1 玻璃的結(jié)構(gòu)性能
1.1 玻璃是獨(dú)特的結(jié)構(gòu)材料
不同于鋼材 、混凝土 (詞條“混凝土”由行業(yè)大百科提供) 等傳統(tǒng)建筑材料 ,玻璃本身是透明的;玻璃具有很高的強(qiáng)度 ,尤其是很高的抗拉強(qiáng)度 ,鋼化玻璃 的抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值 可達(dá)到150N/m㎡至200N/m㎡,僅低于鋼材;由于強(qiáng)度高,玻璃構(gòu)件 (詞條“構(gòu)件”由行業(yè)大百科提供) 厚度很小,因而玻璃結(jié)構(gòu)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(nèi),只為混凝土墻和砌體墻的1/4至1/8;玻璃是化學(xué)穩(wěn)定的物質(zhì),幾乎沒有能腐蝕 玻璃的天然介質(zhì)。
由于玻璃同時(shí)具備透明、高強(qiáng)、輕質(zhì)、耐久四大特點(diǎn),它成為獨(dú)特的結(jié)構(gòu)材料(表1)。
表1 結(jié)構(gòu)材料的性能
* 鋁材 (詞條“鋁材”由行業(yè)大百科提供) 的耐久性 取決于鍍膜 或涂裝 的質(zhì)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(jié)構(gòu)的玻璃
1 鋼化玻璃:將平板玻璃 加熱 到玻璃軟化點(diǎn) 溫度,用冷風(fēng)迅速降溫,對(duì)玻璃施加預(yù)應(yīng)力 ,就成為鋼化玻璃。
鋼化玻璃的強(qiáng)度可以達(dá)到平板 玻璃強(qiáng)度的3倍到4倍,可以更好地滿足結(jié)構(gòu)受力的要求。此外,如遇意外,鋼化玻璃破損時(shí),碎裂為顆粒狀鈍角小塊,避免對(duì)人體產(chǎn)生嚴(yán)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(jié)構(gòu)的玻璃,其厚度為6mm至22mm。為滿足結(jié)構(gòu)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(jié)為一個(gè)整體。當(dāng)采用PVB膠片 時(shí),夾膠玻璃的承載力 和剛度 (詞條“剛度”由行業(yè)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(shí),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(zhǎng)度在8m以內(nèi),各國(guó)熱彎 夾膠鋼化玻璃的長(zhǎng)度一般不超過6m。超過長(zhǎng)度的結(jié)構(gòu)構(gòu)件 ,用不銹鋼板 (詞條“不銹鋼板”由行業(yè)大百科提供) 和不銹鋼螺栓 連接而成(圖3)。
2012年,中國(guó)已經(jīng)生產(chǎn)世界最大尺寸的玻璃。目前生產(chǎn)最大的玻璃為18m X 4m,厚度最大為25mm(圖4)。并且具備了相應(yīng)的鋼化、熱彎、夾膠的能力。中國(guó)的超大玻璃已經(jīng)為國(guó)內(nèi)外的玻璃結(jié)構(gòu)提供了強(qiáng)大的技術(shù)支持(圖5、圖6)。
2 玻璃結(jié)構(gòu)
玻璃結(jié)構(gòu)常用于板,包括墻板 和承重樓板 。此外,用于主要承重結(jié)構(gòu)時(shí),有梁、柱和框架 (詞條“框架”由行業(yè)大百科提供) 。
2.1 梁式結(jié)構(gòu)
玻璃梁通常作為玻璃采光頂 的支承結(jié)構(gòu) ,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?shù)?a target='_blank' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;'>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(jiǎn)支梁 計(jì)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(diǎn)支承。按照其支承條件分別進(jìn)行計(jì)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(nèi)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(wěn)定性 ,除高度較小(通常高度6m以下)時(shí)可以采用底部支承外,多數(shù)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(tài)。當(dāng)玻璃柱的高度很大時(shí),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(fēng)荷載 和地震力。玻璃面板可以采用邊緣支承方式或點(diǎn)支承方式與玻璃柱連結(jié)(圖16)。
