點(diǎn)支式玻璃幕墻設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的若干問題

【中玻網(wǎng)】一、前言

　　點(diǎn)支式玻璃幕墻的定義在《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范（JGJ102-2003）》中是這樣規(guī)定的：由玻璃面板、點(diǎn)支承裝置和支承結(jié)構(gòu)構(gòu)成的玻璃幕墻叫點(diǎn)支式玻璃幕墻。本文將就點(diǎn)支式玻璃幕墻設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的若干問題進(jìn)行一下解析。

　　中國(guó)館位于世博軸東側(cè)，上南路與北環(huán)路交匯處，處于世博園區(qū)的核心區(qū)域，占據(jù)浦東區(qū)域主入口的顯要位置。作為基座的地方館水平展開，融入城市公共生活；其上的國(guó)家館攫取傳統(tǒng)的片段，以清晰的結(jié)構(gòu)、鮮艷的中國(guó)紅、磅礴的氣勢(shì)構(gòu)成城市新的地標(biāo)。整個(gè)中國(guó)館在一種不對(duì)稱的平衡結(jié)構(gòu)中彰顯出了國(guó)家的和諧與穩(wěn)定。

　　二．點(diǎn)支式玻璃幕墻介紹

　　點(diǎn)支式幕墻按其支承形式可分為一下幾種結(jié)構(gòu)體系：

　�。�1）玻璃肋支承式

　　該幕墻用玻璃作為受力支承結(jié)構(gòu)，其主要特點(diǎn)是通透性好，構(gòu)造簡(jiǎn)單且結(jié)構(gòu)無腐蝕性問題，適用于大堂、大廳及共享空間等。作為受力結(jié)構(gòu)的玻璃肋必須采用夾膠玻璃。

　�。�2）單管或鋼管桁架支承式

　　該幕墻采用單管或各種桁架結(jié)構(gòu)，如魚腹桁架、平行弦桁架、三角形桁架等作為受力支承結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是將鋼結(jié)構(gòu)的雄渾構(gòu)造美和玻璃的“透”無缺的結(jié)合起來，使該幕墻充滿了現(xiàn)代藝術(shù)感。

　　（3）索（桿）桁架支承式

　　該幕墻采用鋼拉索或鋼拉桿（可采用不銹鋼或碳鋼，由業(yè)主方來確定）和懸空連接桿通過合理布置經(jīng)過預(yù)應(yīng)力張拉形成空間桁架系統(tǒng)作為受力支承結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是整個(gè)結(jié)構(gòu)體系為一柔性體系，受載能力強(qiáng)，輕盈美觀，通透性好，技術(shù)難度高，是高科技和現(xiàn)代建筑藝術(shù)的無缺結(jié)晶。但是施工難度大，張拉工藝要求復(fù)雜，對(duì)施工精度要求高。

　　（4）單索支承式

　　該幕墻采用縱橫交錯(cuò)的兩道索或者只設(shè)縱向索作為受力支承結(jié)構(gòu)。

　　其特點(diǎn)是輕盈通透，拉索與玻璃膠縫在視覺上相重合，大大提高了可視面積，并且在施工方面也較拉索桁架容易。

　�。�5）預(yù)應(yīng)力自平衡索桁架支承式點(diǎn)支式玻璃幕墻

　　預(yù)應(yīng)力自平衡索桁架是一種由中間壓桿（鋼管）、輔助橫桿和呈拋物線形狀布置的索組成：索的預(yù)應(yīng)力通過兩端連接由主壓桿承擔(dān)，預(yù)應(yīng)力不會(huì)傳給主體結(jié)構(gòu)，在桁架內(nèi)部形成力的平衡，在承受正負(fù)風(fēng)壓時(shí)，它相當(dāng)于一個(gè)兩端簡(jiǎn)支桁架的結(jié)構(gòu)功能。

