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全玻璃幕墙设计

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叶知 | 2020-5-25 07:42
◎ 中文题名 全玻璃幕墙设计
◎ 英文标题 Design of full glass curtain wall
◎ 文章编号 
◎ 作  者 缪锦婷
◎ 作者机构 嘉特纳幕墙(上海)有限公司
◎ 刊  名 山西建筑
◎ 期  号 第8期  ◎ 卷  号 第46卷
◎ 页  码 29-31
◎ ISSN 1009-6825
◎ 出版日期 2020
◎ 来  源 《山西建筑》 2020年第8期 P29-31页
◎ 分 类 号 TU228
◎ 关 键 词 幕墙,座地式无肋全玻幕墙,超高全玻璃幕墙
◎ 摘  要 
阐述了全玻璃幕墙的特点,分别对座地式无肋系统和吊挂式带肋系统进行结构要点分析。通过案例及数据分析并参考相关规范内容说明此两种形式的优缺点,以便在实际工程中更好的应用。
◎  正  文

1 概述
随着人们对于建筑外观的要求越来越高,通透、大气的裙楼主入口成为了建筑师及业主首选。在玻璃幕墙体系中,属全玻璃幕墙最为透明、晶莹。单楼层橱窗已不能满足现今需求,挑高、超宽板块已渐渐成为主流。

全玻璃幕墙是指由玻璃肋和玻璃面板构成的玻璃幕墙。玻璃既作为饰面,又作为承重结构。

全玻璃幕墙按构造分为:带肋全玻幕墙和无肋全玻幕墙(也称橱窗)。

按安装类型分为:座地式和吊挂式。

一般带肋全玻幕墙采取吊挂式结构,无肋全玻幕墙多采用座地式。

下面通过描述及案例,具体介绍此两种方式。

2 座地式无肋全玻幕墙
2.1 规范要求及注意事项
1)根据规范JGJ 102—2003,下端支撑全玻璃幕墙最大高度见表1。

表1 下端支撑全玻幕墙的最大高度
1.jpg


但随着玻璃制造工艺的更新改进,超宽超高全玻璃幕墙应用已成为可能,现有很多项目已超出规范要求值,例如上海恒基名人Apple Store以及下文提及的工程案例等。规范限制玻璃高度及厚度主要考虑在自重作用下,面板、肋板处于偏心受压状态,容易出现平面外的失稳,且玻璃变形较大,影响美观。如今,夹胶玻璃层数已不局限于两层玻璃夹胶,四层、五层玻璃夹胶比比皆是。玻璃厚度的增加以及构造措施可以有效解决失稳及变形问题,为建筑外观带来了更多的可能性。

2)玻璃表面与端面不应与刚性材料接触,容易造成玻璃破损。为避免玻璃破碎,规范规定:

a.玻璃底部应采用至少两块弹性垫块,长度不小于100 mm,厚度不小于10 mm。

b.玻璃与槽壁间需采用硅酮密封胶,与刚性材料间空隙需不小于8 mm。

c.座地式全玻璃幕墙需验算自重荷载下玻璃端面及垫块的强度。

2.2 超高座地式全玻璃幕墙应用
下面我们来举个实例叙述如何通过结构计算及构造措施解决超高座地式全玻幕墙存在的问题:

某深圳直营旗舰店项目,位于广东省深圳市南山区深南大道与沙河西路交汇处(科技园东区)万象天地。该项目建筑是独栋单体,幕墙总高度为16 m,幕墙面积约为3 000 m2。幕墙主要系统包括:
  1)楼梯侧超大玻璃幕墙系统;
  2)一楼超大落地玻璃幕墙系统;
  3)二楼立面玻璃幕墙系统;
  4)二楼裙边玻璃幕墙系统;
  5)超大玻璃栏杆系统。

楼梯侧超大玻璃幕墙系统最大高度为9000 mm,宽度为1500 mm,采用12+1.52SGP+12+1.52SGP+12+1.52SGP+12+1.52SGP+12超白钢化均质玻璃,共5片,顶底采用钢槽通过螺栓与主体钢架连接。

