全玻幕墻玻璃肋栓接吊裝模擬分析

楊毅龍

全玻幕墻是由玻璃肋支承的幕墻結構，其幕墻面板和支承面板均采用透明玻璃，因此具有良好的整體通透性[1]。但是，玻璃作為脆性材料，一旦發生開裂將導致整體破壞[2]。

為避免玻璃肋的脆性破壞，需嚴格控制玻璃肋的吊裝、拼裝全過程，而玻璃肋的安全起吊是關鍵。現有施工技術常采用綁扎帶的方式進行起吊固定，但是綁扎帶在起吊過程中有滑脫的風險。綁扎帶滑脫將導致玻璃肋在吊裝過程中發生大幅擺動，甚至導致玻璃肋從綁扎帶中脫出。為了避免滑脫，通常需要綁扎緊固，但是綁扎的緊固程度取決于現場施工人員，可靠性不足[3]。如何在吊裝過程中有效保持玻璃肋構件的起吊穩定性，避免大幅擺動，是施工技術的關鍵要點。

基于此，本文通過探討螺栓孔栓接起吊的可行性，分析栓接位置、銷栓材料類型、摩擦系數和銷栓間隙的影響作用。

1 工程概況

四川巴中某創產業園工程，建筑總面積為12 萬m2，地上3 層。該工程結合采用全玻璃幕墻、隱框玻璃幕墻和隱框金屬幕墻組成建筑總體幕墻系統。為了增強采光效果和建筑視覺效果，該建筑的西立面采用玻璃肋接駁全玻璃幕墻構造（圖1），主要由上部支座、駁接系統和下部支座組成。玻璃面板選用雙銀低輻射（Low Emissivity，Low-E）超白鋼化中空玻璃，充分保證幕墻系統的透光度。所采用的Low-E 玻璃同時具有過濾較強的紫外、紅外輻射能力和較高的可見光透過率，從而有效增強了玻璃幕墻的隔熱性能，有利于節能。

圖1 全玻幕墻構造（來源：作者自繪）

全玻幕墻系統的上部支座和主體結構之間的連接形式為剛性連接，上部支座和玻璃肋采用不銹鋼連接板進行螺栓連接，而下部支座與主體結構的連接形式為可滑動的鉸接方式。在玻璃肋板頂部，10 mm 厚連接鋼夾板與玻璃肋（19+2.28PVB+19 超白鋼化夾膠玻璃）通過螺栓連接固定，具體如圖2 所示。不銹鋼連接板與玻璃之間的縫隙通過填充環氧樹脂的方式消除，并形成一個整體參與受力。玻璃肋的寬度為752 mm，多片玻璃肋接長連接，單塊質量接近1 t，質量較大，因此玻璃肋的安裝要求較高。

圖2 玻璃肋板頂部連接構造（來源：作者自繪）

2 全玻幕墻玻璃肋施工方案

2.1 施工準備

施工準備分4 步，具體為：第1，熟悉施工圖紙并根據圖紙及工程情況準備與圖集、質量驗收標準和內業資料相關的表格和文檔。第2，技術人員進行技術交底，確保施工方案、質量要求、安全措施等技術細節滿足設計和規范要求。第3，編制詳細的材料訂貨供應計劃，選擇合適的玻璃類型、金屬型材規格、密封材料等，確保其滿足建筑外觀、保溫性能、隔熱性能和安全性能等方面的要求。第4，檢測所使用的施工機具，包括檢查吊裝設備、安全網等工具的正常功能和使用狀態，確保其性能良好，保證建筑施工過程的安全性和操作效率[4]。

2.2 施工流程與要點

2.2.1 施工流程

玻璃肋駁接全玻璃幕墻的施工流程包括深化設計、測量放線、玻璃肋接長拼接、頂部承重鋼架和下部邊框安裝、玻璃吊夾安裝、玻璃肋安裝、玻璃幕墻面板安裝、施加密封膠以及竣工檢測等。深化設計是對玻璃肋的穩定性和連接節點進行設計分析和承載力驗算。玻璃肋接長拼接是將待拼接的玻璃肋運至項目現場，在合適的場地進行接長拼接作業。先完成拼接托盤和玻璃孔內鋁圈的定位擺放，然后拼接不銹鋼夾板和玻璃肋板。由于玻璃肋通常采用頂部鋼架吊掛式結構，一般先進行頂部鋼架的安裝，再進行下部邊框的安裝。玻璃吊夾用于夾持玻璃幕墻面板，將其安裝于頂部鋼架。將已拼裝好的玻璃肋運至待安裝位置附近，用卷揚機將玻璃肋拉升至安裝位置并安裝固定。另外，玻璃幕墻面板的安裝順序為從下至上。