　�。�6）組合式支承式

　　該體系采用鋼結(jié)構(gòu)、拉索、拉桿等相互組合作為受力結(jié)構(gòu)。其特點(diǎn)是取各種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)從而形成一個(gè)新的結(jié)構(gòu)體系，無論從通透性還是從建筑美學(xué)上都無缺無缺。但是這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)計(jì)算非常復(fù)雜，施工也有一定的難度。

　　三.點(diǎn)支式玻璃幕墻設(shè)計(jì)應(yīng)注意的若干問題

　　1、玻璃面板的設(shè)計(jì)應(yīng)注意的問題：

　�。�1）采用浮頭式連接的玻璃厚度不應(yīng)小于6mm；采用沉頭式連接的玻璃厚度不應(yīng)小于8mm。

　�。�2）點(diǎn)式玻璃幕墻采用鉆孔玻璃時(shí)，則玻璃孔中心到面板邊緣的距離c不應(yīng)小于2.5d，也不應(yīng)小于70+d/2mm。

　　（3）當(dāng)玻璃的撓度或強(qiáng)度在荷載作用下不能滿足規(guī)范要求時(shí)，易通過增加玻璃的厚度來實(shí)現(xiàn)，而不易加大駁接爪件的間距來實(shí)現(xiàn)。

　　我們做一下比較：例如一個(gè)2000x1500板塊的中空玻璃，采用堅(jiān)朗公司250系列爪件，玻璃采用8+12A+6mm夾膠鋼化玻璃，風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為1.0KPA計(jì)算發(fā)現(xiàn)此配置的玻璃撓度不能滿足規(guī)范要求，當(dāng)把玻璃的配置改為8+12A+8mm就能滿足要求了！價(jià)格增加了20元/m2；如果把250爪件改為300爪件同樣能滿足受力要求，可是價(jià)格卻增加了近80元/m2�？梢娫黾硬ＡУ呐渲靡燃哟笞拈g距更便宜！

　　（4）對(duì)點(diǎn)式玻璃的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意：玻璃的許用撓度為長(zhǎng)邊支承點(diǎn)間距的1/60，不同于框架幕墻，框架幕墻玻璃的撓度為短邊的1/60。

　�。�5）對(duì)點(diǎn)式玻璃的設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別注意：盡量不要采用6點(diǎn)支承和8點(diǎn)支承形式。原因如下：①由于6點(diǎn)或8點(diǎn)支承，在安裝過程中很難把6點(diǎn)或8點(diǎn)調(diào)成同一平面，玻璃安裝完成之后在玻璃內(nèi)部就產(chǎn)生了一定的翹曲應(yīng)力，為以后的使用埋下了安全隱患。②由于玻璃在荷載作用下跨中的應(yīng)力大，而恰恰6點(diǎn)或8點(diǎn)的玻璃在受力大的位置開了孔，這就大大降低了抵抗荷載的能力。綜上可見6點(diǎn)或8點(diǎn)支承的結(jié)構(gòu)形式是很不可行！

　　(6）當(dāng)玻璃面與豎直平面夾角大于5度時(shí)（斜幕墻），要采用夾膠玻璃；如果同時(shí)還考慮保溫，就應(yīng)采用中空夾膠玻璃，并且夾膠面在幕墻面的下側(cè)。

　　2、單管作為支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題

　　(1)單管結(jié)構(gòu)作為受力結(jié)構(gòu)主要適用于層間高度不是很高，分格寬度不是很寬的情況。下面本人做了一個(gè)比較。（以北京地區(qū)為例(風(fēng)荷載按照1.0KN/m2）

　　表一跨度與鋼管直徑的比較

　　可見當(dāng)跨度大于6.0米時(shí)，單管的直徑已經(jīng)很大，因此建議單管結(jié)構(gòu)用于6米跨度以下的結(jié)構(gòu)中。

