本文摘自：《建筑幕墻創(chuàng)新與發(fā)展》未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載
一、前言
駁接玻璃肋點支承玻離幕墻是點支承玻離幕墻類型中的一種形式,在建筑設(shè)計中是外圍護結(jié)構(gòu)的一種重要的表現(xiàn)手法。建筑師們常用這種幕墻形式的無框、簡潔而通透、跨度大，視野開闊的特性展示建筑作品的魅力。以晶瑩剔透的墻面使室內(nèi)外相互呼應(yīng)，空間融合貫通，讓室內(nèi)的靜物和室外的大自然融為一體。由于駁接玻璃肋點支承玻離幕墻具有的這些突出優(yōu)點，在新建建筑中得到了廣泛的應(yīng)用，倍受建筑師的青睞。
這類幕墻在建筑設(shè)計中經(jīng)常出現(xiàn)在酒店、寫字樓、大型場館和高層建筑的大堂、共享空間及裙樓等位置。大多是整棟建筑的臉面。其結(jié)構(gòu)形式從單肋、雙肋駁接，發(fā)展到多片玻璃肋駁接，從單一的豎向垂直玻璃肋發(fā)展到斜向肋、水平肋和異形駁接玻璃肋。駁接玻璃肋的使用受力跨度，從最初的幾米發(fā)展到二十多米，甚至接近三十米。駁接玻璃肋點支承玻離幕墻確實為現(xiàn)代建筑的外立面添了彩，豐富了建筑外立面的表現(xiàn)手法。(如圖1—4)
圖1雙片駁接玻璃肋
圖2 采用條形連接板的駁接玻璃肋
在玻璃幕墻的分類中，玻璃肋支承點支式玻離幕墻是點支式玻璃幕墻中的一大類。有整體玻璃肋支承的支承點支式玻離幕墻;有由多片玻璃通過連接板將其駁接成整體肋板支承的支承點支式玻離幕墻;有垂直地面安裝的也有與地面成一定夾角安裝的斜面玻璃幕墻;還有
將玻璃肋水平安裝的水平肋駁接點支式玻璃幕墻。連接件和駁接系統(tǒng)也根據(jù)不同的工程各有不同。
圖3單片整體玻璃肋點支承玻璃幕墻
圖4玻璃鉸接連接玻璃肋幕墻
二、駁接玻璃肋支承的點支式玻幕墻在實際項目中出現(xiàn)的問題
在玻璃肋支承點支式玻離幕墻的實際應(yīng)用中也出現(xiàn)了不少讓我們無法回避的問題和缺憾，由于這些已經(jīng)顯露的此類幕墻的弱點的存在，實時提醒著我們在玻璃肋支承點支式玻離幕墻的設(shè)計和施工過程中嚴謹認真的對待每一個節(jié)點的設(shè)計和施工安裝。真正做到玻璃肋的受力清晰、胸中有數(shù)、確保安全。
圖5、圖6中所示的是某些駁接玻璃肋支承點支式玻離幕墻在安裝或使用中的肋玻璃大面積破損照片;圖7是無框玻璃門上的水平玻璃肋與豎向玻璃肋連接不當(dāng)引起的玻璃肋爆裂;圖8至圖10中所示的是駁接玻璃肋支承點支式玻離幕墻在玻璃肋連接節(jié)點和肋與面板連接節(jié)點設(shè)計不當(dāng)而引起的玻璃爆裂情況。
圖5條形連接板玻璃肋破損
圖6點狀連接板玻璃肋破損
圖7與水平玻璃肋接口處破損
在圖5至圖10中可以看出，玻璃肋支承點支式玻離幕墻的實際應(yīng)用中由于設(shè)計或施工安裝不當(dāng)，使得肋玻璃出現(xiàn)嚴重的破損現(xiàn)象，給工程留下嚴重的安全隱患。這樣的玻璃爆裂情況不但出現(xiàn)在玻璃幕墻的安裝過程中，在加工和使用過程中也都會出現(xiàn)玻璃肋板和面板玻璃自爆的現(xiàn)象。更嚴重的是有個別項目在惡劣天氣來襲時其無法抵抗外力的沖擊，出現(xiàn)整體坍塌事件。
圖8在駁接件處破損
圖9玻璃肋連接處破損
圖10設(shè)計不當(dāng)而引起的爆裂