玻璃柱較高時(shí),可以采用不銹鋼板 將幾段玻璃柱連接為長(zhǎng)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(nèi)空間。
玻璃柱平面外剛度很小,其平面外穩(wěn)定性問題要有足夠的注意。雖然玻璃柱的一側(cè)有玻璃面板作為平面外的支撐,但是另一側(cè)玻璃柱是無約束的,當(dāng)承受風(fēng)吸力時(shí),自由邊受壓,存在失穩(wěn)的危險(xiǎn)。因此·,當(dāng)玻璃柱的高度大于8m時(shí),應(yīng)考慮玻璃柱的穩(wěn)定問題;大于12m時(shí),必須進(jìn)行平面外穩(wěn)定性計(jì)算。必要時(shí)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(guó)際會(huì)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(qū)設(shè)計(jì)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(kuò)展了玻璃結(jié)構(gòu)的應(yīng)用領(lǐng)域(圖24)。
2015年,杭州浙商財(cái)富中心的全玻璃大堂創(chuàng)造了全世界最高玻璃柱的記錄,玻璃柱高度達(dá)到28m。玻璃柱分為3段,在現(xiàn)場(chǎng)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(qiáng)膠片夾膠。三段玻璃柱構(gòu)件用不銹鋼板和不銹鋼螺栓現(xiàn)場(chǎng)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(guó)已有多家玻璃公司可以生產(chǎn)世界最大規(guī)格的玻璃平板(18m X 4m X 25mm),并且北京玻璃公司已具有相應(yīng)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(guó)供應(yīng)。
2012年,我國(guó)首先生產(chǎn)了12m X 2.6m 熱彎、鋼化、夾膠玻璃,供應(yīng)上海蘋果店,打破了國(guó)外長(zhǎng)度不大于6m 的局限。12塊彎曲 玻璃,每塊玻璃價(jià)格達(dá)到RMB 120萬元。從此,更大規(guī)格的面板玻璃不斷供應(yīng)客戶要求(圖26)。
2.4 無立柱 玻璃板 (詞條“玻璃板”由行業(yè)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(guó)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(shè)備 (詞條“設(shè)備”由行業(yè)大百科提供) 由中國(guó)供應(yīng)。玻璃外墻不設(shè)玻璃柱,全部荷載 (詞條“荷載”由行業(yè)大百科提供) 由玻璃板單獨(dú)承擔(dān)。
圖28為美國(guó)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(jié)構(gòu)簡(jiǎn)支,玻璃尺寸為3.2m X 1.5m。室內(nèi)向外望非常通透。
同樣的設(shè)計(jì)也在巴黎的UNIC項(xiàng)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(yáng)臺(tái)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(gòu)件受力很大,要采用夾膠鋼化玻璃。框架梁柱節(jié)點(diǎn) 為剛性 連接時(shí),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(gè)蘋果店,位于紐約曼哈頓第五大街,由于當(dāng)時(shí)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(jié)構(gòu) 。上海浦東蘋果店2012年首次采用了12塊高度達(dá)12.6m的整片超大玻璃,相應(yīng)布置了12榀12.6m高的玻璃框架,匯交于頂部的玻璃環(huán)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(jié)構(gòu)。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(guó)洛杉磯國(guó)民銀行大樓300m高空設(shè)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 的一些問題
玻璃雖然強(qiáng)度高,但畢竟是脆性材料 ,而且玻璃構(gòu)件很薄,所以設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行認(rèn)真的強(qiáng)度和剛度計(jì)算,玻璃柱還應(yīng)考慮側(cè)向穩(wěn)定的問題。曾經(jīng)發(fā)生過玻璃結(jié)構(gòu)在強(qiáng)風(fēng)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(huán)球中心的玻璃墻,2016年8月7日,12m高的玻璃柱在強(qiáng)風(fēng)作用下破壞,導(dǎo)致玻璃墻大面積塌落(圖38)。