2.2.2 施工要點

對于玻璃肋駁接全玻璃幕墻，關鍵在于玻璃肋的安裝精度控制。使用激光水準儀、經緯儀等專業儀器可以有效校對垂直精度，一般要求玻璃肋上下中心線偏差控制在2 mm 以內。玻璃肋的吊裝方式包括起重機吊裝和電葫蘆起吊等方式。

由于運輸能力的限制，單片玻璃肋的長度有限，常采用多片玻璃肋拼接的方式以達到玻璃肋的設計長度。該拼接方式為不銹鋼板螺栓群接長連接。由于玻璃是一種受拉強度偏低的脆性材料，兩端起吊必然造成中間接長的螺栓連接處受力，容易發生脆性斷裂破壞（圖3），有必要進行相應驗算[5]。

圖3 螺栓連接處的玻璃斷裂（來源：網絡）

吊裝前，需要將底部固定槽清理干凈，并放置橡膠墊塊。在吊裝過程中，應該注意天氣情況，不應在風力超過4級的環境中吊裝。緩慢提升吊裝高度，采取相應措施，如保護胎架、施工人員側面扶持等，避免玻璃大幅抖動與附近物件發生碰撞。在玻璃肋固定前，精準調節其空間定位和垂直度，一般要求垂直度誤差不超過±10 mm，直線度偏差不超過±2.5 mm[6]。

2.3 玻璃肋吊裝

由于玻璃肋比較細長，在安裝過程中需要采用相應的措施保證抬升過程中的穩定性，防止玻璃破碎[7]。為了避免玻璃肋在吊起過程中左右擺動，設計一個寬度約為1 m、長度與玻璃肋基本等長的鋼架，用于玻璃肋的運輸和輔助吊裝。同時，在鋼架的底部安裝活動輪，從而方便調整位置，如圖4 所示。

圖4 帶活動輪的鋼架（來源：作者自攝）

玻璃肋起吊通常采用綁扎帶固定的方式，但是該方式的安全程度取決于現場施工人員的綁扎緊密程度[8]。玻璃肋的上部預留了與主體結構連接的螺栓孔，可采用螺栓連接的方式將玻璃肋臨時固定于鋼架，并通過抬起鋼架的方法將玻璃肋提升和安裝至所需位置。

3 玻璃肋吊裝過程模擬分析

3.1 分析方法和力學模型

為了避免玻璃破碎，有必要準確模擬結構的真實受力情況。采用通用有限元軟件建立如圖5 所示的實體分析模型。其中，玻璃肋頂部的螺栓連接附近采用三維6 節點線性三角棱柱單元，并在吊裝銷栓附近加密，其他部件的單元類型為8 節點線性減縮積分單元，主要分析從水平起吊至垂直時的玻璃肋應力分布。

圖5 玻璃肋吊裝分析有限元模型（來源：作者自繪）

3.2 施工荷載

施工荷載主要為玻璃肋的重力荷載。玻璃的重力密度取25.6 kN/m3，彈性模量取72 GPa，泊松比取0.2。不銹鋼板的重力密度取78.5 kN/m3，彈性模量取193 GPa，泊松比取0.3。鋁合金的重力密度取28 kN/m3，彈性模量取68 GPa，泊松比取0.3。考慮到實際工程施工中突然施加荷載可能會產生動力效應，因此，突加荷載動力系數取2.0。

3.3 吊裝過程模擬

玻璃肋的吊裝過程模擬主要仿真玻璃肋從水平吊起至垂直地面的構件內部應力變化，如圖6 所示。

圖6 起吊過程（來源：作者自繪）

假定銷栓采用不銹鋼材質，銷栓的直徑為29.6 mm，而螺栓孔的內徑為30 mm，略大于不銹鋼銷栓的直徑，兩者的間隙為0.4 mm，因此不銹鋼銷栓可以套入螺栓孔內。分析玻璃肋的吊起過程發現：當玻璃肋處于水平狀態的時候，最大主拉應力位于接長連接處，約18 MPa；當玻璃肋抬起至與地面約45°角的時候，最大主拉應力降至約13 MPa；當起吊至垂直于地面的時候，最大應力降至6 MPa，依然在螺栓孔附近。考慮突加荷載動力系數的情況下，起吊過程主拉應力變化，如表1 所示。

