全玻璃幕墻設(shè)計

繆 錦 婷

(嘉特納幕墻(上海)有限公司，上海 200000)

1 概述

隨著人們對于建筑外觀的要求越來越高，通透、大氣的裙樓主入口成為了建筑師及業(yè)主首選。在玻璃幕墻體系中，屬全玻璃幕墻最為透明、晶瑩。單樓層櫥窗已不能滿足現(xiàn)今需求，挑高、超寬板塊已漸漸成為主流。

全玻璃幕墻是指由玻璃肋和玻璃面板構(gòu)成的玻璃幕墻。玻璃既作為飾面，又作為承重結(jié)構(gòu)。

全玻璃幕墻按構(gòu)造分為：帶肋全玻幕墻和無肋全玻幕墻(也稱櫥窗)。

按安裝類型分為：座地式和吊掛式。

一般帶肋全玻幕墻采取吊掛式結(jié)構(gòu)，無肋全玻幕墻多采用座地式。

下面通過描述及案例，具體介紹此兩種方式。

2 座地式無肋全玻幕墻

2.1 規(guī)范要求及注意事項

1)根據(jù)規(guī)范JGJ 102—2003，下端支撐全玻璃幕墻最大高度見表1。

表1 下端支撐全玻幕墻的最大高度

但隨著玻璃制造工藝的更新改進，超寬超高全玻璃幕墻應(yīng)用已成為可能，現(xiàn)有很多項目已超出規(guī)范要求值，例如上海恒基名人Apple Store以及下文提及的工程案例等。規(guī)范限制玻璃高度及厚度主要考慮在自重作用下，面板、肋板處于偏心受壓狀態(tài)，容易出現(xiàn)平面外的失穩(wěn)，且玻璃變形較大，影響美觀。如今，夾膠玻璃層數(shù)已不局限于兩層玻璃夾膠，四層、五層玻璃夾膠比比皆是。玻璃厚度的增加以及構(gòu)造措施可以有效解決失穩(wěn)及變形問題，為建筑外觀帶來了更多的可能性。

2)玻璃表面與端面不應(yīng)與剛性材料接觸，容易造成玻璃破損。為避免玻璃破碎，規(guī)范規(guī)定：

a.玻璃底部應(yīng)采用至少兩塊彈性墊塊，長度不小于100 mm，厚度不小于10 mm。

b.玻璃與槽壁間需采用硅酮密封膠，與剛性材料間空隙需不小于8 mm。

c.座地式全玻璃幕墻需驗算自重荷載下玻璃端面及墊塊的強度。

2.2 超高座地式全玻璃幕墻應(yīng)用

下面我們來舉個實例敘述如何通過結(jié)構(gòu)計算及構(gòu)造措施解決超高座地式全玻幕墻存在的問題：

某深圳直營旗艦店項目，位于廣東省深圳市南山區(qū)深南大道與沙河西路交匯處(科技園東區(qū))萬象天地。該項目建筑是獨棟單體，幕墻總高度為16 m，幕墻面積約為3 000 m2。幕墻主要系統(tǒng)包括：1)樓梯側(cè)超大玻璃幕墻系統(tǒng);2)一樓超大落地玻璃幕墻系統(tǒng);3)二樓立面玻璃幕墻系統(tǒng);4)二樓裙邊玻璃幕墻系統(tǒng)；5)超大玻璃欄桿系統(tǒng)。

樓梯側(cè)超大玻璃幕墻系統(tǒng)最大高度為9 000 mm，寬度為1 500 mm，采用12+1.52SGP+12+1.52SGP+12+1.52SGP+12+1.52SGP+12超白鋼化均質(zhì)玻璃，共5片，頂?shù)撞捎娩摬弁ㄟ^螺栓與主體鋼架連接。

玻璃結(jié)構(gòu)校核如下：

由于采用SGP夾膠片，保守計算等效厚度為所有玻璃厚度相加，實際計算等效厚度會大于此值。

玻璃等效厚度為t=12+12+12+12+12=60 mm；

風壓標準值為Wk=1.77 kPa。

按對邊簡支考慮，根據(jù)規(guī)范計算得：

變形值為：df=102.9 mm<變形允許值：9 000/60=150 mm;

