大跨度玻璃肋幕墻技術(shù)要點(diǎn)探析

　　1　概述
　　自玻璃誕生之日起，這種無色透明的物質(zhì)便與建筑結(jié)下了不解之緣。隨著“蘋果店”的火熱，通透、純凈的全玻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)使玻璃的材料特性發(fā)揮到了極致。當(dāng)我們樂見于越來越大的玻璃幅面、越來越高的幕墻跨度時(shí)，全玻結(jié)構(gòu)所具有的設(shè)計(jì)、施工問題也日漸凸顯。因此，只有充分認(rèn)識玻璃的特性，了解全玻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、施工的要點(diǎn)，才能在建筑師不斷挑戰(zhàn)技術(shù)極限的考驗(yàn)中，從容應(yīng)對。

　　2　玻璃特性分析
　　玻璃的原子排列為非結(jié)晶的整齊物質(zhì)，規(guī)則性低，這是玻璃高透質(zhì)脆的原因。不同于鋼材經(jīng)由彈性到塑性的破壞形式，玻璃的應(yīng)力、應(yīng)變幾乎呈線性關(guān)系，沒有明顯的塑性發(fā)展能力，破壞強(qiáng)度值高度離散。玻璃板的抗拉強(qiáng)度與玻璃表面的裂紋深度、形狀及分布高度關(guān)聯(lián)（見圖1）。當(dāng)作用有外荷載時(shí)，裂紋尖端會(huì)產(chǎn)生極高的應(yīng)力峰值，與其他材料相比，這樣的應(yīng)力峰值不會(huì)因塑性變形而減少。同時(shí)，承受長期荷載和發(fā)生不良化學(xué)反應(yīng)都會(huì)引發(fā)此裂紋的擴(kuò)展，造成玻璃承載力下降，圖2顯示了玻璃強(qiáng)度和荷載作用時(shí)間的關(guān)系。由于鋼化玻璃表面存在約占其總厚度1/6的受壓區(qū)，使其機(jī)械性能得到明顯提升，但一旦玻璃表面裂紋擴(kuò)展到受拉區(qū)，玻璃固有的應(yīng)變能將迅速釋放，鋼化玻璃將立即碎裂。

　　3　玻璃肋幕墻的構(gòu)造設(shè)計(jì)
　　作為全玻結(jié)構(gòu)，玻璃肋駁接系統(tǒng)運(yùn)用最為廣泛，在廣泛運(yùn)用的同時(shí)也暴露了一些技術(shù)問題。為傳力所需，往往一塊玻璃肋板需要開十多個(gè)孔，受力的復(fù)雜性及鉆孔帶來的損傷，使得玻璃肋板極易發(fā)生爆裂現(xiàn)象，引發(fā)安全風(fēng)險(xiǎn)。鑒于此，肋駁接幕墻的構(gòu)造設(shè)計(jì)必須充分適應(yīng)其材料特質(zhì)及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

　　3．1駁接件的設(shè)計(jì)
　　從前述的玻璃特性不難看出，在實(shí)際工程應(yīng)用中，應(yīng)避免玻璃承受長期荷載，且當(dāng)玻璃作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用時(shí)，需采取一定的構(gòu)造措施以應(yīng)對玻璃突然破裂而造成的安全風(fēng)險(xiǎn)。按照常規(guī)的肋駁接系統(tǒng)，面板的自重需通過駁接件傳遞至肋板，由于面板重心與肋板連接件間存在一定間距，面板自重會(huì)對肋板產(chǎn)生附加彎矩，影響玻璃肋的承載力。借鑒張拉索桿體系幕墻的構(gòu)造特點(diǎn)，肋駁接幕墻系統(tǒng)可通過在肋板前端設(shè)置不銹鋼索的方式，化解重力、附加彎矩等長期荷載對玻璃肋的不利影響。如圖3所示，不銹鋼索隱藏于面板拼縫處，與面板中心基本重合，通過設(shè)于幕墻橫縫的鎖緊螺釘將肋駁接件鎖定于不銹鋼索上，用以固定幕墻面板。隱索的設(shè)置不僅可提高玻璃肋的承載力，更可在玻璃肋爆裂時(shí)，承托玻璃面板，避免幕墻整體垮塌，增加幕墻整體的安全度。設(shè)置重力索后，玻璃肋僅需承擔(dān)面板傳遞的水平荷載及自重，傳力更為直接，但為防止因隱索與玻璃肋變位不協(xié)調(diào)而帶來的附加力，面板駁接件與玻璃肋的連接宜為單孔鉸接方式，通過鉸孔轉(zhuǎn)動(dòng)，釋放附加彎矩的不利影響。

