1 玻璃的結構性能
1.1 玻璃是獨特的結構材料
不同于鋼材、混凝土(詞條“混凝土”由行業大百科提供)等傳統建筑材料,玻璃本身是透明的;玻璃具有很高的強度,尤其是很高的抗拉強度,鋼化玻璃的抗拉強度標準值可達到150N/m㎡至200N/m㎡,僅低于鋼材;由于強度高,玻璃構件(詞條“構件”由行業大百科提供)厚度很小,因而玻璃結構的自重很小,全玻璃墻的自重(包括玻璃面板和玻璃柱)在 80kg/㎡ 至 120kg/㎡ 范圍內,只為混凝土墻和砌體墻的1/4至1/8;玻璃是化學穩定的物質,幾乎沒有能腐蝕玻璃的天然介質。
由于玻璃同時具備透明、高強、輕質、耐久四大特點,它成為獨特的結構材料(表1)。
表1 結構材料的性能

* 鋁材(詞條“鋁材”由行業大百科提供)的耐久性取決于鍍膜或涂裝的質量 ; ** 不銹鋼耐腐蝕,鋼材的耐久性取決于防銹措施。
1.2 用于建筑結構的玻璃
1 鋼化玻璃:將平板玻璃加熱到玻璃軟化點溫度,用冷風迅速降溫,對玻璃施加預應力,就成為鋼化玻璃。

鋼化玻璃的強度可以達到平板玻璃強度的3倍到4倍,可以更好地滿足結構受力的要求。此外,如遇意外,鋼化玻璃破損時,碎裂為顆粒狀鈍角小塊,避免對人體產生嚴重傷害(圖1)。
2 夾膠玻璃:夾膠玻璃又稱夾層玻璃。用于玻璃結構的玻璃,其厚度為6mm至22mm。為滿足結構截面的受力厚度,或者為了提高玻璃破碎后的安全性,常常將幾片玻璃用膠片粘結為一個整體。當采用PVB膠片時,夾膠玻璃的承載力和剛度(詞條“剛度”由行業大百科提供)等于各片玻璃的承載力或剛度之和;采用SGP膠片時,夾膠玻璃的等效厚度可采用各片玻璃的厚度之和,因而其承載力和剛度極大地提高(圖2)。
1.3 超大尺寸玻璃
目前常用玻璃的長度在8m以內,各國熱彎夾膠鋼化玻璃的長度一般不超過6m。超過長度的結構構件,用不銹鋼板(詞條“不銹鋼板”由行業大百科提供)和不銹鋼螺栓連接而成(圖3)。

2012年,中國已經生產世界最大尺寸的玻璃。目前生產最大的玻璃為18m X 4m,厚度最大為25mm(圖4)。并且具備了相應的鋼化、熱彎、夾膠的能力。中國的超大玻璃已經為國內外的玻璃結構提供了強大的技術支持(圖5、圖6)。

2 玻璃結構
玻璃結構常用于板,包括墻板和承重樓板。此外,用于主要承重結構時,有梁、柱和框架(詞條“框架”由行業大百科提供)。
2.1 梁式結構
玻璃梁通常作為玻璃采光頂的支承結構,用于高層建筑的頂部、裙房以及大型公共建筑。為了安全,采光頂的面板和承重梁都必須采用夾膠玻璃。
玻璃梁通常采用鉸支座,按簡支梁計算。



玻璃采光頂的夾層玻璃面板可以周邊支承,也可以采用點支承。按照其支承條件分別進行計算,通常多采用板的有限元分析軟件。

2.2 玻璃柱
玻璃柱在受彎平面內截面尺寸很大,可以到800mm或更多;而在受彎平面外,受玻璃厚度所限,通常很小。為提高平面外的穩定性,除高度較小(通常高度6m以下)時可以采用底部支承外,多數情況下采用頂部懸掛的支承方式,使玻璃柱處于拉彎的受力狀態。當玻璃柱的高度很大時,常采用多片玻璃夾膠以增大玻璃的厚度,從而加大玻璃柱截面的寬度(圖15)。
玻璃柱上下端均采用鉸支承,承受玻璃面板傳來的自重、風荷載和地震力。玻璃面板可以采用邊緣支承方式或點支承方式與玻璃柱連結(圖16)。

