-03