在海南海口市的某商場，大堂的全玻璃幕墻是采用了拼接玻璃肋支撐的點支式玻璃幕墻(圖11)，在超強臺風(fēng)下整體塌落，只在邊部還有一片面玻璃和半截肋。門玻璃也有損毀(圖12)。該幕墻的面板玻璃和肋板玻璃都整體損毀，影響較大。
圖11 海口某商場全玻幕墻整體塌落
圖12 海口某商場全玻幕墻未塌落前全景
在超強臺風(fēng)“威馬遜”的襲擊下，菲律賓馬尼拉的某大廈大堂玻璃盒子的全玻璃幕墻也出現(xiàn)了整體坍塌。其幕墻形式也是采用了拼接玻璃肋點支式玻璃幕墻，在此次超強臺風(fēng)下整體塌落，無框玻璃門也完全損毀(圖13)。
這些出問題的項目告訴我們，在幕墻設(shè)計時一定要充分分析自然環(huán)境和在極限狀態(tài)時對幕墻的影響，確保幕墻在使用過程中的安全性。在《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102中4.4.3條文說明條中就提到“采用玻璃肋支承的點支承玻璃幕墻，其肋玻璃屬支承結(jié)構(gòu)，打孔處應(yīng)力集中明顯，強度要求較高;另一方面，如果玻璃肋破碎，則整片幕墻會塌落。所以，應(yīng)采用鋼化夾層玻璃”。在正文的4.4.3條規(guī)定了“采用玻璃肋支承的點支承玻璃幕墻，其玻璃肋應(yīng)采用鋼化夾層玻璃”。
圖13 菲律賓馬尼拉某大廈全玻幕墻整體塌落
在《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》中對全玻璃幕墻的玻璃肋截面（詞條“截面”由行業(yè)大百科提供）高度hr和在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值下撓度dr都有嚴格的計算公式，并規(guī)定了“風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值下，玻璃肋的撓度df宜取其計算跨度的1/200”。同時還強調(diào)“高度大于8m的玻璃肋宜考慮平面外的穩(wěn)定驗算;高度大于12m的玻璃肋，應(yīng)進行平面外穩(wěn)定驗算，必要時應(yīng)采取防止側(cè)向失穩(wěn)的構(gòu)造措施。”在條文說明中作了充分的說明，
三、在構(gòu)造設(shè)計和節(jié)點設(shè)計時應(yīng)該注意的問題
根據(jù)實際工程的情況看，采用拼接的玻璃肋支承點支式玻璃幕墻只考慮了采用鋼化夾膠玻璃還不夠，還應(yīng)該考慮到在夾膠玻璃同時破損的情況下玻璃肋的整體性，還應(yīng)該保持一定的體型和穩(wěn)定性。這是在臺風(fēng)多發(fā)地區(qū)和易出現(xiàn)極限荷載狀態(tài)的地區(qū)需要關(guān)注的安全性問題。同時，在節(jié)點設(shè)計上要特別關(guān)注整體玻璃幕墻在工作狀態(tài)時變位能力和在極限狀態(tài)時的適應(yīng)能力。
a加工后的肋玻璃孔和邊精度都不夠 b肋玻璃孔邊已經(jīng)出現(xiàn)開膠現(xiàn)象
3.1、在節(jié)點設(shè)計時需要考慮的問題
為適應(yīng)大跨度建筑造型，玻璃肋需要通過拼接才能成為整體，其所受的彎矩與肋的跨度平方成正比，跨度越大，拼接處的彎矩及剪力也越大。在玻璃肋的拼接節(jié)點設(shè)計時應(yīng)注意，由于玻璃的特性，不宜采用連接螺栓（詞條“螺栓”由行業(yè)大百科提供）與玻璃孔壁之間的作用(包括在玻璃孔內(nèi)加套墊或注膠（詞條“注膠”由行業(yè)大百科提供）)來提高連接板與玻璃立面的連接強度。(見圖3,1a、b)