玻璃柱較高時,可以采用不銹鋼板將幾段玻璃柱連接為長柱(圖17)。

圖18為北京芳草地中心高層辦公綜合建筑,大面積玻璃墻面用玻璃柱支承,形成通透的室內空間。

玻璃柱平面外剛度很小,其平面外穩定性問題要有足夠的注意。雖然玻璃柱的一側有玻璃面板作為平面外的支撐,但是另一側玻璃柱是無約束的,當承受風吸力時,自由邊受壓,存在失穩的危險。因此·,當玻璃柱的高度大于8m時,應考慮玻璃柱的穩定問題;大于12m時,必須進行平面外穩定性計算。必要時增加平面外的支撐(圖19)。
平面外支撐可以采用水平玻璃梁、水平不銹鋼撐桿、水平不銹鋼板等。圖20為廈門國際會議中心玻璃柱的不銹鋼板水平梁式支撐,不銹鋼梁自重由豎向不銹鋼吊桿支承。


蘇州科技園區設計院高層辦公樓,整座建筑的各層玻璃外墻均采用玻璃柱支承,大大擴展了玻璃結構的應用領域(圖24)。

2015年,杭州浙商財富中心的全玻璃大堂創造了全世界最高玻璃柱的記錄,玻璃柱高度達到28m。玻璃柱分為3段,在現場安裝、就位、連接。玻璃柱截面高度850mm,截面厚度104.1mm,采用5片19mm超白鋼化玻璃用2.25mm厚的SGP高強膠片夾膠。三段玻璃柱構件用不銹鋼板和不銹鋼螺栓現場連接。
柱的上下端均采用不銹鋼夾板形成鉸支座(圖25)。


2.3 超大尺寸玻璃面板
我國已有多家玻璃公司可以生產世界最大規格的玻璃平板(18m X 4m X 25mm),并且北京玻璃公司已具有相應的鋼化、熱彎、夾膠等深加工能力。所以目前世界各地的超大玻璃面板均由中國供應。


2012年,我國首先生產了12m X 2.6m 熱彎、鋼化、夾膠玻璃,供應上海蘋果店,打破了國外長度不大于6m 的局限。12塊彎曲玻璃,每塊玻璃價格達到RMB 120萬元。從此,更大規格的面板玻璃不斷供應客戶要求(圖26)。
2.4 無立柱玻璃板(詞條“玻璃板”由行業大百科提供)外墻
2015年,形狀如同巨型飛碟的蘋果公司總部在美國加州興建,玻璃外墻采用14m X 3.3m的超大熱彎、鋼化、中空玻璃(圖27),玻璃加工設備(詞條“設備”由行業大百科提供)由中國供應。玻璃外墻不設玻璃柱,全部荷載(詞條“荷載”由行業大百科提供)由玻璃板單獨承擔。

圖28為美國華盛頓總部辦公樓,外墻全部為一層樓高的熱彎玻璃,由上下層樓面結構簡支,玻璃尺寸為3.2m X 1.5m。室內向外望非常通透。

同樣的設計也在巴黎的UNIC項目13層住宅中采用,全部外墻為無玻璃柱支承大尺寸玻璃板,連外挑陽臺的欄板也全部采用透明玻璃(圖29)。

2.5 玻璃框架
全玻璃建筑要求采用透明的玻璃框架。玻璃框架的梁柱構件受力很大,要采用夾膠鋼化玻璃?蚣芰褐節點為剛性連接時,可以采用不銹鋼板和不銹鋼螺栓連接,也有工程采用膠接(圖30,圖31)。

圖32為2000年建成的第一個蘋果店,位于紐約曼哈頓第五大街,由于當時沒有超大玻璃,玻璃面板沿高度分為3塊,玻璃柱整根,高度9m,5片15mm玻璃夾膠。玻璃框架梁柱用不銹鋼螺栓連接,雙向布置,頂部成為交叉梁系。

