浅谈大跨度刚性玻璃幕墙结构设计分析

浅谈大跨度刚性玻璃幕墙结构设计分析

黄盈

深圳市方大建科集团有限公司  广东 深圳  518038

摘要：通过对刚性幕墙的结构特征的研究，可以将大跨度刚性幕墙划分为三类。本文详细分析了不同类型幕墙的稳定性情况，给出了相应的计算公式，此外结合案例分析加以讨论，期望能够为提升刚性幕墙的稳定性提供借鉴。

关键词：大跨度；刚性玻璃；幕墙结构；设计

玻璃幕墙是一种独特的建筑外部结构，和主体结构相比，其拥有可移动性，并且不会受主结构作用的影响。按照玻璃层数划分，墙体可分为单层、双层两种类型。目前大跨度玻璃幕墙结构已经在许多公共场所得以广泛应用，例如电影院、体育场等处。本文主要以大跨度刚性玻璃幕墙的结构设计为重点展开论述，结合案例分析，希望能够对优化幕墙结构的稳定性有所帮助。

一、大跨度刚性幕墙分类及对应的稳定性分析

（一）无侧向支承的刚性幕墙

肋刚性和窗户构造之间的连接采用点支承形式，二者之间采用密封胶或者结构胶进行连接，如图1~2所示。

根据规范标准中的相关内容进行分析，这种刚性精装饰表面不能为肋刚性提供横向支撑，因此，它的整体稳定性和临界最大弯矩Mcr可以利用下述公式（1）进行表述：

  （1）

公式（1）中，Mcr表示的是临界侧向屈曲弯矩，g2和g3均为屈曲常数。Lay代表在刚性肋稳定性计算中得到的长宽；(EI)y代表为刚性肋绕弱轴方位的抗弯刚度；GJ代表刚性肋抗扭刚度；yh代表荷载作用点和刚性肋中性轴的长度；E在此取常值72000N/mm2；g在此取常值30000N/mm2；b、d分别表示刚性肋直径厚度、高程；ly是刚性肋绕弱轴方位的惯性矩，Iy=db3/12；J代表刚性肋的最大抗扭反惯矩。将刚性肋的最高扭矩记作Mmax。

   （2）

本文将依据图1~2讨论g2和g3的取值方式。根据图1分析可知，密封胶用于连接面刚性外壳与肋刚性，而面刚性外壳的载荷则通过驳接件传递至肋刚性，其中g2、g3分别取值于承载相同距离的点荷载形态的肋，属于第二种类型，二者取值分别为3.3以及1.3。

从图2可以看出，结构胶将面刚性外壳与肋刚性连接起来，其中，面刚性外壳的重量负荷通过驳接件以点负荷的方式传输到肋刚性，水平荷载则通过结构胶以线负荷的方式传输到肋刚性，g2、g3取值分别为3.6以及1.4。

根据公式（1），Mcr和Lay、d以及b之间存在着密切联系。当Lay保持不变时，Mcr会随着d的减小而增大，也就是说，Mcr和断面厚薄b的三次方保持反比的关联性。随着SGP胶片的出现，它逐渐被广泛应用于大跨度刚性肋中。在PVB胶片中，其刚性等效厚度平均值为b=，而在SGP胶片中，b≈t1+t2。因此，选择合适的胶片对于提高整体安全稳定性至关重要，应根据实际情况进行综合考虑。

（二）连续侧向支承的刚性幕墙

如下述公式（3）所示，为有关总体稳定性、临界扭矩的MCr方程。

  （3）

在公式（3）中，y0表示侧向约束和刚性肋中性轴线之间的长度；yh代表荷载作用点和刚性肋中立轴的距离，若是在风吸力的条件下，yh和y0相等，均可用d/2表示，若是在风压力的条件下，则两值一正一负，yh可以用-d/2表示，y0的表示公式不变；故而，若是处于风吸力情况下，Mcr值低于风气压条件下。由于面刚性的作用，使得窗户肋的一侧平面会向外移动，致使另一侧出现明显的侧向支座。面对风压，这个侧撑处于承重区域内，由于窗户肋的连续支撑，因此在这种情况下，安全性得到了保障。处于风吸力状态下，侧面的支撑处于被风拉区，导致结构可能损坏。如果刚性肋的最大扭矩达到Mmax，并且满足（2）的要求，那么它的整体安全性和稳定性将达到设计要求。根据式（3），临界弯曲矩Mcr与刚性肋径向厚度范围b的三次方之间呈反比关系，由此带来的不良影响较为突出。随着刚性肋截面高度d的增加，Mcr也会呈现出相应的增长趋势，但是实际作用并不显著。