　　(2)單管結(jié)構(gòu)上、下端的支座處理很關(guān)鍵，把上端設(shè)計(jì)成固定鉸支座,下端設(shè)計(jì)成滑動(dòng)鉸支座。因?yàn)槭軌簶?gòu)件存在受壓失穩(wěn)的問題，對(duì)于同一個(gè)斷面，把它設(shè)計(jì)成受壓構(gòu)件要比受拉構(gòu)件強(qiáng)度折減20%以上。

　　3、鋼桁架作為支承結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題：

　�。�1）從上文對(duì)單管的分析可知，當(dāng)計(jì)算跨度大于6米時(shí)，單管的直徑已經(jīng)很大，此時(shí)應(yīng)采用鋼桁架支承。

　　（2）鋼桁架的形式有多種，一般包括如下：三角桁架、魚腹桁架、梯形桁架、矩形桁架。這些桁架中受力合理的是三角桁架，該桁架適用于上端沒有結(jié)構(gòu)的懸挑部位，例如裙房或塔樓的屋頂部位。其次受力較為合理的是魚腹桁架，再次是梯形和矩形桁架。

　　A、三角桁架設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

　�、偃氰旒艿膴A角盡量設(shè)計(jì)在15度左右，因?yàn)榇藭r(shí)的受力和外室效果都比較合適；在夾角位置設(shè)置轉(zhuǎn)接管，盡量避免尖角的存在；

　�、诋�(dāng)三角桁架的高度大于6米時(shí)，應(yīng)在桁架的背部設(shè)置橫向穩(wěn)定支承；

　�、廴氰旒茕摴芡庵睆讲灰舜笥诒诤竦�50倍，支管外直徑不宜小于主管外直徑的0.3倍。鋼管壁厚不宜小于4mm，主管壁厚不應(yīng)小于支管；

　　④三角桁架的表面要進(jìn)行防銹處理，一般材料噴涂較多。

　　B、魚腹桁架設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

　�、亵~腹桁架的弦高一般取為跨度的1/12-1/15

　　②當(dāng)魚腹桁架的高度大于6米時(shí)，應(yīng)在桁架的背部設(shè)置橫向穩(wěn)定支承；穩(wěn)定支承的方法較多，可以是一個(gè)單管，可以是拉桿或拉索等。

　�、廴绻~腹桁架的上端與活動(dòng)屋面相連接，那么上端的支座節(jié)點(diǎn)處理很關(guān)鍵，應(yīng)做成聯(lián)動(dòng)桿形式，確保當(dāng)活動(dòng)屋面有位移時(shí)不要影響到幕墻。

　　④同三角桁架一樣，魚腹桁架的鋼管外直徑不宜大于壁厚的50倍，支管外直徑不宜小于主管外直徑的0.3倍。鋼管壁厚不宜小于4mm，主管壁厚不應(yīng)小于支管；

　�、蓁旒艿谋砻嬉M(jìn)行防銹處理，一般材料噴涂較多。

　　4、單索設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意的問題：

　�、偃绻粔Φ母叨刃∮�15米，可以只設(shè)縱向索，而不設(shè)橫向索（例如北京京劇院）。大于15米不設(shè)橫向穩(wěn)定索的工程目前還沒有見到。

　�、谟涀∫稽c(diǎn)：當(dāng)幕墻設(shè)置橫縱兩個(gè)方向索時(shí)，那么短的那個(gè)索一定為粗索。本人曾做過實(shí)驗(yàn)，當(dāng)長(zhǎng)索為短索2倍以上時(shí)，短索承受70%以上的荷載。

　�、劾鞯膬啥吮仨毰c一個(gè)非移動(dòng)的主體相連，原因是：拉索是通過施加預(yù)緊力后才具有抵抗荷載的能力，如果支座移動(dòng)了，那么預(yù)緊力就隨之改變，受力體系就不復(fù)存在了！。例如，在兩棟大樓之間想做一道有橫向拉索的幕墻，這種幕墻不可能實(shí)現(xiàn)的！

