本文摘自：《建筑幕墻創(chuàng)新與發(fā)展》未經(jīng)許可不得轉載
隨著美國蘋果公司對玻璃結構創(chuàng)造性應用，玻璃結構進入全球民眾視野。從20世紀晚期開始，玻璃結構已在國外發(fā)展了30多年，從試探階段進入到廣泛應用的階段[1,2]，同時國外對玻璃結構的研究也積累了非常豐富的成果[3]。而國內(nèi)，對玻璃承重結構的研究比較有限[4-11]。蘋果公司上海旗艦店有力證明了國內(nèi)的玻璃制造和裝配業(yè)具備制造玻璃結構的能力。但對玻璃結構的設計研發(fā)，我國還處于試驗和探索階段。
圖1 2014年幕墻年展的玻璃梁(作者拍攝)
為了探討玻璃結構的承載力（詞條“承載力”由行業(yè)大百科提供）驗算方法，筆者嘗試運用幕墻和鋼結構的設計方法對玻璃盒子進行結構設計。
圖2 玻璃盒子平立面圖(自繪圖片)
玻璃盒子為邊長5m的立方體，為簡化方案，忽略門窗的設計。每個玻璃面分三格，玻璃面板尺寸為1.67 m寬×5 m高(長)。綜合考慮設計強度、剩余強度和耐溫性，本項目玻璃均選用半鋼化SGP夾膠玻璃（詞條“夾膠玻璃”由行業(yè)大百科提供），玻璃尺寸由結構計算決定，考慮SGP對結構玻璃（詞條“結構玻璃”由行業(yè)大百科提供）的作用 [。
玻璃屋面板通過橡膠墊片和硅酮結構膠與相關構件連，將橡膠墊片視為豎向支座，硅酮結構膠視為彈簧支座(其彈簧剛度（詞條“剛度”由行業(yè)大百科提供）由結構膠的變型量決定);玻璃墻面板（詞條“面板”由行業(yè)大百科提供）通過酮結構膠與玻璃柱連接，通過螺栓與底部支座連接。
玻璃柱的底部為固接，頂部與玻璃梁鉸接。主梁的兩端與玻璃柱鉸接形成主排架。次梁與玻璃柱鉸接形成次排架。次梁與主梁交接處，次梁使用鋼件穿過主梁進行等強連接。
圖3 玻璃盒子結構體系(自繪圖片)
圖注：1為中柱，2為主梁，3為次梁，4為角柱，5為邊梁;A為剛接柱腳，B為梁柱間鉸接，C為次梁接長剛接，D為角柱與邊梁的連接;
假設玻璃盒子處于廣州城區(qū)，按50年使用年限進行考慮，其基本風壓為0.5kPa，粗糙度類別為C類。抗震（詞條“抗震”由行業(yè)大百科提供）設防類別為“丙類”，抗震設防烈度為7度。
玻璃盒子所在地基為尺寸足夠大的C40混凝土，其抗壓強度（詞條“抗壓強度”由行業(yè)大百科提供）：
，抗拉強度：
。
玻璃盒子按建筑結構荷載規(guī)范GB5009-2012進行荷載取值和組合，玻璃的承載力設計值按建筑玻璃應用技術規(guī)程JGJ113-2009取值。根據(jù)玻璃幕墻工程技術規(guī)范JGJ102-2003和鋼結構設計規(guī)范GB50017-2014對玻璃盒子進行強度和撓度驗算。
1玻璃盒子各構件的承載分析
1.1玻璃屋面板的承載分析
在風荷載作用下，中間位置處的屋面板平面外承受豎向風荷載，同時平面內(nèi)承受墻面板傳遞的水平風荷載。邊緣處的屋面板，三邊與墻面板連接，均承受墻面板傳遞的風荷載。
圖4 屋面板的荷載情況(自繪圖片)
圖中：g為面板自重，q為面板活荷載，W1為豎向風荷載，W2為水平風荷載，Q為集中活荷載
由于硅酮結構膠長度遠大于寬度，寬度方向對玻璃的支承力可以忽略，所以屋面板的水平支座只沿結構膠的長度方向設置。
圖5 屋面板的支座布置(自繪圖片)
圖中：箭頭方向為水平支座設置方向
1.2玻璃墻面板的承載分析
玻璃墻面承受的荷載有五種情況，見圖6。
圖6 墻面板的荷載情況(自繪圖片)
圖中：a)為自重和活荷載組合，b)為中間墻面板自重和風荷載的組合，c)為轉角墻面板自重和風荷載的組合，d)為中間墻面板自重、風荷載和地震作用的組合，e)為轉角墻面板自重、風荷載和地震作用的組合。