（三）不连续侧向支承的刚性幕墙

通过拉杆、拉索、交叉等机械肋结构的有效约束，可以显著限制玻璃肋的屈曲能力，为了使机械肋的侧向支撑结构发挥应用的效用，必须对支撑结构进行有效的约束，还需要将其与主体结构相互连接。Mcr公式可以用来描述其整体稳定性临界扭矩，具体可参考式（4）。

   （4）

式中：g1是屈曲常数。

如果刚性肋的最大弯曲矩达到Mmax，并且符合式中（2），那么它的总体稳定性将达到设计要求。根据附表（在此不多赘述）的描述，当端部弯曲矩保持不变时，g1值非常小，这会严重影响整体稳定性，g1值为3.1。根据式（4），可以得出Mcr-bd3值，这与其他两种受力类型一致。

二、案例分析

（一）案例概述

某绿心图书馆项目的占地规模为5万m2，总高为22m。在建筑设计中，规定使用玻璃作为外部幕墙，并尽可能地减少横向和纵向的龙骨构件。设计规定幕墙的竖向跨度在21m左右，并且在水平方向上分割为2.5~3m的宽度。

（二）结构计算与分析

在这个项目中，玻璃板块彼此支撑，传递负荷。在玻璃和玻璃板块之间，使用硅酮胶来加以填充处理。这一结构胶的性能和承载能力对于幕墙稳定性有着较大的影响。因此，需要对玻璃与结构胶进行整体建模分析，并使用专业的有限元软件来模拟计算。

借助于有限元软件进行模拟分析，可知玻璃配置规格应该为5X15+20A+2X15，夹胶胶片需要选用厚度为1.52毫米的SGP胶片，在离子性中间层使用SGP胶片，可以显著提高玻璃的刚度和安全耐久性，实际测试计算结果显示，玻璃的最大应力仅为19MPa，远低于标准规定的51MPa的极限。

根据计算结果分析，当施加水平荷载时，玻璃面板的位移极限值仅为5mm，而规定限值为41.6mm，实际位移最大值明显低于标准限值。

根据建筑设计的平面布局，我们发现玻璃面板的夹角并不具备一致性，有些偏大。通过建立模型来研究这些夹角，我们发现它们对玻璃的强度和变形有很大的影响。特别是，当夹角超过140度时，玻璃的应力和变形会更明显。

根据数据分析，随着夹角的增加，位移和强度的变化也会变得更加明显，因此，在平面设计中，应该尽可能确保夹角不超过140度，若是超出这个范围，则应当采取相应的措施，以确保整体结构的稳定。

在进行玻璃面板稳定性分析时，由于玻璃是一种自承重的结构，因此其稳定性的评估显得尤为重要。然而，鉴于当前的标准并未明确指出玻璃结构的屈服点的具体值，因此，我们建议将屈服点的取值范围限制在1.5-2.5之间，这主要取决于结构模型和其重要性。此外，鉴于该项目的建筑和幕墙具有一定的复杂性，我们将屈服因子设置为2.0。

经综合分析可知，这个设计方案满足建筑规划需求，并采用了自然生态的理念。它的屋顶采用了仿生树的设计，四周的墙壁没有使用任何不透明的材料，使得整个建筑能够完全融于在自然风光中。

总结

综上所述，经过对大跨越刚性幕墙结构的综合分析，我们发现，在三种不同的强度模型下，该结构的最大临界屈曲值是Mcr-bd3。临界屈曲最大扭矩Mcr与刚性肋直径高程d成反比，会对整体安全稳定性产生显著的负面影响。随着刚性肋断面厚度b3的增加，临界屈曲最高扭矩Mcr也会呈现增加的变化趋势，这也会严重损害整体安全性和稳定性。经过对PVB胶片和SGP胶片的比较，发现使用SGP胶片会对总体安全稳定性产生较严重的负面影响，因此，为了确保工程设计的科学合理性，需要选择更加合适的胶片。

参考文献：

[1]赖颂英,张鹏,陈之,等.大跨度高位铝板幕墙半装配式施工技术[J].建筑施工.2021(2).

[2]林娜,杨新辉,包军良,等.双层双曲面穿孔烤瓷铝板幕墙设计与施工研究[J].中国建筑金属结构.2021(10).

[3]邢玉荣,周生昆,姜树仁,等.基于金属面层的双层异形幕墙关键技术研究[J].建设科技.2021(9).