　�、芾鞒跏碱A(yù)緊力的施加標(biāo)準(zhǔn)：初始預(yù)緊力為小破斷力的20%~30%。

　�、堇鞯牟牧习踩禂�(shù)為1.8，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)把材料商提供的小破斷力除以1.8之后才是我們要用的設(shè)計(jì)值。

　　四．工程實(shí)例設(shè)計(jì)

　　本文通過一個(gè)工程實(shí)例來介紹單層索網(wǎng)玻璃幕墻的設(shè)計(jì)方法。本工程位于北京市朝陽區(qū)某地段，甲方想在大堂位置做一通透的幕墻，我把它設(shè)計(jì)成單層索網(wǎng)點(diǎn)式幕墻。下面介紹一下該幕墻的基本信息：幕墻的高度為12米，寬度為30米，玻璃采用中空玻璃，基本風(fēng)壓按照50年一遇考慮（w0=0.45KPA），地面粗超度為C類，8度抗震設(shè)防烈度，地震加速度為0.2g。危險(xiǎn)點(diǎn)標(biāo)高為He=15.0米。

　　下面對(duì)本工程進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)共分以下步驟完成：

　　第1步：確定玻璃的厚度

　　考慮保溫的要求，我們選用中空鋼化LOW-E玻璃，玻璃的規(guī)格為寬X高=1500X3000mm。初步選用10+12A+10mm鋼化中空玻璃，根據(jù)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003給出的計(jì)算公式，計(jì)算玻璃的強(qiáng)度和撓度是否滿足規(guī)范要求。計(jì)算如下：

　　（1）玻璃強(qiáng)度計(jì)算

　　風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為

　　Wk＝βgZ·μs1·μz·Wo

　�。�1.991×1.2×0.74×0.45

　�。�0.796≤1所以取Wk＝1 KN／m2

　　水平分布地震作用標(biāo)準(zhǔn)值為

　　qEk＝βe·αmax·25.6·t·10-3＝5×0.16×25.6×22×10-3＝0.451KN／m2

　　中空玻璃把荷載分配到單片玻璃上分別計(jì)算：

　　Wk1=1.1×Wk×t13/(t13+t23)=0.697KN／m2

　　Wk2=Wk×t23/(t13+t23)=0.367KN／m2

　　qEk1=βe·αmax·25.6·t1·10-3=0.246KN／m2

　　qEk2=βe·αmax·25.6·t2·10-3=0.205KN／m2

　�、亠L(fēng)荷載作用下應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值按下式分別在兩個(gè)單片玻璃上計(jì)算

　　σwk＝6·η·ψ1·Wk·b02/t2

　　式中:σwk風(fēng)荷載作用下的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值；

　　b0長(zhǎng)邊支撐點(diǎn)距離，(mm)；

　　t玻璃的厚度，(mm)；

　　ψ1彎曲系數(shù)，按a0/b0的值查表

　　η折減系數(shù)，查表

　　θ1＝(Wk1＋0.5·qEk1)·b04/(E·t14)

　　＝(0.697＋0.5×0.246)×10-3×24004/(0.72×105×124)

　�。�18.22

　　查表取η1＝0.9271

　　θ2＝(Wk2＋0.5·qEk2)·b04/(E·t24)

　　＝(0.367＋0.5×0.205)×10-3×24004/(0.72×105×104)

　�。�21.63

　　查表取η2＝0.9135

　　則σwk1＝6·η1·ψ1·Wk1·b02/t12

　�。�6×0.9271×0.1352×0.697×10-3×24002/122

　�。�20.97 N/mm2

　　σwk2＝6·η2·ψ1·Wk2·b02/t22

　�。�6×0.9135×0.1352×0.367×10-3×24002/102

　�。�15.66 N/mm2

　�、诘卣鹱饔孟聭�(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值按下式分別在兩個(gè)單片玻璃上計(jì)算

