12m高吊挂式全玻璃幕墙的应用与设计 徐晓伟

发表时间:2019/7/19   来源:《新材料.新装饰》2019年3月上   作者:徐晓伟
[导读] 在改革开放的新时期,我国的科技发展十分迅速,本文介绍了吊挂式全玻璃幕墙结构系统在某工程中的应用和设计。该工程幕墙玻璃面板与玻璃肋的单片玻璃高达12.3m,为大跨度玻璃幕墙。本文分析了全
(深圳市万萌建科集团有限公司,广东 深圳 518031)
摘要:在改革开放的新时期,我国的科技发展十分迅速,本文介绍了吊挂式全玻璃幕墙结构系统在某工程中的应用和设计。该工程幕墙玻璃面板与玻璃肋的单片玻璃高达12.3m,为大跨度玻璃幕墙。本文分析了全玻璃幕墙系统的结构设计,采用通用有限元软件对玻璃构件与钢悬臂梁构件进行模拟计算,一定程度上验证了该全玻璃幕墙系统的可行性,可为类似工程提供参考。
关键词:全玻璃幕墙;吊挂式;大跨度;结构设计

 
        引言
        建筑幕墙是建筑物的一种外围护结构,广泛应用于现代建筑,尤其是高层、超高层建筑和公共建筑。由于对幕墙结构在地震作用下的受力机理认识广泛且不同的判断,对其受力分析、试验验证等研究相对迟滞于工程应用,设计的有些幕墙的变形能力和承载力偏低,在地震作用下易发生损坏甚至脱落。幕墙震害的发生,给人们的生命和财产安全造成威胁,其损失和后果常常是比较严重的。近年来,随着吊挂式、大面板和复杂连接的等新型幕墙的出现,幕墙的抗震问题逐步受到重视,其抗震问题本身就是基于性能的抗震设计理念的体现。建筑幕墙抗震机理和量化评价指标,主要包括以下两个方面1)主体结构的楼面反应是幕墙结构的地震输人,楼面作用分析是幕墙抗震机理和性能分析的基础2)加速度破坏和位移破坏是幕墙结构在地震作用下的典型破坏特征,幕墙结构的这一震害机理是幕墙抗震性能研究的理论基础。
        1 工程概况
        本工程位于某市,主体结构为钢筋混凝土框架结构,地上2层,高12.37m。该建筑外立面采用璃幕墙和铝合金板式幕墙板,70%以上的建筑外立面为全玻璃幕墙。因建筑物层高较高和采光的需要,单片玻璃幕墙面板的计算跨度最高达到12.3m。全玻璃幕墙中,不仅玻璃板,包括支承结构都采用玻璃肋。玻璃属于脆性材料,破坏时没有可预见性,且全玻璃幕墙系统中玻璃需要承受较多的外力作用,故应对玻璃幕墙结构系统进行深入的设计与分析。
        2 玻璃幕墙系统结构设计
        2.1 吊挂式全玻幕墙结构安装
        全玻幕墙按结构的安装顺序如下:脚手架搭设→测量放线→后置埋件安装→上部钢架承重结构安装→玻璃边槽安装→拆除幕墙外侧脚手架→玻璃肋板安装→玻璃面板安装→注胶→表面清洁。测量放线、后置埋件和上部钢架承重结构等安装采用搭设在幕墙两侧的脚手架进行。1)测量放线根据幕墙定位轴线对主体结构轴线进行复核,确保吊挂式全玻幕墙与主体结构轴线平行。在确定上部钢架承重结构中心轴线基础上确定玻璃边槽的中心轴线。对实际放线与设计图纸之间的误差,可通过适当调节缝隙宽度和玻璃边槽定位进行消化。2)上部钢架承重结构后置埋件安装完成须经检测机构做拉拔试验合格后方可进入钢架安装。钢架安装固定时须进行二次紧固,先紧固钢板,在钢架结构完成后再次紧固,并在螺帽与螺栓相接处采用点焊固定。钢架构件采用焊接连接,焊接要焊透,焊缝饱满。对焊接造成的偏位要进行校正,确保中心与幕墙轴线相一致。3)内金属夹扣安装须通顺平直,用分段拉通线校核,对有偏差则进行调直。外金属夹扣应按编号对号入座并试拼装,同样要求平直。吊夹在玻璃顶部14处,每块玻璃的吊夹位于同一平面,确保吊夹受力均匀。钢架承重结构焊接完毕后,进行隐蔽工验收,验收合格后刷防锈漆。4)玻璃边槽安装严格按照放线定位和设计标高进行,下部边槽的中心线与钢架横梁中心轴线偏差小于2mm。侧边槽的中心线同钢架横梁中心轴线与下部边槽中心线连线偏差小于2mm。
        2.2 玻璃肋
        本工程采用单肋玻璃肋,尺寸为12300×730。分别对玻璃肋的截面高度、挠度和稳定性进行校核。其中,截面高度校核和挠度校核分别采用《玻璃幕墙工程技术规范》中公式7.3.2-2(3)与公式7.3.3-1(4)计算。全玻璃幕墙玻璃肋的截面高度hr为454.8mm,实际选用的玻璃肋宽度为730mm,肋截面高度校核满足要求。挠度为7.68mm,小于按规范要求计算所得值61.5mm。
 
