超大玻璃幕墙的设计与施工探讨徐利民

超大玻璃幕墙的设计与施工探讨徐利民

徐利民

深圳金粤幕墙装饰工程有限公司广东深圳518029

摘要：本文结合实际工程案例，阐述了全玻璃幕墙在设计和施工方面的注意点，以期为大跨度玻璃幕墙设计提供参考。

关键词：全玻璃幕墙;点支撑玻璃;玻璃肋

1、工程概况

本工程商业建筑的全玻璃幕墙外立面（见图1）。

全玻璃幕墙总高22m，总宽28.9m，横向标准玻璃面板分格宽1.7m，纵向玻璃分为6块，高低各不相同，其中上部2块玻璃总高8m，由一个独立的玻璃肋系统支撑，下部4块玻璃总高14m，由另一个独立的玻璃肋系统支撑。本文仅讨论下部跨度14m的玻璃肋支撑系统。

该全玻璃幕墙中，玻璃面板采用10mm+12mm空气层+8mm的中空玻璃，玻璃均为钢化玻璃。玻璃肋采用19mm+2.28PVB+19mm的钢化夹层玻璃。

幕墙承受的风荷载按照《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)和《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ102-2003）计算，正压为+1.0kPa，负压为-1.0kPa。幕墙的水密性能为0.75kPa。

为验证幕墙的各项性能和模拟实际的施工过程，设计完成后，根据《建筑幕墙》(GB/T21086-2007)以及《建筑幕墙气密、水密、抗风压性能检测方法》（GB/T15227-2007)，对幕墙进行了检测。检测结果显示，各项性能均满足设计要求。

2、玻璃面板

玻璃面板宽1.7m，最大高4.0m，单块玻璃面积6.8m2。采用10mm+12mm空气层+8mm的钢化中空玻璃，每平方米的质量约47kg，单块玻璃质量约320kg。

面板承受的风荷载，采用±1.0kPa。面板承受的地震作用，根据《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ102-2003)和《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)中有关非结构构件的规定，简化为静力荷载。工程所在地区的抗震设防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.15g，水平地震影响系数最大值为0.12。动力放大系数取5.0。计算所得的水平地震作用标准值为0.276kN/m2。根据现行幕墙规范的规定，进行幕墙结构设计时须考虑风荷载与地震作用的组合。

中空玻璃面板的计算，可根据《玻璃幕墙工程技术规范》的规定，按照玻璃刚度的不同，将风压分配到内片和外片分别进行计算。

单块玻璃面积较大，采用6个驳接头进行支撑，玻璃面板简化为六点支撑的双向受弯板。由于现行幕墙规范没有给出六点支撑板的计算公式，所以采用有限元软件来模拟。点支撑玻璃的变形往往较大，进行挠度和应力计算时，需要考虑几何非线性的影响。计算结果显示，玻璃面板的配置满足承载要求。变形图和应力图见图2、图3。

根据玻璃支撑点承受的最大反力，驳接头和驳接爪选用标准的幕墙配件产品。

3、玻璃肋整体

玻璃肋顶部通过吊夹悬挂在顶层结构上，底部入槽固定（允许有竖向位移）。在自重作用下，呈偏心受拉状态。在风荷载作用下，玻璃肋可视为承受横向作用的简支梁。因此，玻璃肋是典型的拉弯构件，但拉力引起的截面应力较小，对大跨度的玻璃肋而言，挠度和强度往往不起控制作用，起控制作用的是稳定性。因此，稳定性的计算是大跨度玻璃肋设计的一个重点。

工程应用中，跨度较小的玻璃肋，可以采用单片玻璃，而对于跨度较大的玻璃肋或竖向有2块以上的玻璃面板来说，则应采用夹层玻璃，因为玻璃肋是主要支撑结构，因而夹层玻璃非常重要，即使其中一片玻璃破碎，夹层玻璃在整体上还有一定的承载能力。

根据工程经验，玻璃肋的截面高度取跨度的1/20，即截面深度取700mm。厚度则根据强度和稳定性的计算结果，取38mm，实际玻璃肋的配置为19mm钢化+2.28PVB+19mm钢化。

国内现行规范没有给出玻璃肋的稳定性计算方法，可以用有限元软件模拟，也可以参考澳大利亚规范AS1288-2006的相关规定进行计算。本工程中，用有限元软件模拟玻璃肋的稳定性，前4阶屈曲系数分别为1.16、1.23、2.75、2.83（见图4）。屈曲系数＞1.0，表明玻璃肋的稳定性足够，不会发生弯扭失稳。

在城市幕墙检测中心进行了实际检测，玻璃肋在1.0kPa风压作用下的最大变形与理论位移非常接近，为11mm。在1.50kPa的最大压力作用下，玻璃肋的强度和稳定性足够。

4、玻璃肋连接

对于超过10m的玻璃肋来说，国内只有极少数玻璃生产厂家可以生产，且生产周期长、造价高。综合考虑工期和造价的因素，本工程的玻璃肋用两段玻璃肋拼接而成，下段长6m，上段长8m。连接点在地面以上6m处，接近跨中的位置。跨中最大弯矩约75kN•m，此连接位置的弯矩是73kN•m，受力非常不利。此连接的设计好坏，直接关系到两段玻璃肋能否共同工作，因此非常重要。