應(yīng)力值為：σ=47.5 MPa<強度設(shè)計值：84 MPa。

根據(jù)Sap2000按實際受力建立模型計算得：

變形值為：df=12.78 mm;

應(yīng)力值為：σ=50.4 MPa。

變形圖見圖1，應(yīng)力圖見圖2。

模型主要考慮了玻璃間結(jié)構(gòu)膠的作用，使玻璃互相依靠，有效控制變形，而公式計算則完全考慮豎向邊不受約束，與實際存在差異，因此模型計算更能反映實際結(jié)果。

從模型中我們能看到玻璃底部只有一個承重點，節(jié)點參考圖3，與規(guī)范要求不符，那么為何會如此設(shè)計。原因就是為了避免因玻璃過高引起左右玻璃的豎向沉降不一致，出現(xiàn)錯縫現(xiàn)象。我們將一般工程玻璃高度及層間位移角與此工程的特殊情況做了對比，具體對比數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 不同高度玻璃的變形

通過對比我們發(fā)現(xiàn)玻璃豎向位移相差非常多，若底部墊兩個墊塊，容易造成其中一個墊塊失效，玻璃更會撞到槽底，造成破壞。因此考慮在正中位置裝置搖擺器承重，保證玻璃承重不出現(xiàn)問題，始終處于垂直狀態(tài)，同時能滿足樓層間的變形要求,見圖3。

3 吊掛式帶肋全玻幕墻

3.1 規(guī)范要求及注意事項

1)玻璃肋結(jié)構(gòu)及構(gòu)造要求。

a.玻璃肋截面厚度不小于12 mm，高度不小于100 mm。

燈樁設(shè)計建設(shè)標準化主要效果：從建設(shè)方而言，減少勘察設(shè)計工作量、降低建設(shè)成本、縮短建設(shè)周期、方便施工管理和工程質(zhì)量控制、便于維護管理。從航標用戶而言，統(tǒng)一顏色便于識別、燈樁成鏈信號更可靠。

b.采用夾膠玻璃的玻璃肋，其等效厚度可取玻璃厚度之和。

c.風荷載作用下，玻璃肋撓度限制取1/200跨度。

d.玻璃肋跨度大于8 m，需進行平面外穩(wěn)定驗算。

2)玻璃肋連接要求。

a.連接玻璃肋的金屬件厚度不小于6 mm，連接螺栓直徑不小于8 mm。

b.采用夾膠玻璃的玻璃肋，其等效厚度可取玻璃厚度之和。

c.螺栓與玻璃孔之間應(yīng)設(shè)置軟鋁、軟銅等金屬襯套，也可采用環(huán)氧膠填充密實。

d.玻璃肋孔邊距離需大于3倍玻璃厚度和2倍孔徑，且大于70 mm。相鄰兩孔邊距大于5倍玻璃厚度和4倍孔徑，孔中心距小于8倍孔徑。

e.計算連接時，需考慮玻璃孔壁承壓及孔內(nèi)填充材料的擠壓強度。

3.2 超高吊掛玻璃肋全玻幕墻應(yīng)用

下面我們結(jié)合實際工程案例來闡述一下超高吊掛玻璃肋全玻幕墻的設(shè)計要點：

某商業(yè)建筑底層，位于北京市通州區(qū)，裙房入口采用吊掛式玻璃肋全玻幕墻，最大高度為9 m，面板玻璃寬度為1 500 mm。玻璃肋頂部通過吊夾連接于主體結(jié)構(gòu)，底部入槽固定，留有上下位移空間。玻璃面板分為上下兩片，上片重量通過頂部吊夾傳遞于主體結(jié)構(gòu)，下片重量通過連接件連接于玻璃肋底部，由玻璃肋承擔重量，因此在自重作用下，玻璃肋呈偏心受拉狀態(tài)。在風荷載作用下，玻璃肋頂?shù)走B接，可看做簡支梁模型。故可將玻璃肋看做拉彎構(gòu)件。

本工程玻璃肋采用15 mm+1.78SGP+15 mm+1.78SGP+15 mm的三片夾膠玻璃，寬度根據(jù)計算取500 mm，風荷載標準值為1 kPa，組合荷載設(shè)計值為2.13 kPa。