拼接玻璃肋板可通過螺栓將鋼板（詞條“鋼板”由行業(yè)大百科提供）與玻璃之間的界面材料壓緊提高其摩擦力，以此來有效的將連接節(jié)點固定。所以，最好采用膠粘接的方法，即通過在玻璃與鋼板間用粘接劑來傳遞彎矩及剪力，形成等強連接(可采用樹脂類的粘接劑)。這種方法有效避免了栓接方式孔邊應(yīng)力集中所帶來的連接節(jié)點承載力低下問題。還有一種有效的方法就是，采用在鋼板與玻璃之間的位置用硅膠板或橡膠板為界面材料，通過螺栓將鋼板、硅膠板或橡膠板與玻璃壓緊來提高其摩擦力，以此來有效的將連接節(jié)點采用摩擦力的作用將鋼板與玻璃固定。
在設(shè)計中應(yīng)該注意的是，如采用粘接的方案要考慮到。不銹鋼與玻璃的線脹系數(shù)不同，除考慮傳遞內(nèi)力外，粘接面還應(yīng)考慮兩種材質(zhì)之間的相對溫度位移。有計算證明，不銹鋼與玻璃在40℃溫差作用下，粘接邊緣的應(yīng)力已達到80.8861Mpa,大于鋼化玻璃邊緣強度限值。在此部位極易出現(xiàn)由于溫差的變化引起的玻璃爆裂現(xiàn)象。不同材料在組合時要考慮溫差應(yīng)力，此應(yīng)力與材料的線膨脹系數(shù)（詞條“線膨脹系數(shù)”由行業(yè)大百科提供）差值及溫變幅度有關(guān)。玻璃線膨脹系數(shù)為1.0x10-5/℃，不銹鋼板的線膨脹系數(shù)為1.8x10-5/℃，鋼板的線膨脹系數(shù)為1.2x10-5/℃。因此，采用鋼板與玻璃肋粘接可有效降低減小由溫差應(yīng)力帶來不利影響。
在粘結(jié)劑的選擇方面，除了要滿足抗剪強度外，還必須具有一定的變位能力，以化解或降低玻璃表面溫度應(yīng)力的影響。要注意，粘接強度越高，變位能力越弱，兩者需綜合考慮。
圖15拼接玻璃肋中部連接節(jié)點三維圖
圖16拼接玻璃肋中部連接節(jié)點三維圖
要提醒注意的是在玻璃肋與面板玻璃連接節(jié)點設(shè)計時，在充分分析其受力狀態(tài)、節(jié)點適應(yīng)變形的能力的基礎(chǔ)上，還要對爪件與玻璃肋的連接形式進行分析，要在有效連接的前提下考慮爪件對肋板玻璃的影響。不得采用將爪件未經(jīng)螺栓壓合，而直接粘節(jié)在玻璃肋板上已有項目證明，這種連接方式很容易出現(xiàn)在面玻璃受到風(fēng)荷載作用時，在粘接點的邊緣，由于應(yīng)力過于集中而將鋼化玻璃壓應(yīng)力層玻璃撕裂的現(xiàn)象(圖17)。
圖17玻璃肋與面板玻璃連接節(jié)點
圖18玻璃吊夾吊掛玻璃的連接方
在玻璃肋頂部節(jié)點設(shè)計時最好采用不打孔的連接方式，減少由于孔邊應(yīng)力引起的玻璃破損現(xiàn)象。應(yīng)該盡可能的采用玻璃吊夾吊掛玻璃的連接方式(圖19)這種連接方式能在有效的傳遞玻璃自重力的同時，充分適應(yīng)由于外界影響引起的變形位移能力，是一種較為成熟的吊掛玻璃連接方式。