3.1 玻璃的材料力學(xué)性能
1 強(qiáng)度設(shè)計(jì)值
玻璃是脆性 材料,一直到臨近破壞,應(yīng)力 與應(yīng)變幾乎是直線關(guān)系。玻璃的總設(shè)計(jì)安全系數(shù)K一般取為2.5。考慮到主要荷載風(fēng)力分項(xiàng)系數(shù) K1為1.4,所以材料分項(xiàng)系數(shù)K2取為1.8。按照《玻璃幕墻 工程技術(shù)規(guī)范》 JGJ 102 的規(guī)定,玻璃的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值可按表2的規(guī)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(chǎn)生微裂縫 ,強(qiáng)度有所降低。
玻璃存在許多微觀裂縫,在持續(xù)應(yīng)力作用下,其后期強(qiáng)度會(huì)降低。因此,采光頂?shù)牟A姘濉⒉AЯ骸㈤L(zhǎng)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(gòu)件,其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值應(yīng)按表2數(shù)值的50%采用。
2 其他力學(xué)性能 (詞條“力學(xué)性能”由行業(yè)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(shù) 為1.0 X 10-5 。
3.2 內(nèi)力 分析和截面計(jì)算
玻璃可以認(rèn)為是彈性 均質(zhì)材料,按彈性構(gòu)件進(jìn)行內(nèi)力分析,并采用通行的彈性內(nèi)力分析軟件。
截面計(jì)算可按材料力學(xué)方法進(jìn)行。
3.3 相關(guān)鋼結(jié)構(gòu) 設(shè)計(jì)
與玻璃結(jié)構(gòu)相關(guān)的鋼結(jié)構(gòu),包括鋼—玻璃混合結(jié)構(gòu) 的鋼結(jié)構(gòu)部分,按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范 》 GB50017進(jìn)行。采用不銹鋼板連接玻璃構(gòu)件,連接計(jì)算也按鋼結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行。
4 結(jié)語
對(duì)于大多數(shù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員來說,玻璃是一種尚待熟悉的結(jié)構(gòu)材料,玻璃結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)還較少。近年來建筑師采用玻璃結(jié)構(gòu)逐漸增多,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也開始接觸這一領(lǐng)域。新材料 、新結(jié)構(gòu),對(duì)于我們將是新的機(jī)遇。
延伸介紹:
本文出自2017-2018版《中國(guó)門窗 幕墻主流技術(shù)及市場(chǎng)熱點(diǎn)分析報(bào)告》,本書以幕墻工程、門窗系統(tǒng) 產(chǎn)品兩大類體系為主線,圍繞其產(chǎn)業(yè)鏈上的型材 、玻璃、建筑用膠、五金配件 、隔熱 (詞條“隔熱”由行業(yè)大百科提供) (詞條“隔熱”由行業(yè)大百科提供)(密封 )材料和生產(chǎn)加工設(shè)備等刊出各類市場(chǎng)及技術(shù)分析論文。全書堅(jiān)持為廣大讀者提供前沿的行業(yè)資訊 ,引導(dǎo)企業(yè)家,堅(jiān)持新品研發(fā)、技術(shù)創(chuàng)新以適應(yīng)經(jīng)濟(jì)新常態(tài)發(fā)展;旨在為建筑門窗 幕墻行業(yè)推送最新的產(chǎn)品、工程技術(shù)應(yīng)用信息等。同時(shí)還針對(duì)近期竣工的超高層 、機(jī)場(chǎng)等大型幕墻工程,案例進(jìn)行分析,并邀請(qǐng)多位標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)專家,結(jié)合最新的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行了宣貫和解讀。
2017-2018版《中國(guó)門窗 幕墻主流技術(shù)及市場(chǎng)熱點(diǎn)分析報(bào)告》
本書可用于房地產(chǎn) 開發(fā)商、設(shè)計(jì)院、咨詢顧問公司以及廣大門窗幕墻上、下游企業(yè),管理、市場(chǎng)、技術(shù)等人士的參考工具書,也可作為門窗幕墻相關(guān)從業(yè)人員的專業(yè)技能培訓(xùn)教材。