构造上采用两片不锈钢板夹住玻璃肋，用螺栓穿过玻璃和不锈钢板来抵抗连接处的内力。连接点处受下部幕墙的自重以及风荷载引起的弯矩和剪力影响。在内力的综合作用下，螺栓受剪，玻璃和钢板上的孔壁承压，属于典型的承压型连接。节点设计时，需特别注意以下几点：

此连接节点中，弯矩起控制作用，为尽量减小弯矩引起的剪力，设计时应尽量加大螺栓之间的间距，当然也要注意螺栓的边距，尤其是玻璃开孔的位置不能太靠近边部，否则很容易引起玻璃边部的破坏。

螺栓的数目不宜太多，螺栓太多，受力不均匀，容易导致应力集中，发生玻璃的挤压破坏。

（3）控制孔位偏差和构件加工精度。玻璃的两片玻璃在合片时，由于孔位偏差的影响，很难保证完全对齐，一般采用开大小孔的方法来解决，即其中一片玻璃上开孔直径要大于另外一片。两片钢板之间也要注意孔位偏差，最好的办法是成组的两片钢板一起加工，以确保孔位精确对齐。

（4）消除螺栓连接配合间隙。螺栓与玻璃孔之间、螺栓与钢板孔之间都有间隙，这2个间隙加起来为总的配合间隙。当间隙过大时，螺栓之间会有相对位移，此连接节点将有一定的转动能力。根据估算，当总配合间隙为4.0mm时，由于此节点处的转动而引起的节点水平位移可达50mm，从而导致结构的失效。实际工程中，螺栓与孔的加工精度均要求控制在0.2mm以内。

本工程中，共采用8个M27的不锈钢螺栓连接，不锈钢板厚12mm，玻璃开孔直径74mm，玻璃孔内放置铝合金套圈，套圈外径58mm，套圈内径27mm。铝合金套圈和玻璃孔之间，用嵌缝材料填实，如喜利得HIT-HY70具有良好的抗挤压性能，固化前可以精确调整螺栓的位置，固化后有足够的强度承受挤压力，具体如图5所示（图示中没有显示铝套圈，仅为示意）。

上述设计可保证螺栓和铝合金套圈之间紧密配合（连接段无螺纹），螺栓和不锈钢板之间紧密配合。单个螺栓的剪力约40kN，玻璃孔壁受到的挤压应力为28.4MPa，不超过玻璃的挤压设计强度（50.4MPa）。实际测试结果证明，玻璃肋的实测位移与理论值相差甚微，说明此连接节点受力合理，工作良好。

5、玻璃肋顶部吊夹设计

玻璃肋顶部吊夹承受全玻璃幕墙的所有重量（重力荷载设计值约30kN）和水平方向风荷载（设计值约18kN），还要防止玻璃肋的扭转，因此吊夹连接节点的设计也非常重要。

由于重力荷载较大，且玻璃肋截面高度较大（700mm），市场上的标准吊夹难以满足承载要求。本工程采用自制吊夹，钢板厚12mm，用4个M20不锈钢螺栓将吊夹和玻璃肋固定。吊夹设计时应注意以下几点：

（1）吊夹受自重和风荷载较大，玻璃肋顶部的孔边距要足够大，以防止顶部玻璃在拉力和剪力的共同作用下被撕裂。根据工程经验，玻璃的孔边距要在2.5倍孔径以上。

（2）消除螺栓连接配合间隙，其构造原理类似玻璃肋的拼接，应使螺栓受力均匀，以减小玻璃孔壁挤压应力。

6、施工方案比较

全玻璃幕墙的施工，先安装玻璃肋，再安装玻璃面板。有两种安装拼接的大跨度玻璃肋施工方案：第一种方案是先吊装上部玻璃肋，再吊装下部玻璃肋，将两段玻璃肋在空中拼接起来，当然这种方案需要事先在地面进行预拼装，并确保嵌缝材料的完全固化后再拆成两段玻璃肋，随后在空中进行再次拼接；第二种方案是将两段玻璃肋在地面拼接好以后，待嵌缝材料完全固化后直接整体吊装。第一种方案的优点是一次吊装玻璃肋较短，重量较小，吊装过程玻璃肋的稳定性较好，但缺点是空中拼接难度较大，耗时较长。第二种方案的优点是拼接容易、安装速度快，但由于玻璃肋高度较大，吊装过程中稳定性差，要做好玻璃肋的保护，防止摇摆和平面外的过大变形。根据工程经验，本项目采用了第二种安装方案。

7、结束语

大跨度全玻璃幕墙的应用越来越广泛，玻璃本身是脆性材料，由于设计或施工不当，很容易引起玻璃的破坏。此外，大跨度玻璃的稳定性问题比较突出，国内规范暂时还没有提供相应的设计方法。本文结合实际工程经验，对大跨度玻璃肋的设计和施工提出了一些建议，为同行提供借鉴。

参考文献：

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[2]张芹.新编建筑幕墙技术手册.2014年2月，第1版.

[3]董曦，高春谊，张美瑞等.超大型玻璃幕墙""四性""试验研究[J].建筑技术，2008，39（2）：134-137.