在整體設(shè)計時，要考慮到主體結(jié)構(gòu)（詞條“主體結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供）或結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)有足夠的剛度，采用鋼桁架或鋼梁作為受力構(gòu)件時，按照規(guī)范的規(guī)定取其跨度的1/250以下。因為頂部支承結(jié)構(gòu)的剛度直接影響著底部節(jié)點的變形量。
在玻璃肋的下部節(jié)點設(shè)計時最好采用入U型槽的連接方式(圖19)，這也是能夠很好的適應(yīng)玻璃肋板在長度方向變形能力的成熟節(jié)點。在玻璃入U型槽的深度和在槽內(nèi)預(yù)留變形量的設(shè)計時，應(yīng)該考慮到玻璃在溫度變化影響下會熱脹冷縮，玻璃的線脹系數(shù)為1×10-5，一塊邊長1500mm的玻璃，當(dāng)溫度升高80℃時會伸長1 .2mm。如果在安裝玻璃時，玻璃與鑲嵌槽底緊密接觸，一旦伸長就會產(chǎn)生擠壓應(yīng)力，這種應(yīng)力很大，σt=αEΔT 。當(dāng)ΔT=80℃時，σt=1×10-5×0.72×105×80=57.6N/mm2，大于浮法玻璃強度標(biāo)準(zhǔn)值，因此在設(shè)計玻璃幕墻節(jié)點時，應(yīng)使玻璃邊緣與鑲嵌槽底板間留有配合間隙，防止玻璃產(chǎn)生擠壓應(yīng)力。
圖19玻璃吊夾吊掛玻璃的連接方式
圖20玻璃肋端部連接方式
拼接玻璃肋支承的點支承玻璃幕墻雖然在項目上使用已經(jīng)很廣，但由其特點和材料所致其安全度還有待深入研究。所以建議，在臺風(fēng)多發(fā)地區(qū)應(yīng)謹慎選用拼接玻璃肋支承的點支承玻璃幕墻。如一定要采用玻璃肋支承的點支式玻璃幕墻，就應(yīng)嚴格按照規(guī)范中要求方法進行計算;在夾膠玻璃的選型時，應(yīng)考慮使用SGP膠片或三層玻璃夾膠。經(jīng)破壞性實驗證明其破損后的穩(wěn)定性和安全性后方可使用。
3.2、在構(gòu)造設(shè)計時應(yīng)考慮的問題
由于玻璃材料的特性要求，在玻璃肋的設(shè)計時，盡可能的減少在肋板上鉆孔（詞條“鉆孔”由行業(yè)大百科提供），也盡量不要在玻璃肋上設(shè)計凹缺口。盡可能的減少由于孔邊應(yīng)力引起的肋板爆裂現(xiàn)象。玻璃鉆孔的尺寸和位置應(yīng)按《門窗幕墻用鋼化玻璃》JGJ455標(biāo)準(zhǔn)中要求的進行設(shè)計。
在玻璃經(jīng)過切割（詞條“切割”由行業(yè)大百科提供）后，其周邊會隱藏著許多微小的裂口。這些裂口在各種效應(yīng)與熱應(yīng)力影響下，會擴展成裂紋，如果裂紋進一步發(fā)展會導(dǎo)致玻璃破裂。所以為了減少和消除玻璃因鉆孔或切割加工后留下的小裂紋而導(dǎo)致玻璃破裂。應(yīng)該要求在玻璃加工成型后，用磨邊機進行處理，對玻璃板塊的四周邊，和鉆孔的孔邊進行精磨邊和拋光的加工處理。消除玻璃周邊隱藏的微小的裂痕。
對于鋼化玻璃來說，由于鋼化玻璃表面有約占其總厚度1/6的受壓應(yīng)力區(qū)，其余的為拉應(yīng)力（詞條“拉應(yīng)力”由行業(yè)大百科提供）區(qū)，鋼化玻璃的內(nèi)外拉、壓應(yīng)力總體平衡，使其機械性能得到明顯提升，但一旦玻璃表面裂紋擴展到受拉區(qū)，鋼化玻璃將立即破裂。
