點支式玻璃幕墻面板受力性能分析

李龍起

(許昌學院 土木工程學院,河南 許昌 461000)

點支式玻璃幕墻是由玻璃面板、點支撐裝置和支撐結構構成的玻璃幕墻.玻璃幕墻具有效果通透、結構美觀、支撐結構多樣的特點，能使室內空間和室外自然環境達到自然的和諧統一，能夠實現精美的金屬構件與玻璃裝飾藝術的完美結合，可滿足不同建筑結構和裝飾效果的需要，具有極強的藝術感染力.因此，點支式玻璃幕墻外圍護結構已廣泛應用于高層建筑及大型公共建筑[1].但是，良好通透性帶來的不良影響就是由于玻璃面板連接部位和連接件偏少，容易在四點支撐處出現應力集中現象，嚴重的會出現玻璃面板破碎從而導致建筑安全事故的發生，因此，相關規范對玻璃幕墻外圍護結構提出了較高的設計和施工要求[2,3].

張宇、霍治澎[4]從彈性力學角度并運用ANSYS有限元軟件對點支式玻璃幕墻結構進行了分析，喻支凱[5]對點支式玻璃幕墻駁接件力學性能進行了相關研究并對其結構設計進行了優化，王鑫等[6]則對點支式玻璃幕墻抗風壓性能進行了研究分析.國外， Bucak et al[7]對不同溫度條件下的不同厚度夾層玻璃和點支式玻璃進行了彎曲性能試驗，并同有限元計算結果進行了對比分析。

本研究以中原地區某建筑外圍幕墻工程為例，使用SAP2000有限元程序對四點支撐式玻璃幕墻的受力和傳力機理進行了風荷載和地震作用組合下的計算和受力分析.通過計算其在風荷載和水平地震組合荷載作用下的作用效應，探討上述荷載組合作用下玻璃面板殼應力的傳遞規律，從而為相關幕墻的設計提供一定的經驗借鑒.

圖1 點支式玻璃幕墻示例

1 工程概況

圖2 四點支式玻璃幕墻面板示意圖

中原地區某建筑工程外圍玻璃幕墻工程，建筑高度40 m，建筑所處環境的地面粗糙度為c類，基本風壓為0.45 kN·m-2，抗震設防烈度為8度，經計算其風荷載標準值小于1.0 kN·m-2，根據《玻璃幕墻工程技術規范》[3]要求，此處的玻璃幕墻計算用風荷載標準值取為1.0 kN·m-2.外圍裝飾采用四點支式玻璃幕墻格柵，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,長短跨長為2 650 mm×2 050 mm.

本文考慮了玻璃幕墻面板所受的風荷載和水平地震荷載組合作用.對于中空玻璃，作用于中空玻璃上的風荷載標準值可按下列公式分配到內外兩片玻璃上.

直接承受風荷載作用的單片玻璃(外面)：

(1)

不直接承受風荷載作用的單片玻璃(內面)：

(2)

wk為垂直于玻璃幕墻平面的風荷載標準值(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準值可按下式計算：

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準值(kN)，αmax為水平地震影響系數最大值，Gk為玻璃幕墻構件(包括玻璃面板和鋁框)的重力荷載標準值(kN).

將工程概況中所述參數代入上述公式，考慮風荷載和地震作用組合的幕墻玻璃面板所受荷載的組合設計值最終定為0.93 kN·m-2.

2 模型建立

根據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所示進行輸入.通過計算得到了玻璃面板在風荷載和水平地震作用下玻璃面板最大和最小主應力值等值線圖，如圖3所示.

表1 點支式玻璃面板材料屬性

圖3 玻璃面板荷載作用下主應力

圖4 玻璃幕墻面板主應力跡線/(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力產生表面裂縫而破碎.相關研究顯示：玻璃從受荷載開始直到破壞為止，其應力-應變關系幾乎都呈線性.因此，應按照第一強度理論—最大拉應力理論進行玻璃面板強度的計算和校核.從圖3(a)可以看出四點支撐處出現壓應力，玻璃面板最大拉應力值沿面板橫向對稱軸對稱分布，最大拉應力大小從中間逐漸向兩邊減小，最大主拉應力出現在玻璃面板中部兩側邊的邊緣處，其最大主拉應力值小于規范所要求的鋼化玻璃大面的強度設計值84 N·mm-2，因此該玻璃面板強度符合規范要求[3].

圖4為玻璃幕墻面板主拉壓應力跡線分布圖.從中可以看出，點支式玻璃幕墻的四點支撐處應力分布變得很不均勻，應力跡線雜亂、曲折，支撐點處應力分布大且雜亂，說明應力集中現象的存在，而此位置也正是點支式玻璃幕墻容易破壞的地方，是點支式玻璃幕墻的薄弱環節.

3 結論與建議

點支式玻璃幕墻具有的質量輕、剛度小、阻尼小等特點使其對風荷載和地震荷載比較敏感，本研究以中原地區某建筑幕墻工程四點支撐式玻璃幕墻面板為例，對其進行了風荷載和水平地震作用組合下的受力分析.分析結果顯示：

(1)該地區建筑幕墻結構玻璃面板強度符合規范規定.

(2)玻璃面板中間部位出現較大拉應力，四周支撐點處以壓應力為主，尤其在四點支撐處存在較大的應力集中現象且應力分布不均勻.

(3)建議在設計和施工過程中加強對四點支撐玻璃面板節點處的結構處理，防止玻璃面板由于主拉應力過大從而產生脆性破壞.

[1] 藍建勛.點支式幕墻玻璃破碎主要原因分析及控制技術[J].建筑技術,2011,42(3):306-309.

[2] 中國工程建設標準化協會.點支式玻璃幕墻工程技術規程(CECS127-2001)[S].2001.

[3] 中華人民共和國建設部.玻璃幕墻工程技術規范(JGJ 102-2003)[S].2003.

[4] 張 宇,霍治澎.點支式玻璃幕墻玻璃面板的受力分析[J].科學技術與工程,2012,12(2):349-352.

[5] 喻支凱.點支式玻璃幕墻駁接件力學性能研究及結構優化設計[D].山東建筑大學,2017.

[6] 王 鑫,呂列民,張今陽,等.點支式玻璃幕墻抗風壓性能的研究與發展[J].建筑技術,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.