        玻璃肋支撑的玻璃幕墙结构由于自身材料为脆性,在实际工程设计中应该考虑局部稳定性以及侧向整体稳定性计算,由于国内标准中尚无具体算法,计算采用澳大利亚标准AS1288-2006提供的算法。根据《玻璃幕墙工程技术规范》条文说明部分6.7经典板壳临界应力公式(5),求出玻璃肋在均布荷载作用下的稳定临界应力为28.162N/mm2,小于结构采用的玻璃肋的端面强度设计值fa=50.4N/mm2。依据为澳大利亚规范(AS1288-2006)公式C4(1)(6),玻璃肋的局部侧向屈曲弯矩Mcr为90.2kN·m,大于玻璃肋跨中最大弯矩66.0kN·m。玻璃肋稳定性满足要求。
 
        2.3 加速度模式
        幕墙系统受到的三向地震波不是简单的地面波,而是能反映主体结构及幕墙系统自身特性的楼面波。获取楼面波的具体做法通过主体结构的地震反应分析,对各楼层的楼面加速度时程进行频谱分析,获得各楼层的楼面反应谱,然后再生成具有包络意义楼层包络谱。根据生成的楼面包络谱,采用傅立叶逆变换生成楼面加速度时程。幕墙系统在水平方向通过环形曲梁,由径向支撑与主体结构相连,并且主体结构平面基本对称,故两水平向的地震作用机理相同,动力特性相近而竖向则是吊挂在主体结构相邻两个加强层之间,空间作用显著,其地震作用机理与水平向有很大差别。故下文从水平和竖向两个方面进行分析。
        2.4 结构胶
        玻璃面板与玻璃肋通过胶缝传力,胶缝采用硅酮结构密封胶作。依照规范要求,须对胶缝承载力进行验算。玻璃肋与玻璃面板采用骑缝式连接,采用《玻璃幕墙工程技术规范》公式7.4.2-2进行验算。经计算,胶缝强度为0.092N/mm2,小于硅酮结构胶在荷载作用下的强度设计值0.2N/mm2,满足要求。
        2.5 钢悬臂梁构件
        全玻璃幕墙系统中,钢悬臂梁是玻璃面板、玻璃肋与主体结构之间的主要传力构件。本工程钢悬臂梁材料选用Q235B,使用通用有限元软件采用ANSYSWORKBENCH19.0对钢悬臂梁进行结构力学仿真模拟计算。分析结果显示,钢悬臂梁结构最大应力为131.28MPa,最大应力所在位置为荷载作用点,不在结构连接处。钢悬臂梁结构最大挠度为1.74mm小于挠度限值3.84mm。
        2.6 位移模式
        在地震作用下,主体结构的层间位移反应也会作用到幕墙体系中。对于幕墙面板而言,平面内的水平位移会使其产生剪切变形,是面板破坏的重要原因之一。与加速度模式类似,位移模式也要通过提取楼面的位移反应,作出包络的楼面位移谱,然后再拟合出层间位移时程。
        3 结语
        (1)全玻璃幕墙系统中,应根据玻璃尺寸选择下端支承式结构或吊挂式结构。(2)在进行全玻璃幕墙系统结构设计时,应充分考虑其受力形式和荷载传递路径,对关键构件应进行深入的设计与分析。(3)经过分析,吊挂式全玻璃幕墙系统中,单片12.3m高的玻璃面板与玻璃肋分别选用12+3.04PVB+12和19mm+3.04SGP+19mm双层夹胶钢化玻璃能满足强度、挠度与稳定性的要求。
参考文献
[1]罗忆,黄圻,刘忠伟.建筑幕墙设计与施工[M].北京:化学工业出版社,2011.
[2]谢伟明.浅析建筑幕墙设计原则及发展方向[J].城市建设:下旬,2011(2).
[3]甘尚琼.玻璃幕墙设计技术关键要点[J].中外建筑,2011(2).
 
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