全玻幕墙中玻璃肋的设计与计算

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摘要：玻璃肋作为全玻幕墙的主要受力构件是整个系统的设计重点。本文从玻璃肋的构造设计和结构计算两个角度进行研究和探讨，对玻璃肋玻璃种类的选择，吊挂形式，拼接形式，强度与变形的计算以及整体稳定性的验算做细致的说明。

关键词：全玻幕墙；玻璃肋；吊挂；拼接；安全性；稳定性

中图分类号： TU714文献标识码： A

近年来，随着建筑幕墙行业不断发展和进步，以及玻璃生产技术的提高和产品的多样化，全玻幕墙以其挺拔平整的外视面和通透开阔的内部视野为广大建筑师和业主所青睐。全玻幕墙的主要构成部件包括玻璃面板和玻璃肋两部分，其中的玻璃肋是整个系统的主要支撑和受力构件，是玻璃这种脆性材料在幕墙工程中作为结构应用的典型代表。因为玻璃作为结构构件本身存在一定的风险，所以对玻璃肋的设计和计算是全玻幕墙系统设计的重点。玻璃肋与面玻璃的连接形式包括通过结构胶粘接和驳接爪点式连接两种形式，本文就这两种连接形式的玻璃肋的构造设计与结构计算作初步探讨。

一、玻璃肋的构造设计

玻璃肋在全玻幕墙工程中的应用，要充分考虑其作为结构构件的安全性与可维修性。以下从玻璃种类的选用，吊挂形式，拼接形式等三方面对玻璃肋的构造设计进探讨。

1.1玻璃种类的选用

作为结构构件的玻璃必须使用安全玻璃，因此玻璃肋的也必须使用安全玻璃，包括钢化玻璃和夹层玻璃。

钢化玻璃的安全性主要体现在当玻璃受外力破坏时，碎片会成类似蜂窝状的钝角碎小颗粒，不易对人体造成严重的伤害。但是这种“安全性”对我们的玻璃肋作为结构构件时并非绝对意义的安全，当采用吊挂形式的玻璃肋驳接爪点式支撑，玻璃肋除了承担自身的自重，面玻璃的自重也通过驳接爪传递给玻璃肋，这样如果玻璃肋遭受意外的撞击，单片的钢化玻璃肋破碎，支撑结构不复存在，面板失去支持，幕墙就会垮塌，造成严重的后果。同时，钢化玻璃本身还存在不可避免的自爆问题，这就增加了这种风险的存在。为了尽量规避这种风险，肋玻钢化后一定要进行热浸处理。北京就发生过由于玻璃肋自爆导致大堂全玻幕墙垮塌的事故。所以，这种单片的钢化玻璃只能适用于玻璃肋只起到加强面玻璃平面外刚度的情况，就是面玻璃通过结构胶与玻璃肋粘接，而自重依靠吊夹承担或者依靠底部支撑的坐式结构。

夹层玻璃有普通伏法夹层玻璃，半钢化夹层玻璃，钢化夹层玻璃。点支承时宜采用钢化夹层玻璃，经计算支承点应力许可时，最好使用半钢化夹层玻璃和普通伏法夹层玻璃。因为即使是钢化夹层玻璃，在两片钢化玻璃都意外破碎或者自爆的情况下，玻璃肋的钢度会完全丧失。在吊挂点处完全依靠胶片的强度来承受自重，很有可能被撕裂而导致整片幕墙垮塌。所以在强度许可的情况下尽量使用钢化夹层和普通伏法夹层。因为这样即使在外部因素作用下破裂时，不会突然飞散消失，而是还存有一些刚度位于原地，临时支撑一下面板，给局部维修带来可能，不至于发生面板倒塌的重大事故。

1.2 吊挂形式的设计

玻璃肋与面玻璃一般都采用吊挂的形式连接在主体结构上，这种设计避免了因玻璃自重引导起的弯曲，可使玻璃反射影像真实，反光均匀，在受风压，地震等外力作用时，可沿力的方向作小幅摇摆，从而分散应力，即使下部受意外强力冲击产生玻裂，其上部仍悬挂于主体结构上，避免整体玻璃坍塌造成人身伤害。玻璃肋与面玻璃的吊挂形式主要有以下三种：一，采用钢夹板螺栓吊挂肋玻，吊夹吊挂面玻；二，采用钢夹板螺栓只吊挂肋玻，驳接爪分层吊挂面玻。三，采用钢夹板螺栓只吊挂肋玻，驳接爪通过连到主体结构的承重拉杆整体吊挂面玻。第一种吊挂形式是面玻璃通过结构胶粘接到玻璃肋所常用的方式。后面两种是点支撑所常用的方式，但是第二种方式对玻璃肋的设计本身存在一定的困难，在计算的是要考虑玻璃肋受到驳接爪的偏心受拉和集中力的作用。而第三种方式拉杆的作用很明确，它将所有爪件连起来直接承受所有玻璃面板的自重，玻璃肋此时仅受水平荷载的作用，对玻璃肋的设计非常有利。