　　σEk＝6·η·ψ1·qEk·b02/t2

　　式中:σEk地震作用下的應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值；

　　η取風(fēng)荷載作用下應(yīng)力計(jì)算時(shí)的值

　　則σEk1＝6·η1·ψ1·qEk1·b02/t12

　�。�6×0.9271×0.1352×0.246×10-3×24002/122

　　＝7.4 N/mm2

　　σEk2＝6·η2·ψ1·qEk2·b02/t22

　�。�6×0.9135×0.1352×0.205×10-3×24002/102

　　＝8.75 N/mm2

　�、鄄ＡУ膽�(yīng)力組合設(shè)計(jì)值按下式分別在兩個(gè)單片玻璃上計(jì)算

　　σ＝ψw·γw·σwk＋ψe·γe·σEk

　　則σ1＝ψw·γw·σwk1＋ψe·γe·σEk1

　�。�1.0×1.4×20.97＋0.5×1.3×7.4

　　＝34.17N/mm2≤fa＝84N/mm2

　　σ2＝ψw·γw·σwk2＋ψe·γe·σEk2

　�。�1.0×1.4×15.66＋0.5×1.3×8.75

　�。�27.61N/mm2≤fa＝84N/mm2，所以玻璃強(qiáng)度滿足要求。

　�。�2）玻璃撓度計(jì)算

　　風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為：Wk＝1 KN/m2

　　玻璃跨中大的撓度為μ＝η·ψ2·Wk·b04／Ｄ

　　玻璃板的彎曲剛度

　�。模剑舤3／(12(1-ν2))＝0.72×105×13.33／(12(1－0.22))

　�。�14703981.3Ｎ·mm

　　式中：ν－泊松比，取ν＝0.2

　�。牛Ａ椥阅Ａ�，取0.72×105Ｎ／mm2

　　t－玻璃等效厚度(mm)

　　t=0.95×(t13+t23)1/3

　　θ＝Wk·b04/Et4＝1×10-3×24004／(0.72×105×13.34)＝14.7

　　查表取η=0.9412

　　則玻璃的撓度

　　μ＝η·ψ2·Wk·b04／Ｄ

　　＝0.9412×0.0153×1×10-3×24004／14703981.3＝32.5 mm

　　式中：μ－玻璃跨中大撓度mm

　　ψ2－跨中大撓度系數(shù)，由a0/b0查表

　　qk－玻璃所受荷載組合值(Ｎ／mm2)

　　a0短邊支撐點(diǎn)距離，(mm)；

　　b0長(zhǎng)邊支撐點(diǎn)距離，(mm)；

　　μ/b0＝1/74≤1/60，所以玻璃撓度滿足要求

　　第二步：確定拉索的直徑

　　這一步很關(guān)鍵，如果沒有豐富的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)很容易走向兩個(gè)較端，其一是：施加預(yù)緊力太小，選擇非常粗的斷面，計(jì)算還不能通過；其二是：施加預(yù)緊力太大，已經(jīng)臨近破壞荷載了，這樣一來很小的斷面就能夠滿足受力的要求。這兩種方法都是及其錯(cuò)誤的。拉索是一種柔性材料，如果不給它施加預(yù)緊力，它就沒有剛度，不具有抵抗荷載的能力，如果施加預(yù)緊力過大，當(dāng)有外荷載作用時(shí)，就會(huì)造成拉索的破段，非常危險(xiǎn)，所以計(jì)算時(shí)這個(gè)預(yù)緊力施加多少是個(gè)關(guān)鍵。通常來講，索的初始預(yù)緊力施加到破壞荷載的20~30%是合適的。還要重申一點(diǎn)，這一點(diǎn)我在前文中已經(jīng)提到了，當(dāng)單層索網(wǎng)幕墻兩個(gè)方向的尺寸相差非常大時(shí)，短方向的那根一定是斷面非常大的索。

　　初步選橫索直徑為φ16mm,豎索直徑為φ24mm，材質(zhì)均為S316。豎索的長(zhǎng)度L=12000mm，橫索的長(zhǎng)度H=30000mm。拉索的基本參數(shù)如下表所示：