玻璃结构校核如下:

由于采用SGP夹胶片,保守计算等效厚度为所有玻璃厚度相加,实际计算等效厚度会大于此值。

玻璃等效厚度为t=12+12+12+12+12=60 mm;

风压标准值为Wk=1.77 kPa。

按对边简支考虑,根据规范计算得:

变形值为:df=102.9 mm<变形允许值:9 000/60=150 mm;

应力值为:σ=47.5 MPa<强度设计值:84 MPa。

根据Sap2000按实际受力建立模型计算得:

变形值为:df=12.78 mm;

应力值为:σ=50.4 MPa。

变形图见图1,应力图见图2。
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模型主要考虑了玻璃间结构胶的作用,使玻璃互相依靠,有效控制变形,而公式计算则完全考虑竖向边不受约束,与实际存在差异,因此模型计算更能反映实际结果。

从模型中我们能看到玻璃底部只有一个承重点,节点参考图3,与规范要求不符,那么为何会如此设计。原因就是为了避免因玻璃过高引起左右玻璃的竖向沉降不一致,出现错缝现象。我们将一般工程玻璃高度及层间位移角与此工程的特殊情况做了对比,具体对比数据如表2所示。

3.jpg
表2 不同高度玻璃的变形
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通过对比我们发现玻璃竖向位移相差非常多,若底部垫两个垫块,容易造成其中一个垫块失效,玻璃更会撞到槽底,造成破坏。因此考虑在正中位置装置摇摆器承重,保证玻璃承重不出现问题,始终处于垂直状态,同时能满足楼层间的变形要求,见图3。

3 吊挂式带肋全玻幕墙
3.1 规范要求及注意事项
1)玻璃肋结构及构造要求。

a.玻璃肋截面厚度不小于12 mm,高度不小于100 mm。

b.采用夹胶玻璃的玻璃肋,其等效厚度可取玻璃厚度之和。

c.风荷载作用下,玻璃肋挠度限制取1/200跨度。

d.玻璃肋跨度大于8 m,需进行平面外稳定验算。

2)玻璃肋连接要求。

a.连接玻璃肋的金属件厚度不小于6 mm,连接螺栓直径不小于8 mm。

b.采用夹胶玻璃的玻璃肋,其等效厚度可取玻璃厚度之和。

c.螺栓与玻璃孔之间应设置软铝、软铜等金属衬套,也可采用环氧胶填充密实。

d.玻璃肋孔边距离需大于3倍玻璃厚度和2倍孔径,且大于70 mm。相邻两孔边距大于5倍玻璃厚度和4倍孔径,孔中心距小于8倍孔径。

e.计算连接时,需考虑玻璃孔壁承压及孔内填充材料的挤压强度。

3.2 超高吊挂玻璃肋全玻幕墙应用
下面我们结合实际工程案例来阐述一下超高吊挂玻璃肋全玻幕墙的设计要点:

某商业建筑底层,位于北京市通州区,裙房入口采用吊挂式玻璃肋全玻幕墙,最大高度为9 m,面板玻璃宽度为1 500 mm。玻璃肋顶部通过吊夹连接于主体结构,底部入槽固定,留有上下位移空间。玻璃面板分为上下两片,上片重量通过顶部吊夹传递于主体结构,下片重量通过连接件连接于玻璃肋底部,由玻璃肋承担重量,因此在自重作用下,玻璃肋呈偏心受拉状态。在风荷载作用下,玻璃肋顶底连接,可看做简支梁模型。故可将玻璃肋看做拉弯构件。

本工程玻璃肋采用15 mm+1.78SGP+15 mm+1.78SGP+15 mm的三片夹胶玻璃,宽度根据计算取500 mm,风荷载标准值为1 kPa,组合荷载设计值为2.13 kPa。