Gw為墻面板自重，gr為支承屋面板的重量，q為支承屋面板承受的面活荷載，Q為支承屋面板承受的集中活荷載，w1為支承屋面板的豎直風荷載，w2為墻面板直接承受的水平風荷載，w3為支承轉角墻面板的水平風荷載，qEK為墻面板直接承受的地震荷載，qEK1為支承轉角墻面板的地震荷載
玻璃墻面板的支座布置見圖7，具體的設置見表1。
圖7 墻面板的支座布置(自繪圖片)
1.3玻璃排架的承載分析
圖8 玻璃主排架的荷載情況
圖中：a)為自重和活荷載組合，b) 為自重和風荷載組合(順風向)c) 為自重和風荷載組合(側風向)d)為自重、風荷載(順風向)和地震作用組合e)為自重、風荷載(側風向)和地震作用組合
玻璃主排架承受荷載的情況有五種，見圖8，其受荷寬度為1666.7mm。由于不了解結構膠與玻璃共同作用的機理，以及玻璃面板有效寬度的選取辦法，所以本文不考慮玻璃面板對玻璃排架(梁柱)的抗彎作用，只考慮玻璃面板對玻璃柱梁的側向支撐作用時，玻璃梁不會發(fā)生彎扭失穩(wěn)，玻璃排架不發(fā)生側向失穩(wěn)。
在主排架失效時，次排架會代替主排架，成為主承重骨架，因此次排架的荷載情況與主排架相同。次排架的計算簡圖如圖9，假設次梁為三段玻璃構件剛接而成的接長梁。
圖9 次排架計算簡圖
2玻璃盒子的承載力驗算
本文選擇SAP2000對各構件進行有限元分析，得到各構件的最大應力最和撓度值。
2.1玻璃面板的承載力驗算
通過SAP2000運算，屋面板選用8+1.52(SGP)+8mm厚半鋼化夾膠玻璃(有效厚度為16.05mm)，墻面板10+1.52(SGP)+10mm厚半鋼化夾膠玻璃(有效厚度為21.07mm)，驗算結果見表2，圖10-圖13。
圖10 屋面板的應力分布圖
圖11 屋面板的撓度分布圖
a) 自重和活荷載組合b) 自重和風荷載組合c) 自重、風荷載和地震組合
圖12 墻面板的應力分布圖
圖13 墻面板的撓度分布圖
2.2玻璃排架的承載力驗算
經(jīng)驗算，玻璃梁柱均選用高度為300mm的10mm+1.52mm(SGP)+ 10mm厚夾層半鋼化玻璃，最大應力值見表3，彎矩圖見圖14，圖15。最大撓度值見表4，變形（詞條“變形”由行業(yè)大百科提供）圖見圖16，圖17。
圖14 不同荷載組合的主排架的彎矩圖
圖15 不同荷載組合的次排架的彎矩圖
表中：a)為自重和活荷載組合，b) 為自重和風荷載組合(順風向)c) 為自重和風荷載組合(側風向)d) 為自重、風荷載(順風向)和地震作用組合e) 為自重、風荷載(側風向)和地震作用組合。軸力欄中正值為拉力值，負值為壓力值
圖16 不同荷載組合的主排架的變形圖
圖17 不同荷載組合的次排架的變形圖
表中：a)為自重和活荷載組合，b) 為自重和風荷載組合(順風向)c) 為自重和風荷載組合(側風向)
3玻璃盒子剩余強度分析
玻璃結構中，玻璃構件的破壞存在不可預見性、突發(fā)性和不可避免性。所以必需考慮玻璃構件破壞后，結構的安全性。除非極端情況，玻璃盒子一般只會產(chǎn)生局部構件破壞，所以本文只考慮某一構件破壞對玻璃結構的影響。
由于玻璃選用SGP的夾膠玻璃，根據(jù)制造商提供的實驗證明[13]，即使玻璃面板破碎，也會保留在原位，玻璃骨架承受荷載沒有改變。只是破碎構件不再承受荷載，荷載將傳到其相鄰的玻璃構件上。
當中間面板破壞時，對玻璃結構影響不大。當邊角面板破壞時，會影響相鄰玻璃面板，要求進行相關面板的強度復核。當中柱破壞時，與之連接的梁退出工作，與之組成排架的另一中柱成懸挑構件，需要進行強度復核。當主次梁破壞退出工作時，屋面板的支承情況有改變，但不會引起面板破壞，與之相連的中柱成懸挑構件，需要進行強度復核。因此，玻璃盒子的剩余強度驗算包括：缺少支撐的玻璃墻面板的強度復核，和懸挑中柱的強度復核。由于構件破壞后，有臨時支護才可上屋面檢修，所以剩余強度驗算不考慮1kN的屋面檢修集中荷載。
3.1玻璃墻面板的剩余強度驗算