　　3．2拼接節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)
　　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。為減少拼接處內(nèi)力，拼接位置應(yīng)盡量靠近支座處。由于玻璃無塑性發(fā)展能力，拼接節(jié)點(diǎn)無法采用鋼結(jié)構(gòu)的等強(qiáng)連接方式，設(shè)置再多的連接螺栓也不能提高拼接接頭的連接強(qiáng)度。為此，業(yè)內(nèi)常采用膠粘方式，即通過涂刷在玻璃與不銹鋼板間的膠水來傳遞彎矩及剪力，形成等強(qiáng)連接。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(diǎn)承載力低下問題，但在具體的構(gòu)造上還存在一些值得深入分析的要點(diǎn)。

　　3．2. 1粘接劑的選擇
　　由于連接節(jié)點(diǎn)需要通過粘結(jié)劑傳遞內(nèi)力，因此粘結(jié)劑必須具有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度。環(huán)氧類結(jié)構(gòu)膠抗剪及抗拉強(qiáng)度大，膠接接頭能長期承受振動(dòng)、疲勞及沖擊荷載，且具有較高的耐熱性和耐候性。通常鋼-鋼室溫抗剪強(qiáng)度>25MPa，抗拉強(qiáng)度≥33MPa。曾利用圖4所示的液壓式萬能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行某類環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠不銹鋼—玻璃的抗剪試驗(yàn)，抗剪強(qiáng)度可達(dá)17Mpa。同時(shí)，試驗(yàn)結(jié)果顯示環(huán)氧膠層厚度的均勻度對粘結(jié)強(qiáng)度影響甚微，膠水流動(dòng)性適中，便于施膠。此點(diǎn)可有效解決實(shí)際工程中因鋼化玻璃、不銹鋼板表面不平整而造成的膠層厚薄不均，影響粘接強(qiáng)度問題。

　　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)之間的相對溫差位移。圖5模擬了不銹鋼與玻璃在40°C溫差作用下粘接面的溫差應(yīng)力，計(jì)算結(jié)果顯示，粘接邊緣應(yīng)力已達(dá)80.8861Mpa，遠(yuǎn)大于鋼化玻璃邊緣強(qiáng)度。因此，粘結(jié)劑的選擇除了滿足抗剪強(qiáng)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差應(yīng)力。通常，粘結(jié)劑的變位能力與粘接強(qiáng)度成反比，粘接強(qiáng)度越高，變位能力越弱，兩者需綜合考慮。

　　3．2. 2拼接方式設(shè)計(jì)
　　圖7顯示了常規(guī)的膠粘方式，粘接部位采用整塊不銹鋼板連接上下玻璃肋板。當(dāng)遇大跨度玻璃肋施工時(shí)，按此方法拼裝成型的玻璃肋整體吊裝需配備大量的人力及機(jī)具。若為簡化吊裝，采用高空對接方式，則現(xiàn)場的施工環(huán)境又不利于粘接質(zhì)量。此外，粘接用環(huán)氧類膠十分穩(wěn)定，一旦粘接成型，只有通過高溫或者機(jī)械切除的方式進(jìn)行分離。因此，采用此種膠粘方式連接的玻璃肋，即使只是其中一段發(fā)生破損也必須全部更換，維修成本高昂。

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