玻璃肋最大弯矩M=qL2/8=(1 500 mm×2.18 kPa)×(9 000 mm)2/8=33.11 kN·m。

1)稳定性校核如下(参考澳大利亚规范AS 1288—2006):

有效防失稳刚性约束的间距,一般取玻璃肋跨度:Lay=h=9 000 mm;

玻璃肋绕弱轴方向抗弯刚度:EIy=d×t3/12=72 000 MPa×500 mm×(45 mm)3/12=273.37 kN·m2;

屈曲系数:g2=3.6,g1=1.4;

玻璃肋抗扭惯性矩:J=db3/(1-0.63b/d)/3=1 432.64 cm4;

玻璃肋抗扭刚度:GJ=28.7 GPa×1 432.64 cm4=411.17 kN·m2;

荷载作用点与玻璃肋中性轴距离:yh=500 mm/2=250 mm;

玻璃肋的屈曲临界弯矩:Mcr=(g2/Lay)[(EIy)(GJ)]1/2{1-g3(yh/Lay)[(EIy)(GJ)]1/2}=129.85 kN·m。

安全系数为1.7,考虑国标计算荷载时已包含安全系数1.4,且国内外对于材料安全系数取值有所差异,因此按屈曲临界弯矩大于玻璃肋承受弯矩荷载设计值的1.14倍作为校核依据。

Mcr/1.14=113.91 kN·m>M=33.11 kN·m。

综上所述,此玻璃肋的整体稳定性满足要求。

2)吊挂玻璃肋除了注意稳定性,还需要注意吊挂位置的连接设计,如下:

a.由于此节点除了承受直接风荷载及自重作用,还要考虑弯矩引起形成的剪力值,为了尽量减小此剪力值,设计时需尽可能加大螺栓间距,同时也要考虑边距破坏影响。

b.由于玻璃开孔存在偏差,且螺栓与玻璃孔之间存在间隙,容易导致玻璃旋转,甚至出现单片玻璃受力的情况,因此需要在此间隙填充软性材料,且要求材料有较强的抗挤压性能,例如喜利得HY-70。

本工程采用喜利得HY-70填充,经计算单颗螺栓所受合成剪力值为6.43 kN,玻璃面挤压力为2×6.43 kN=12.86 kN,玻璃厚度为45 mm,螺栓直径为20 mm,根据表3得出5.1 kN+9.8 kN=14.9 kN,满足设计要求。

表3 喜利得结构胶承载设计值

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根据产品手册要求,螺栓或套筒与玻璃孔之间的间隙应在3 mm~20 mm之间,且温度要在60 ℃以下,才能使此材料有效工作,保证结构安全。另外需注意玻璃开孔工艺上,孔壁不平整度应不小于1.0 mm。

4 方案对比
座地式无肋玻璃幕墙及吊挂式带肋玻璃幕墙都是以全玻璃幕墙形式体现,前者由于其通透性、室内空间阻挡少,更受建筑师喜爱,但由于玻璃面板需要厚度较厚,面积多超标准规格,价格也就稍高。后者在工程上的运用相较前者更为普遍,但现场施工方面也相应增加难度,例如现场打胶、玻璃拼接等问题。从性价比考虑,更多业主会选择后者,既能达到一定的通透性,也不至于价格过高。

5 结语
跨层全玻幕墙的应用越来越广泛,而国内的规范对于这部分还属于初级阶段,对超高玻璃肋的稳定性计算国内规范更是空白,本文主要针对此空缺做了简要描述,结合实际工程案例,对全玻璃幕墙的两种形式给出了一些建议和注意事项,供大家参考。

参考文献:

[1] JGJ 102—2003,玻璃幕墙工程技术规范[S].

[2] JGJ 113—2015,建筑玻璃应用技术规程[S].

[3] GB/T 21086—2007,建筑幕墙[S].

[4] DGJ 08—56—2012,上海市建筑幕墙工程技术规范[S].

[5] HIT—HY—70 for Structural Glass brochure,喜利得结构胶手册[Z].
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