另一方面，應(yīng)該考慮到玻璃破碎后玻璃肋的穩(wěn)定性和安全性。在對較高的玻璃肋板設(shè)計時，除了要認真設(shè)計每一個連接節(jié)點，還要充分考慮到玻璃肋板的整體穩(wěn)定性。當(dāng)玻璃肋達到一定的高度時，就需要考慮其側(cè)向穩(wěn)定性。按照《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》對大玻璃肋的規(guī)定：“高度大于8m的玻璃肋宜考慮平面外的穩(wěn)定驗算;高度大于12m的玻璃肋，應(yīng)進行平面外穩(wěn)定驗算，必要時應(yīng)采取防止側(cè)向失穩(wěn)的構(gòu)造措施。”在條文說明充分作了說明，由于吧玻璃肋在平面外的剛度較小有發(fā)生屈曲的可能。當(dāng)正風(fēng)壓作用使玻璃肋產(chǎn)生彎曲時，玻璃肋的受壓部位有面板作為平面外的支撐;當(dāng)反向風(fēng)壓作用時，受壓部位在玻璃肋的自由邊，就可能產(chǎn)生平面外屈曲。所以，跨度大的玻璃肋在設(shè)計時應(yīng)考慮其側(cè)向穩(wěn)定性要求，必要時要進行穩(wěn)定性驗算，并采取有效的橫向支撐等措施。
四、結(jié)束語
近來超高的駁接玻璃肋支承的點支承玻璃幕墻出的問題比較多，問題主要集中在玻璃肋連接節(jié)點上，因為在這一部位的受力較為復(fù)雜，再加上玻璃材料自身的特性所以容易出現(xiàn)問題。在實際工程中也出現(xiàn)了不少由于節(jié)點處理不當(dāng)，加工精度不夠、安裝精度不高而造成肋板玻璃和面板玻璃破損的情況。
對于跨度大的玻璃肋在設(shè)計時應(yīng)考慮其側(cè)向穩(wěn)定性要求，必要時要進行穩(wěn)定性驗算，并采取橫向支撐或拉結(jié)等措施。目前國內(nèi)對于玻璃肋的穩(wěn)定性的設(shè)計及計算的理論較少，在設(shè)計計算時可以參考經(jīng)典板殼理論和國外的相關(guān)規(guī)范。對于玻璃肋結(jié)構(gòu)分析，即使玻璃肋正截面承載力不是由臨界屈曲荷載控制，但是分析玻璃肋臨界荷載仍然有一定的意義。對于采用玻璃孔邊受力的節(jié)點設(shè)計時一定要進行受力分析、模擬計算和實體實驗后才能確定方案。在玻璃肋板的孔位設(shè)計時，應(yīng)該充分考慮到玻璃鉆孔的加工精度對玻璃肋支承的點支承玻璃幕墻整體性能的影響。
在這里還想正中強調(diào)，玻璃肋支承的點支承玻璃幕是一種對玻璃加工和安裝精度要求極高的玻璃幕墻產(chǎn)品。玻璃上的鉆孔磨邊等深加工技術(shù)是要由高精的設(shè)備來保證的。這種幕墻的單位平米造價很高，是一種高檔次的幕墻產(chǎn)品。要有充分的心理準(zhǔn)備才能制造出好的產(chǎn)品。
參考文獻
[1] 《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》，中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn), JGJ102-2003
[2]蔣金博、郭迪、張冠琦，強臺風(fēng)影響下幕墻安全分析，《幕墻設(shè)計》，2014第五期，總第35期
[3] 王德勤（詞條“王德勤”由行業(yè)大百科提供），玻璃肋支承點支式玻璃幕墻在設(shè)計中應(yīng)該考慮的問題，《幕墻設(shè)計》，2016.01
[4] 王德勤，點支式玻璃幕墻的設(shè)計與施工問題解答，《建筑幕墻設(shè)計與施工》, 2006.09