此后,蘋果店大量采用玻璃框架結構。上海浦東蘋果店2012年首次采用了12塊高度達12.6m的整片超大玻璃,相應布置了12榀12.6m高的玻璃框架,匯交于頂部的玻璃環梁上。其中4榀組成正交的門式框架 。

2014年建成的北京三里屯蘋果店采用L形玻璃框架,梁柱一體,由整塊玻璃切割而成(圖34)。

2.6 玻璃樓梯
在玻璃建筑中,樓梯自然也采用玻璃結構。玻璃樓梯,無論直樓梯還是螺旋樓梯,都以扶手欄板為承重主梁,樓梯踏板安裝在欄板上。欄板和踏板都采用夾膠玻璃以保證安全。踏板通常3片玻璃夾膠,面層玻璃常用刻花玻璃防滑(圖35、圖36)。


類似于玻璃樓梯,美國洛杉磯國民銀行大樓300m高空設置了玻璃滑梯,也是以玻璃欄板作為主梁,32mm厚的夾膠玻璃底板承重(圖37)。

3 玻璃結構設計的一些問題
玻璃雖然強度高,但畢竟是脆性材料,而且玻璃構件很薄,所以設計時必須進行認真的強度和剛度計算,玻璃柱還應考慮側向穩定的問題。曾經發生過玻璃結構在強風作用下破壞的事例。如世界上建筑面積最大的單體工程—成都環球中心的玻璃墻,2016年8月7日,12m高的玻璃柱在強風作用下破壞,導致玻璃墻大面積塌落(圖38)。

3.1 玻璃的材料力學性能
1 強度設計值
玻璃是脆性材料,一直到臨近破壞,應力與應變幾乎是直線關系。玻璃的總設計安全系數K一般取為2.5。考慮到主要荷載風力分項系數K1為1.4,所以材料分項系數K2取為1.8。按照《玻璃幕墻工程技術規范》 JGJ 102 的規定,玻璃的強度設計值可按表2的規定采用。表2中端面指玻璃切割后所形成的表面,其寬度等于玻璃的厚度。邊緣指臨近端面的玻璃表面,因切割產生微裂縫,強度有所降低。
玻璃存在許多微觀裂縫,在持續應力作用下,其后期強度會降低。因此,采光頂的玻璃面板、玻璃梁、長期水壓作用下的水族箱板、水池底板等永久性受力的玻璃構件,其強度設計值應按表2數值的50%采用。
2 其他力學性能(詞條“力學性能”由行業大百科提供)
玻璃的彈性模量E為0.72 X 105 N/m㎡,玻璃的線膨脹系數為1.0 X 10-5。

3.2 內力分析和截面計算
玻璃可以認為是彈性均質材料,按彈性構件進行內力分析,并采用通行的彈性內力分析軟件。
截面計算可按材料力學方法進行。
3.3 相關鋼結構設計
與玻璃結構相關的鋼結構,包括鋼—玻璃混合結構的鋼結構部分,按《鋼結構設計規范》 GB50017進行。采用不銹鋼板連接玻璃構件,連接計算也按鋼結構的方法進行。
4 結語
對于大多數結構設計人員來說,玻璃是一種尚待熟悉的結構材料,玻璃結構設計經驗還較少。近年來建筑師采用玻璃結構逐漸增多,結構設計也開始接觸這一領域。新材料、新結構,對于我們將是新的機遇。
延伸介紹:
本文出自2017-2018版《中國門窗幕墻主流技術及市場熱點分析報告》,本書以幕墻工程、門窗系統產品兩大類體系為主線,圍繞其產業鏈上的型材、玻璃、建筑用膠、五金配件、隔熱(詞條“隔熱”由行業大百科提供)(詞條“隔熱”由行業大百科提供)(密封)材料和生產加工設備等刊出各類市場及技術分析論文。全書堅持為廣大讀者提供前沿的行業資訊,引導企業家,堅持新品研發、技術創新以適應經濟新常態發展;旨在為建筑門窗幕墻行業推送最新的產品、工程技術應用信息等。同時還針對近期竣工的超高層、機場等大型幕墻工程,案例進行分析,并邀請多位標準委員會專家,結合最新的標準規范進行了宣貫和解讀。