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2017-2018版《中國(guó)門窗幕墻主流技術(shù)及市場(chǎng)熱點(diǎn)分析報(bào)告》目錄
序——郝際平
第一部分行業(yè)政策 解讀
我國(guó)鋁合金門窗 建筑幕墻 行業(yè)發(fā)展分析——黃圻
關(guān)注綠色、持續(xù)發(fā)展——2017年鋁 門窗幕墻委員會(huì)工作報(bào)告——董紅
中國(guó)建筑幕墻標(biāo)準(zhǔn)化現(xiàn)狀和新規(guī)范介紹——顧泰昌
工程質(zhì)量保險(xiǎn)制度簡(jiǎn)介——張仁瑜
第二部分主流技術(shù)介紹
雙層幕墻 (詞條“雙層幕墻”由行業(yè)大百科提供) 構(gòu)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(shù)在阿布扎比國(guó)際機(jī)場(chǎng)項(xiàng)目中的應(yīng)用——陶偉章紹玉
玻璃幕墻室內(nèi)側(cè)耐撞擊性能設(shè)計(jì)及計(jì)算——閉思廉 劉曉烽 林偉藝
玻璃幕墻結(jié)構(gòu) (詞條“玻璃幕墻結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供) 設(shè)計(jì)的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)概述——陳峻
建筑新材及應(yīng)用——杜繼予
超高層建筑 空間曲面 幕墻工程設(shè)計(jì)分析——陳清輝花定興
基于BIM技術(shù)的建筑幕墻設(shè)計(jì)下料——曾曉武
金屬屋面 及斜面幕墻的排水 (詞條“排水”由行業(yè)大百科提供) 、防水 (詞條“防水”由行業(yè)大百科提供) 構(gòu)造特點(diǎn)分析 ——王德勤
建筑幕墻設(shè)計(jì)新理念與實(shí)踐——孟根寶力高
主被動(dòng)巧妙結(jié)合的多功能光伏幕墻 ——羅多
傾斜式豎向單拉索 點(diǎn)支式幕墻設(shè)計(jì)與施工——?jiǎng)㈤L(zhǎng)龍洪源晁曉剛
裝配式建筑 對(duì)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(shè)計(jì)規(guī)程——?jiǎng)苑殚]思廉
三維激光掃描技術(shù)與精密測(cè)量在復(fù)雜幕墻工程中的應(yīng)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(jìn)劉軍
第三部分市場(chǎng)熱點(diǎn)分析
迅速發(fā)展的玻璃結(jié)構(gòu)——趙西安
促進(jìn)我國(guó)房地產(chǎn)與門窗幕墻企業(yè) 的合作共贏——黃圻
淺析工程門窗與家裝門窗市場(chǎng)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)——吳智勇
國(guó)內(nèi)幕墻咨詢行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀——趙志剛
2017年建筑用密封膠產(chǎn)品質(zhì)量國(guó)家監(jiān)督抽查結(jié)果報(bào)告——朱德明
種植綠色幕墻對(duì)現(xiàn)代建筑及環(huán)境的影響——?jiǎng)⒂耒?/P>
建筑門窗幕墻用密封膠條 材料特性及發(fā)展趨勢(shì)——莊澎 趙本軍
太陽(yáng)能光伏 板陽(yáng)光房 的市場(chǎng)應(yīng)用與前景分析——龔怡林
破局:論我國(guó)中小型門窗企業(yè)發(fā)展瓶頸的解決之道 ——趙觀新
裝配式建筑節(jié)能 窗研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化淺析——張國(guó)峰
新規(guī)范下的防火玻璃 應(yīng)用——酈江東徐松輝楊永華
“互聯(lián)網(wǎng)+”驅(qū)動(dòng)鋁型材 加工行業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)——盧文榮
“四大因素”引爆門窗幕墻原材料漲價(jià) ——曾毅、黃玲
密封膠企業(yè) 致:甲方、工程商的一封信《107膠 、硅油 漲得太兇了》——黃玲
劃重點(diǎn)!“十九大”和“建筑有關(guān)的哪些事兒” ——楊伶
第四部分行業(yè)調(diào)查報(bào)告
2017-2018年度中國(guó)門窗幕墻行業(yè)市場(chǎng)研究報(bào)告——雷鳴
2017年度建筑幕墻顧問 行業(yè)“分析報(bào)告” ——曾毅
中國(guó)最牛的“超級(jí)幕墻工程”展播——蘭燕
盤點(diǎn):中國(guó)門窗幕墻行業(yè)的2017年——黃玲、楊伶
專家介紹 趙西安
鋁門窗幕墻委員會(huì)專家組
工作單位: 中國(guó)建筑科學(xué)研究院
技術(shù)職稱: 研究員
專業(yè): 建筑結(jié)構(gòu),建筑幕墻
專長(zhǎng): 建筑結(jié)構(gòu),建筑幕墻