　　表二拉索參數(shù)設(shè)定

　　1）驗(yàn)算豎索在溫度應(yīng)力作用下是否松弛：

　　玻璃面材的重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值為

　　DL=0.022×2560×10=564N/m2

　　每根豎索所承擔(dān)的重力荷載面積為S=1.5×12=18m2

　　每根豎索所承擔(dān)的重力荷載設(shè)計(jì)值

　　G=DL×S=564×1.2×18=12182N；

　　在重力荷載設(shè)計(jì)值作用下豎索的變形為

　　d1=G×L/(A×E)=12182×12000/（340.69×135000）=3.2mm

　　北京地區(qū)大溫差為T=80oC,在溫差變化下拉索的伸長(zhǎng)了

　　D2=T×α×L=80X1.5×10^-5×12000=6.4mm

　　拉索的初始變形為

　　D0=f×L/(A×E)=116040×12000/（340.69×135000）=30.3mm

　　由于d0>d1+d2,因此豎索不會(huì)松弛，初始預(yù)緊力滿足要求。

　　2）驗(yàn)算拉索的撓度是否按照規(guī)范要求：

　　通過有限元軟件ANSYS的分析，拉索在風(fēng)荷載（標(biāo)準(zhǔn)值為WK=1.0KPA）和重力荷載作用下的大撓度為187mm<L/60=12000/60=200mm,因此拉索的撓度滿足規(guī)范要求，變形圖如下圖十六所示。

　　圖十六拉索撓度變形示意圖

　　3）驗(yàn)算拉索的強(qiáng)度是否滿足要求：

　　通過有限元軟件ANSYS的分析，拉索在風(fēng)荷載、重力荷載及地震荷載作用下拉索的大拉力為Fj=182.24KN<Fs=214.89KN,因此拉索的強(qiáng)度滿足要求，拉力圖如下圖十七所示。

　　圖十七拉索拉力示意圖

　　第三步：不銹鋼梅花夾的選擇

　　面材和拉索的直徑都確定之后，就可以選擇成品的梅花夾了，我們選用堅(jiān)朗公司J170A32產(chǎn)品，該產(chǎn)品所能夾持的玻璃大厚度為36mm，而本工程玻璃的厚度為34mm，因此夾持厚度能夠滿足要求。該產(chǎn)品所能容納的大拉索直徑為32mm，而本工程選用的拉索直徑大為24mm，因此拉索的直徑能夠滿足要求。

　　第四步：關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

　　根據(jù)前面的三個(gè)步驟，可以設(shè)計(jì)幕墻的典型橫豎剖節(jié)點(diǎn)如下圖十八和圖十九所示。

　　圖十八幕墻橫剖節(jié)點(diǎn)圖

　　圖十九幕墻豎剖節(jié)點(diǎn)圖

　　通過上面四個(gè)步驟，單層索網(wǎng)幕墻的基本結(jié)構(gòu)就設(shè)計(jì)完成了，當(dāng)然，還有拉索與主體的連接及玻璃周邊與其它幕墻的交接等內(nèi)容由于文章篇幅的限值并沒有一一介紹，但是，這不是問題，因?yàn)槲覀儼涯粔Φ墓?jié)本設(shè)計(jì)方法已經(jīng)掌握了，無論再遇到什么樣的結(jié)構(gòu)，什么樣的交接都會(huì)迎刃而解的。

　　五．結(jié)束語

　　本文以上內(nèi)容介紹了點(diǎn)支式玻璃幕墻在設(shè)計(jì)中應(yīng)注意的問題及通過一個(gè)幕墻設(shè)計(jì)實(shí)例來介紹點(diǎn)式幕墻。這些經(jīng)驗(yàn)都是本人通過多年的實(shí)踐總結(jié)出來的，希望能為幕墻設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)點(diǎn)支式玻璃幕墻提供一些設(shè)計(jì)思路和借鑒作用。