2017-2018版《中國門窗幕墻主流技術及市場熱點分析報告》
本書可用于房地產開發商、設計院、咨詢顧問公司以及廣大門窗幕墻上、下游企業,管理、市場、技術等人士的參考工具書,也可作為門窗幕墻相關從業人員的專業技能培訓教材。
如需要2017-2018版《中國門窗幕墻主流技術及市場熱點分析報告》》的讀者,敬請聯系:QQ:712050366 黃玲
2017-2018版《中國門窗幕墻主流技術及市場熱點分析報告》目錄
序——郝際平
第一部分行業政策解讀
我國鋁合金門窗建筑幕墻行業發展分析——黃圻
關注綠色、持續發展——2017年鋁門窗幕墻委員會工作報告——董紅
中國建筑幕墻標準化現狀和新規范介紹——顧泰昌
工程質量保險制度簡介——張仁瑜
第二部分主流技術介紹
雙層幕墻(詞條“雙層幕墻”由行業大百科提供)構造與性能——劉忠偉
“既有建筑外立面改造”的思考和研究——陳勇
BIM技術在阿布扎比國際機場項目中的應用——陶偉章紹玉
玻璃幕墻室內側耐撞擊性能設計及計算——閉思廉 劉曉烽 林偉藝
玻璃幕墻結構(詞條“玻璃幕墻結構”由行業大百科提供)設計的安全風險評價概述——陳峻
建筑新材及應用——杜繼予
超高層建筑空間曲面幕墻工程設計分析——陳清輝花定興
基于BIM技術的建筑幕墻設計下料——曾曉武
金屬屋面及斜面幕墻的排水(詞條“排水”由行業大百科提供)、防水(詞條“防水”由行業大百科提供)構造特點分析 ——王德勤
建筑幕墻設計新理念與實踐——孟根寶力高
主被動巧妙結合的多功能光伏幕墻——羅多
傾斜式豎向單拉索點支式幕墻設計與施工——劉長龍洪源晁曉剛
裝配式建筑對密封膠及施工操作性要求的研究——竇錦兵 劉延林
淺談幕墻開啟窗的設計規程——劉曉烽閉思廉
三維激光掃描技術與精密測量在復雜幕墻工程中的應用研究——陶偉肖飛
超低能耗綠色建筑鋁合金門窗解決方案——李進劉軍
第三部分市場熱點分析
迅速發展的玻璃結構——趙西安
促進我國房地產與門窗幕墻企業的合作共贏——黃圻
淺析工程門窗與家裝門窗市場現狀與發展趨勢——吳智勇
國內幕墻咨詢行業發展現狀——趙志剛
2017年建筑用密封膠產品質量國家監督抽查結果報告——朱德明
種植綠色幕墻對現代建筑及環境的影響——劉玉琦
建筑門窗幕墻用密封膠條材料特性及發展趨勢——莊澎 趙本軍
太陽能光伏板陽光房的市場應用與前景分析——龔怡林
破局:論我國中小型門窗企業發展瓶頸的解決之道 ——趙觀新
裝配式建筑節能窗研發與產業化淺析——張國峰
新規范下的防火玻璃應用——酈江東徐松輝楊永華
“互聯網+”驅動鋁型材加工行業轉型升級——盧文榮
“四大因素”引爆門窗幕墻原材料漲價 ——曾毅、黃玲
密封膠企業致:甲方、工程商的一封信《107膠、硅油漲得太兇了》——黃玲
劃重點!“十九大”和“建筑有關的哪些事兒” ——楊伶
第四部分行業調查報告
2017-2018年度中國門窗幕墻行業市場研究報告——雷鳴
2017年度建筑幕墻顧問行業“分析報告” ——曾毅
中國最牛的“超級幕墻工程”展播——蘭燕
盤點:中國門窗幕墻行業的2017年——黃玲、楊伶