大跨度玻璃幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計分析

李巖

邁進外墻建筑設(shè)計咨詢（上海）有限公司 上海 200235

引言

玻璃作為脆性材料，不適宜作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件，隨著PVB膠片的應(yīng)用，特別是SGP膠片的技術(shù)采用，夾膠玻璃可以作為玻璃結(jié)構(gòu)廣泛應(yīng)用在建筑幕墻工程上。本項目根據(jù)建筑立項及效果要求，采用大跨度玻璃幕墻，特別是盡量減小橫豎向龍骨的尺寸，所以采用了大跨度自承重互為玻璃肋結(jié)構(gòu)體系，每塊玻璃面板作為相鄰玻璃面板的玻璃肋，玻璃面板之間互相傳力及支撐，通過構(gòu)造設(shè)計與計算分析，最后確定了本受力構(gòu)造滿足項目的各項要求。本項目設(shè)計理論可以廣泛應(yīng)用類似案例設(shè)計，在相對尺寸偏小的工況下，可以采用更加優(yōu)化的配置，即節(jié)約造價，同時創(chuàng)新的幕墻設(shè)計為項目效果增加特點。

1 項目概況

2018年6月北京城市副中心綠心圖書館項目立項，該項目位于北京市城市副中心綠心森林公園旁，項目地上建筑面積約5萬m2，建筑高度22m。建筑設(shè)計對外幕墻要求采用玻璃結(jié)構(gòu)，盡量空透減少橫豎向龍骨構(gòu)件，幕墻豎向跨度21m，水平分割為2.5～3m寬度范圍。

2 難點分析

主體結(jié)構(gòu)為鋼框架結(jié)構(gòu)形式，屋面為大跨度鋼結(jié)構(gòu)支撐形式，鋼立柱截面約為500mm寬，600mm長，在地震和風荷載等水平荷載作用下最大水平位移約為45mm。為了凸顯玻璃幕墻空透性，考慮采用超大尺寸玻璃結(jié)構(gòu)設(shè)計。為了滿足建筑設(shè)計要求及保證結(jié)構(gòu)安全性等方面因素，在設(shè)計過程中采用哪種幕墻結(jié)構(gòu)適用于本項目構(gòu)造是設(shè)計階段重點考慮及研究的工作內(nèi)容。

由于主體屋面結(jié)構(gòu)厚度受一定限制，無法采用空間鋼桁架結(jié)構(gòu)，屋面鋼橫梁無法支撐玻璃自重荷載，所以結(jié)構(gòu)體系首先考慮為自承重龍骨體系，玻璃分割尺寸較大，在2.5m～3m之間，玻璃橫向及豎向結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸較大，不符合構(gòu)件纖細的設(shè)計要求。受蘋果店項目建筑玻璃結(jié)構(gòu)系統(tǒng)啟發(fā)，本項目采用超大玻璃板塊設(shè)計，考慮到國內(nèi)玻璃生產(chǎn)尺寸限制，從地面標高5米到屋頂主體結(jié)構(gòu)設(shè)置通長玻璃板塊，玻璃面板之間形成一定夾角，以形成玻璃板塊之間互相支撐及傳遞水平荷載的受力體系。

其他考慮方向為在玻璃接縫位置設(shè)計豎向鋼構(gòu)件或玻璃肋：由于鋼構(gòu)件豎向跨度較大，應(yīng)采用500mm截面的龍骨，對玻璃的空透性設(shè)計有一定影響；玻璃肋構(gòu)件尺寸約1000mm，對室內(nèi)使用空間有一定影響，且玻璃肋由于尺寸大，水平僅有一個方向約束，平面外穩(wěn)定性不好，所以也不作為推薦方案。最后采用自承重互為玻璃肋的支撐結(jié)構(gòu)[1]。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計主要參數(shù)

3.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計荷載及工況組合

恒載：幕墻恒荷載為2.95kN/m2主要為玻璃自重及玻璃上下入槽構(gòu)造鋼靴構(gòu)件重量。

風荷載：根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》，同時參考本工程風洞試驗報告最大值1.5kN/m2，北京地區(qū)重現(xiàn)期為50年的基本風壓w0=0.45kN/m2，地面粗糙度B類。

溫度荷載：比較根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》與《民用建筑熱工規(guī)范》中北京市最低氣溫為-13℃和最高溫度36.3℃，并考慮特殊天氣情況，最大溫差取為60℃。

地震作用：本工程所在地區(qū)抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計基本地震加速度為0.2g，按設(shè)防烈度地震計算地震荷載。

設(shè)計荷載組合工況按照GB50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》及GB50011—2010《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》設(shè)計。

風荷載作為主控設(shè)計荷載值組合為：

地震荷載作為主控設(shè)計荷載值組合為：

式中：S——作用效應(yīng)組合的設(shè)計值；

qwk——風荷載效應(yīng)標準值；

qek——地震荷載效應(yīng)標準值；

通過荷載組合計算可以勘查風荷載組合工況作為主控組合值。

3.2 玻璃材料特性

彈性模量：72000MPa

材料重力密度：25.6 kN/m3

線膨脹系數(shù)：0.8×10-5/℃～1.0x10-5/℃

泊松比：0.2

4 結(jié)構(gòu)計算與分析

本項目玻璃板塊之間相互支撐，傳遞荷載，玻璃與玻璃板塊之間填充硅酮結(jié)構(gòu)膠，結(jié)構(gòu)膠的特性與承載力也至關(guān)重要，所以將玻璃與結(jié)構(gòu)膠整體建模分析，同時采用Stand7和Sap2000有限元軟件進行彈性靜力及動態(tài)模擬計算。

