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正文
2018-11-14 14:47:55 | 分类:默认分类 | 标签:

1 概述
  自玻璃诞生之日起,这种无色透明的物质便与建筑结下了不解之缘。随着“苹果店”的火热,通透、纯净的全玻结构系统使玻璃的材料特性发挥到了极致。当我们乐见于越来越大的玻璃幅面、越来越高的幕墙跨度时,全玻结构所具有的设计、施工问题也日渐凸显。因此,只有充分认识玻璃的特性,了解全玻结构设计、施工的要点,才能在建筑师不断挑战技术极限的考验中,从容应对。

  2 玻璃特性分析
  玻璃的原子排列为非结晶的整齐物质,规则性低,这是玻璃高透质脆的原因。不同于钢材经由弹性塑性的破坏形式,玻璃的应力、应变几乎呈线性关系,没有明显的塑性发展能力,破坏强度值高度离散玻璃板抗拉强度与玻璃表面的裂纹深度、形状及分布高度关联(见图1)。当作用有外荷载时,裂纹尖端会产生极高的应力峰值,与其他材料相比,这样的应力峰值不会因塑性变形而减少。同时,承受长期荷载和发生不良化学反应都会引发此裂纹的扩展,造成玻璃承载力下降,图2显示了玻璃强度和荷载作用时间的关系。由于钢化玻璃表面存在约占其总厚度1/6的受压区,使其机械性能得到明显提升,但一旦玻璃表面裂纹扩展到受拉区,玻璃固有的应变能将迅速释放,钢化玻璃将立即碎裂。

大跨度玻璃肋幕墙技术

  3 玻璃肋幕墙的构造设计  作为全玻结构,玻璃肋驳接系统运用最为广泛,在广泛运用的同时也暴露了一些技术问题。为传力所需,往往一块玻璃肋板需要开十多个孔,受力的复杂性及钻孔带来的损伤,使得玻璃肋板极易发生爆裂现象,引发安全风险。鉴于此,肋驳接幕墙的构造设计必须充分适应其材料特质及结构特点。  3.1驳接件的设计  从前述的玻璃特性不难看出,在实际工程应用中,应避免玻璃承受长期荷载,且当玻璃作为结构构件使用时,需采取一定的构造措施以应对玻璃突然破裂而造成的安全风险。按照常规的肋驳接系统,面板的自重需通过驳接件传递至肋板,由于面板重心与肋板连接件间存在一定间距,面板自重会对肋板产生附加弯矩,影响玻璃肋的承载力。借鉴张拉索杆体系幕墙的构造特点,肋驳接幕墙系统可通过在肋板前端设置不锈钢索的方式,化解重力、附加弯矩等长期荷载对玻璃肋的不利影响。如图3所示,不锈钢索隐藏于面板拼缝处,与面板中心基本重合,通过设于幕墙横缝的锁紧螺钉将肋驳接件锁定于不锈钢索上,用以固定幕墙面板。隐索的设置不仅可提高玻璃肋的承载力,更可在玻璃肋爆裂时,承托玻璃面板,避免幕墙整体垮塌,增加幕墙整体的安全度。设置重力索后,玻璃肋仅需承担面板传递的水平荷载及自重,传力更为直接,但为防止因隐索与玻璃肋变位不协调而带来的附加力,面板驳接件与玻璃肋的连接宜为单孔铰接方式,通过铰孔转动,释放附加弯矩的不利影响。

大跨度玻璃肋幕墙技术

  3.2拼接节点的设计  为适应大跨度建筑造型,玻璃肋需要通过拼接才能成为整体,其所受的弯矩与肋的跨度平方成正比,跨度越大,拼接处的弯矩及剪力也越大。为减少拼接处内力,拼接位置应尽量靠近支座处。由于玻璃无塑性发展能力,拼接节点无法采用钢结构的等强连接方式,设置再多的连接螺栓也不能提高拼接接头的连接强度。为此,业内常采用胶粘方式,即通过涂刷在玻璃与不锈钢板间的胶水来传递弯矩及剪力,形成等强连接。这种方法有效避免了栓接方式孔边应力集中所带来的连接节点承载力低下问题,但在具体的构造上还存在一些值得深入分析的要点。  3.2. 1粘接剂的选择  由于连接节点需要通过粘结剂传递内力,因此粘结剂必须具有足够的粘结强度。环氧类结构胶抗剪及抗拉强度大,胶接接头能长期承受振动、疲劳及冲击荷载,且具有较高的耐热性耐候性。通常钢-钢室温抗剪强度>25MPa,抗拉强度≥33MPa。曾利用图4所示的液压式万能试验机进行某类环氧结构胶不锈钢—玻璃的抗剪试验,抗剪强度可达17Mpa。同时,试验结果显示环氧胶层厚度的均匀度对粘结强度影响甚微,胶水流动性适中,便于施胶。此点可有效解决实际工程中因钢化玻璃、不锈钢板表面不平整而造成的胶层厚薄不均,影响粘接强度问题。

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  不锈钢与玻璃的线胀系数不同,除考虑传递内力外,粘接面还应考虑两种材质之间的相对温差位移。图5模拟了不锈钢与玻璃在40°C温差作用下粘接面的温差应力,计算结果显示,粘接边缘应力已达80.8861Mpa,远大于钢化玻璃边缘强度。因此,粘结剂的选择除了满足抗剪强度外,还必须具有一定的变位能力,以化解或降低玻璃表面温差应力。通常,粘结剂的变位能力与粘接强度成反比,粘接强度越高,变位能力越弱,两者需综合考虑。