表1 起吊過程主拉應力變化

可見，玻璃肋起吊的最危險工況出現在剛開始起吊且玻璃肋處于水平狀態時，各工況對應的玻璃應力均小于19 MPa。依據《玻璃幕墻工程技術規范》（JGJ 102—2003），19 mm 厚的鋼化玻璃在短期荷載作用下設計值為51 MPa，因此玻璃肋在起吊時不會發生破壞[9]。

4 參數分析

4.1 連接孔位置

為研究銷栓套入不同連接孔位置對最大應力的影響，分別設置如圖7所示的2 種工況。工況一研究吊裝銷栓孔設置于靠近玻璃肋板邊緣的預留螺栓孔，工況二研究吊裝銷栓孔設置于稍遠離玻璃肋板邊緣的預留螺栓孔。

圖7 連接孔位置分析有限元工況（來源：作者自繪）

對于工況二，在銷栓的作用下玻璃螺栓孔承壓，從而在孔周產生“雙耳狀”分布的主拉應力，最大主拉應力位于玻璃孔內表面，如圖8 所示。如果孔周的最大主拉應力超過鋼化玻璃的強度，將導致玻璃裂縫發展并引起玻璃粉碎破壞。如圖9 所示，工況二的孔周最大主拉應力小于工況一，說明吊裝銷栓設置在圖7 中工況二位置有助于減小孔周應力。

圖8 工況二孔周主拉應力分布（來源：作者自繪）

圖9 連接孔位置的影響（來源：作者自繪）

4.2 銷栓材料

在其他條件不變的情況下，通過改變銷栓的彈性模量研究不銹鋼和鋁合金材料的銷栓對孔周應力的影響。如圖10 所示，采用鋁合金銷栓將導致孔周應力增大，特別是在起吊角度為0°的時候，孔周應力比較大，為18.77 MPa。采用不銹鋼銷栓，起吊角度為0°的時候孔周應力為15.19 MPa，低于鋁合金銷栓，因此施工過程中可采用不銹鋼銷栓。

圖10 銷栓材料的影響（來源：作者自繪）

4.3 摩擦系數

在其他條件不變的情況下，通過改變玻璃孔與銷栓之間的表面摩擦系數（無摩擦、摩擦系數0.1 和摩擦系數0.2）來研究摩擦系數孔周應力的影響。如圖11 所示，隨著摩擦系數增大，孔周應力有所增大。相比摩擦系數0.2 的工況，無摩擦工況起吊角度為0°的時候對應的玻璃孔周應力降低約11%。

圖11 摩擦系數的影響（來源：作者自繪）

4.4 銷栓直徑

通過改變銷栓直徑研究其對玻璃孔周應力的影響。如圖12 所示，銷栓直徑對孔周應力影響程度較小，因此只需保證銷栓直徑略小于玻璃孔內徑即可。

圖12 銷栓直徑的影響（來源：作者自繪）

5 結語

玻璃肋安裝是全玻璃幕墻的關鍵施工步驟，有必要深入研究玻璃肋的施工方案。本文探討了采用銷栓將玻璃肋臨時固定于鋼架上，然后抬升鋼架的施工方法，其關鍵在于控制施工過程的玻璃主拉應力，特別是孔周應力不能超過鋼化玻璃的抗拉強度。通過建立三維有限元模型，對吊裝過程的玻璃主拉應力進行分析。結果表明，在考慮了突加荷載動力系數之后，鋼化玻璃的最大主拉應力＜19 MPa，未超過鋼化玻璃的短期抗拉強度，證明該方法可行。

與此同時，基于有限元模型進行參數分析，研究連接孔位置、銷栓材料、摩擦系數以及銷栓直徑對孔周最大主拉應力的影響。最后研究發現結果為：連接孔位置越遠離玻璃板邊緣，孔周應力越小；銷栓材料彈性模量越大，孔周應力越小；摩擦系數越大，孔周應力越大；銷栓直徑對孔周應力影響較小。