圖1 玻璃應(yīng)力云圖（單位MPa）

通過有限元建模計算，玻璃采用5X15+20A+2X15的玻璃配置，玻璃夾膠膠片選擇1.52mm厚SGP膠片，SGP膠片為離子性中間膜增加玻璃剛度及安全耐久性，經(jīng)驗算玻璃最大應(yīng)力19MPa，遠小于規(guī)范規(guī)定的端面強度51MPa限值。

經(jīng)計算玻璃面板在水平荷載的作用下，玻璃面板最大位移5mm，遠小于規(guī)范規(guī)定的2500/60=41.6mm限值。

按照建筑設(shè)計的平面布置圖，玻璃面板之間的夾角不是取值一致，且個別角度較大，對不同面板夾角進行建模分析，得出不同的玻璃面板之間夾角對玻璃強度及變形影響較大，當角度超過140度以后，玻璃的應(yīng)力及變形增加較多，具體如下圖所示：

圖2 不同角度的玻璃強度及變形對應(yīng)圖（應(yīng)力單位MPa，變形單位mm）

從數(shù)據(jù)分析，選擇角度越大，對位移及強度影響越大，所以保留140度以內(nèi)夾角的平面設(shè)計類型，超過此范圍的夾角進行調(diào)整，以保證整體結(jié)構(gòu)的安全一致性。

在對玻璃面板穩(wěn)定性計算的過程中，考慮到玻璃為自承重結(jié)構(gòu)，玻璃的穩(wěn)定計算尤為重要，由于目前規(guī)范沒有對玻璃結(jié)構(gòu)曲屈因子規(guī)定具體數(shù)值，建議取值范圍在1.5-2.5區(qū)間，具體與結(jié)構(gòu)模型及結(jié)構(gòu)重要性有關(guān)，結(jié)合本項目建筑及幕墻復(fù)雜性，曲屈因子取值為2.0。

5 玻璃結(jié)構(gòu)構(gòu)造設(shè)計特點

考慮風荷載及地震荷載及各種工況組合，屋面鋼結(jié)構(gòu)位移較大，為避免屋面結(jié)構(gòu)的各方向位移產(chǎn)生額外玻璃應(yīng)力而導(dǎo)致玻璃破損，玻璃上下的支撐形式尤為重要。

玻璃面板上下邊采用不銹鋼槽作為玻璃嵌固構(gòu)造措施，一方面可以在生產(chǎn)及運輸過程中對玻璃進行保護，同時作為玻璃受力的轉(zhuǎn)換構(gòu)件。上槽采用鉸接構(gòu)造與頂部鋼結(jié)構(gòu)連接，但需要采用豎向長圓孔構(gòu)造，以釋放豎向的約束，本項目結(jié)合屋面位移數(shù)值設(shè)計了100mm的變位能力，做到玻璃自重不能傳遞給屋頂鋼結(jié)構(gòu)，同時，屋面結(jié)構(gòu)在恒荷載及活荷載作用下的位移不會對玻璃結(jié)構(gòu)產(chǎn)生額外作用，但是玻璃面板所承受的水平荷載傳遞給屋面結(jié)構(gòu)以提供水平約束；底部鋼槽與底部鋼結(jié)構(gòu)采用點式盆式結(jié)構(gòu)，盆式結(jié)構(gòu)設(shè)置在玻璃底部中間位置，構(gòu)件之間相互作用可以對玻璃面板在平面內(nèi)外均形成水平約束作用。一方面要驗算此構(gòu)造應(yīng)承受較大的玻璃自重荷載，承重構(gòu)件及玻璃局部的設(shè)計強度均在承載能力以內(nèi)；另一方面，本項目屋面水平位移按照120mm范圍設(shè)計，按此數(shù)值模型以底部鉸支座為圓心，在水平各個方向的轉(zhuǎn)動，均可以適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)水平大變形位移，避免由此產(chǎn)品額外玻璃應(yīng)力而破壞。

此構(gòu)造系統(tǒng)可以滿足同時作為玻璃面板的水平限位構(gòu)件，以傳遞各玻璃之間的面內(nèi)水平荷載。嵌固上下玻璃槽的兩邊鋼構(gòu)件均采用聚四氟乙烯墊塊，以保證構(gòu)件之間連接的耐久性及彈性接觸。

6 結(jié)束語

本設(shè)計構(gòu)造符合建筑設(shè)計概念要求，運用自然生態(tài)設(shè)計理念，屋面仿生樹冠設(shè)計，四面幕墻無任何非透光材料，以實現(xiàn)視線空透，形成與自然景觀融為一體的建筑設(shè)計，給予建筑超乎想象的外觀效果及室內(nèi)的舒適感觀體驗。作為本項目的關(guān)鍵技術(shù)特點，超大玻璃幕墻設(shè)計經(jīng)充分的設(shè)計及分析，具備進一步開展深化的條件。

此方案經(jīng)深化后，通過業(yè)主組織的幾輪專家論證會，在論證過程中，很好地吸取了各權(quán)威專家的建議，最后將此方案落實到施工圖設(shè)計，現(xiàn)在正在安排四性試驗，以論證結(jié)構(gòu)合理性及完善性。

目前，在國內(nèi)已完工的玻璃自承重體系項目均在12m高度范圍以內(nèi)，本項目設(shè)計尺寸開創(chuàng)了超大尺寸設(shè)計先例，在結(jié)構(gòu)設(shè)計、結(jié)構(gòu)分析、生產(chǎn)工藝及運輸安裝等各個方面為幕墻專業(yè)人員提供了非常寶貴的技術(shù)經(jīng)驗。