玻璃肋最大彎矩M=qL2/8=(1 500 mm×2.18 kPa)×(9 000 mm)2/8=33.11 kN·m。

1)穩(wěn)定性校核如下(參考澳大利亞規(guī)范AS 1288—2006)：

有效防失穩(wěn)剛性約束的間距，一般取玻璃肋跨度：Lay=h=9 000 mm；

玻璃肋繞弱軸方向抗彎剛度：EIy=d×t3/12=72 000 MPa×500 mm×(45 mm)3/12=273.37 kN·m2；

屈曲系數(shù)：g2=3.6,g1=1.4;

玻璃肋抗扭慣性矩：J=db3/(1-0.63b/d)/3=1 432.64 cm4;

玻璃肋抗扭剛度：GJ=28.7 GPa×1 432.64 cm4=411.17 kN·m2;

荷載作用點與玻璃肋中性軸距離：yh=500 mm/2=250 mm;

玻璃肋的屈曲臨界彎矩：Mcr=(g2/Lay)[(EIy)(GJ)]1/2{1-g3(yh/Lay)[(EIy)(GJ)]1/2}=129.85 kN·m。

安全系數(shù)為1.7,考慮國標計算荷載時已包含安全系數(shù)1.4，且國內(nèi)外對于材料安全系數(shù)取值有所差異，因此按屈曲臨界彎矩大于玻璃肋承受彎矩荷載設(shè)計值的1.14倍作為校核依據(jù)。

Mcr/1.14=113.91 kN·m>M=33.11 kN·m。

綜上所述，此玻璃肋的整體穩(wěn)定性滿足要求。

2)吊掛玻璃肋除了注意穩(wěn)定性，還需要注意吊掛位置的連接設(shè)計，如下：

a.由于此節(jié)點除了承受直接風荷載及自重作用，還要考慮彎矩引起形成的剪力值，為了盡量減小此剪力值，設(shè)計時需盡可能加大螺栓間距，同時也要考慮邊距破壞影響。

b.由于玻璃開孔存在偏差，且螺栓與玻璃孔之間存在間隙，容易導致玻璃旋轉(zhuǎn)，甚至出現(xiàn)單片玻璃受力的情況，因此需要在此間隙填充軟性材料，且要求材料有較強的抗擠壓性能，例如喜利得HY-70。

本工程采用喜利得HY-70填充，經(jīng)計算單顆螺栓所受合成剪力值為6.43 kN，玻璃面擠壓力為2×6.43 kN=12.86 kN，玻璃厚度為45 mm，螺栓直徑為20 mm，根據(jù)表3得出5.1 kN+9.8 kN=14.9 kN,滿足設(shè)計要求。

表3 喜利得結(jié)構(gòu)膠承載設(shè)計值

根據(jù)產(chǎn)品手冊要求，螺栓或套筒與玻璃孔之間的間隙應(yīng)在3 mm～20 mm之間，且溫度要在60 ℃以下，才能使此材料有效工作，保證結(jié)構(gòu)安全。另外需注意玻璃開孔工藝上，孔壁不平整度應(yīng)不小于1.0 mm。

4 方案對比

座地式無肋玻璃幕墻及吊掛式帶肋玻璃幕墻都是以全玻璃幕墻形式體現(xiàn)，前者由于其通透性、室內(nèi)空間阻擋少，更受建筑師喜愛，但由于玻璃面板需要厚度較厚，面積多超標準規(guī)格，價格也就稍高。后者在工程上的運用相較前者更為普遍，但現(xiàn)場施工方面也相應(yīng)增加難度，例如現(xiàn)場打膠、玻璃拼接等問題。從性價比考慮，更多業(yè)主會選擇后者，既能達到一定的通透性，也不至于價格過高。

5 結(jié)語

跨層全玻幕墻的應(yīng)用越來越廣泛，而國內(nèi)的規(guī)范對于這部分還屬于初級階段，對超高玻璃肋的穩(wěn)定性計算國內(nèi)規(guī)范更是空白，本文主要針對此空缺做了簡要描述，結(jié)合實際工程案例，對全玻璃幕墻的兩種形式給出了一些建議和注意事項，供大家參考。