1.3 拼接形式设计

由于钢化和半钢化玻璃受到钢化炉尺寸的限制，一些超高的玻璃肋往往需要拼接来实现所需要的设计长度。注意这个搭接的位置应设置在弯矩较小的位置。通常有两种连接方式：粘接连接和机械连接。

粘接连接：就是在玻璃肋拼接的位置处，两侧各盖一张钢板，在钢板与玻璃之间涂上高强度胶粘接剂，然后穿上螺栓，主要通过胶粘接剂传递内力。这个胶粘剂需要通过试验确定胶抗剪强度，通过测定一组数据，然后取这组数据的5%分位值作为这个胶抗剪强度标准值，然后除以一个材料安全系数得到强度设计值。

机械连接：就是在玻璃肋拼接的位置处，两侧各盖一张钢板，在钢板与玻璃之间垫上一层薄的EPDM胶垫，在螺栓上套上柔性套圈，主要通过螺栓与玻璃孔挤压传递内力。这种连接中玻璃孔的承压强度取玻璃端部强度。另外注意的是夹胶玻璃由于加工的误差，由于两块玻璃开孔是单独的，所以合片完玻璃孔不重合时，计算玻璃孔承压厚度应取单片厚度。

二、玻璃肋的结构计算

玻璃肋作为结构构件在幕墙中的应用要特别加以重视，对其结构的安全性，合理性要进行充分的计算。玻璃肋的计算模型一般为简单的梁式结构，主要需要进行以下两方面的验算：一，玻璃强度与变形的计算，二，整体稳定性的验算。

2.1玻璃强度与变形的计算

玻璃的强度取值一般分为大面强度和端部强度两种，这个需要根据玻璃肋应力分布来选择相应的强度，对于玻璃肋中最大应力都是分布在玻璃肋的边缘或者孔洞的周围，所以强度应该取端部强度。玻璃肋的计算模型一般为简单的梁模型，计算公式比较简单，在一般的书籍中都可以查到，这里不再赘述。

通过驳接爪点式支撑的玻璃肋，玻璃肋上需要开孔，我们都知道孔洞会造成应力的集中，对于玻璃这种没有塑性屈服的脆性材料，应力集中是致命的。因此对开孔处的应力计算显得十分重要。

图1

根据《Roark's Formulas for Stress and Strain》中表格17.1，首先我们求出图1中孔边缘位置A点的常规应力为：

孔边缘的应力集中系数为：

这样孔边缘位置边A点的最大应力 为:

对于挠度校核，一般在强度满足的情况下，挠度基本没有问题。

2.2整体稳定性的验算

玻璃肋作为全玻幕墙的支撑结构，其截面的宽厚比值往往很大，即玻璃肋平面内的刚度往往大于平面外的刚度。这种情况使得玻璃肋在平面内受弯的时候，很可能发生平面外的弯曲和扭转，即玻璃肋平面外的失稳。据国内玻璃幕墙规范JGJ102中规定，对于跨度大于8m的玻璃肋，应进行玻璃肋平面外稳定校核。但是JGJ102中没有给出相应的计算方法，我们根据澳洲标准AS1288提供计算方法进行玻璃肋稳定性验算。

没有中间支撑的玻璃肋的弹性屈曲极限承载力 为：

其中：:玻璃肋关于弱轴的有效弯曲刚度

玻璃肋有效扭转刚度

在工程实际的校核中，玻璃肋弹性屈曲极限承载力的设计值需要除以1.14的安全系数。

三、结论

玻璃肋在全玻幕墙中的应用，从设计和计算的角度，归纳起来要注意以下几方面的内容：

3.1在选用玻璃肋的玻璃种类时，应根据其结构形式选用更加适合更加安全的玻璃种类。

3.2吊挂形式的合理利用对玻璃肋的整体设计有着至关重要的作用。

3.3拼接节点不可避免时，应尽量设置在弯矩较小处。

3.4玻璃肋开孔处的应力集中效应不可忽略。

3.5玻璃肋作为支撑结构，除了计算玻璃肋的强度与挠度外，还必须计算整体的稳定性。

 参考文献：

[1]《建筑玻璃应用技术规程》（JGJ 113-2009）

[2]《玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ 102-2003）

[3]《Glass in buildings-Selection and installation》（AS 1288-2006）

[4]《Roark's Formulas for Stress and Strain》WARREN C. YOUNG

RICHARD G. BUDYNASSeventh Edition