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  3.2. 2拼接方式设计  图7显示了常规的胶粘方式,粘接部位采用整块不锈钢板连接上下玻璃肋板。当遇大跨度玻璃肋施工时,按此方法拼装成型的玻璃肋整体吊装需配备大量的人力及机具。若为简化吊装,采用高空对接方式,则现场的施工环境又不利于粘接质量。此外,粘接用环氧类胶十分稳定,一旦粘接成型,只有通过高温或者机械切除的方式进行分离。因此,采用此种胶粘方式连接的玻璃肋,即使只是其中一段发生破损也必须全部更换,维修成本高昂。

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  从图5的模拟结果可知,不同材料间存在温差应力,此应力与材料的线膨胀系数差值及温变幅度有关。从《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113-2009中6.1.3条可知,玻璃线膨胀系数为1.0x10-5/°C,不锈钢板的线膨胀系数为1.8x10-5/°C,钢板的线膨胀系数为1.2 x10-5/°C。因此,采用钢板与玻璃肋粘接可有效降低两者间的温差应力。图6模拟了钢板与玻璃在40°C温差作用下粘接面的温差应力,计算结果显示,粘接边缘应力为20.1968Mpa,较之不锈钢板有显著下降。  图8显示了一种分离式胶粘方式,先将小块钢板分别与每段玻璃肋粘接,然后再通过特制销栓及整体不锈钢板将上下两段玻璃肋连成整体。这种拼接方式的优势在于,玻璃与钢板之间的粘接可在工厂内可控的温度环境中完成,充分保证了粘接质量。同时,选择钢板与玻璃粘接可减少两者间的温差应力,降低对粘接用胶变位能力的要求。由于玻璃肋板为分离式设计,可大大简化运输、安装工作,大幅降低维修成本。内侧钢板与外侧不锈钢板采用栓接方式,通过销栓孔壁传力,连接更为可靠。内外侧钢板孔采用预先配钻的方式进行加工,可有效保证现场拼装精度。由于玻璃肋与钢板之间采用粘接方式,内外钢板间又依靠销栓传力,玻璃肋孔侧不直接承受外载,可在保证玻璃截面强度的前提下,加大开孔直径,并在孔内填充弹性胶,以消除孔边应力集中的风险。

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  3.2. 3 肋支座设计  玻璃肋幕墙,无论采用何种固定方式,都需支承于主体结构上,因此幕墙系统应具有良好的追从性,以适应主体结构的变位。《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003中7.1.3条明确:吊挂全玻幕墙的主体结构或结构构件应有足够的刚度,采用钢桁架或钢梁作为受力构件时,其挠度限值df,lim宜取其跨度的1/250。通常,为追求全玻幕墙的通透性,其主体结构跨度都较大,若以跨度8m为例,钢梁的容许挠度为32mm,再加上加工、安装误差及温度变形,玻璃肋板支座至少需满足50mm以上的变位能力要求。因此,玻璃肋幕墙支承于钢结构系统时,应认真核实其位移能力。采用图9所示的成品肋支座可较好地适应主体结构的竖向变位,玻璃肋上端通过肋板支座悬挂于主体结构,下端通过肋板支座与固定耳板间的长孔,实现滑动连接,满足位移要求。

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  4 工艺要点  玻璃裁切、开孔后会在玻璃边缘形成损伤,而玻璃的边缘强度通常在设计中起控制作用,因此面板及其孔洞边缘均应倒棱和磨边,倒棱宽度不宜小于1mm,磨边宜细磨,不得出现崩边。玻璃肋由于采用夹层玻璃,需在单层玻璃上钻大小不同的孔,以保证多孔对位。根据规范要求玻璃的钻孔位置偏差应小于±0.8mm,孔距偏差应小于±1.0mm。为保证肋夹板处玻璃孔能有效传力,玻璃孔直径应大于肋板直径3mm以上,其间设置弹性衬套,玻璃孔周边填充弹性胶。弹性胶可在玻璃孔周边形成保护层,减缓玻璃表面裂纹扩展,配合弹性衬套可消减孔位误差,减少应力集中。为保证连接安全,在验核螺孔传力时,应按单片计入,且应扣除孔两侧倒棱宽度。  从前述分析可知,温度作用对玻璃肋幕墙系统存在诸多影响。肋板的粘接温度宜取使用环境温度的中值,并应在可控的环境中打胶粘接。钢板与玻璃粘接前应去除表面污物,钢板可采用庚烷,玻璃可采用异丙醇进行清洁。为提高粘接强度,钢板表面应适度打磨,以此增加接触面积并锐化表面沟纹,提高胶接强度。在进行全玻幕墙的安装前应复核主体钢结构的变位,根据施工环境温度与极值温度的变形差,控制好预留间隙,并应尽量避免在极端气候环境下施工。  5 结语  全玻结构幕墙以其通透的质感为建筑师所推崇,但玻璃为脆性材料,对外界因素的影响极为敏感,尤其是大跨度拼接的玻璃肋幕墙系统,在系统的构造设计、材料选择、施工工艺方面存在诸多技术要点。正如一个硬币的两面,任何事物的内部都包含肯定的和否定的两个方面,它们既对立又统一。当我们享受玻璃结构的光影魅力时,也必须正面玻璃自身的弱点,只有针对材料特性,因材设计才能使全玻幕墙结构系统日臻完善。


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