結構膠軸向與面板平行的轉角墻面板為不利墻面板，對其進行剩余強度驗算，自重和風荷載組合視為墻面板剩余強度驗算時的最不利荷載組合，最大應力值見表5。
圖18 不同支承下墻面板的應力分布圖
3.2玻璃屋面板的剩余強度驗算
屋面板的支承構件破壞情況有五種。圖19a為短邊處墻面板失效，屋面板支承減少，與屋面板和失效墻面板連接的墻面板傳來的荷載增加。圖19b為次梁失效有兩種情況，次梁直接失效，中柱失效導致次梁失效。后一種情況會使屋面板承受墻面?zhèn)鱽淼?a target='_blank' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;'>水平荷載增大，作為驗算的對象。圖19c為長邊處邊緣墻面板失效，此時，其分析與圖19a情況相似。圖19d為長邊處中間墻面板失效。圖19e為主梁失效。經(jīng)驗算，屋面板的最大應力值，見表6。
圖19 屋面板剩余強度時的支座情況
注：a)為短邊處墻面板失效，b)為次梁失效，c)和d)為長邊處墻面板失效，e)為主梁失效
圖20不同支承下屋面板的應力分布圖
3.3玻璃排架的剩余強度驗算
圖21 玻璃柱破壞可能情況(自繪圖片)
玻璃柱破壞有三種可能情況，如圖21。情況一，支承主梁的中柱破壞，相應玻璃面板變?yōu)槿呏С校撝髋偶苌系牧硪恢兄暈閼姨魳嫾Ａе髁撼惺艿暮奢d傳遞到玻璃次梁上，次排架變?yōu)橹髋偶艹袚奢d。情況二，支承次梁的中柱破壞，相應玻璃面板變?yōu)槿呏С校摯闻偶苌系牧硪恢兄暈閼姨魳嫾鄳拇瘟和顺龉ぷ鳌Ｇ闆r三，角柱破壞，即面板破壞。
圖22 玻璃梁破壞可能情況(自繪圖片)
玻璃梁破壞有三種可能情況，如圖22。情況一，主梁破壞，相應玻璃面板荷載由次梁承受，相連的中柱成懸挑構件。情況二和情況三，均為次梁破壞，玻璃面板受荷支承減少，但不會引起面板破壞，相連的中柱成懸挑構件。因此，排架結構的剩余強度驗算就是玻璃中柱的懸挑驗算。
圖23 懸挑柱的荷載情況
基于上述分析，懸挑柱的不利荷載情況出現(xiàn)在主排架另一中柱失效，有兩種荷載情況，一是自重和風荷載組合(迎風)，二是自重、風荷(迎風)和地震的組合。經(jīng)驗算，最大應力值見表7。
圖24 不同荷載組合的次排架的彎矩圖
表中：a)為自重和風荷載組合(順風向)，b)為自重、風荷載(順風向)和地震作用組合，軸力欄中正值為拉力值，負值為壓力值。
4玻璃盒子連接節(jié)點設計
面板的連接和玻璃柱腳的連接設計與幕墻相同，此處不再詳述，只對梁柱連接，次梁接長連接進行介紹。為保護玻璃梁柱，在玻璃柱梁的兩面各增加一片玻璃，作為柱梁的保護層(犧牲層)，因此實際玻璃梁柱為4×10mm厚SGP夾層半鋼化玻璃。
玻璃主排架的梁柱連接構造圖見圖25。玻璃梁和玻璃柱做成榫眼（詞條“榫眼”由行業(yè)大百科提供）和凸榫形式，鍥在一起，通過1顆等級為A4-70的M12不銹鋼豬鼻螺栓固定，玻璃的開孔直徑為25mm，詳見圖26。
圖25 玻璃梁柱連接構造圖
圖26 梁柱連接處的螺栓節(jié)點圖
次梁接長構造圖，見圖27。次梁遇到主梁時需要斷開，通過鋼連接件穿過主梁(主梁上開∅25×80mm的長圓孔)進行接長連接。鋼連接件當于次梁的一部分，承受相應的段的荷載和內(nèi)力。鋼件通過螺栓與主梁連接，對次梁接長節(jié)點起側向支撐作用。
圖27 次梁接長構造圖
5小結
本文運用彈性力學，對玻璃盒子進行傳統(tǒng)理論上的結構設計，嘗試探討玻璃結構設計的方法。本文按荷載傳遞過程依次對玻璃面板、玻璃排架、玻璃節(jié)點進行強度和剛度的驗算。并且根據(jù)玻璃脆性的特點，嘗試提出玻璃盒子剩余強度分析的思路和驗算方法。玻璃盒子方案圖見圖28-圖32。各構件驗算結果見表8。
本文玻璃盒子的結構設計只停留在理論計算階段，沒有經(jīng)過實驗進行復核，也不能較全面考慮玻璃結構在實際工程中可能遇到的問題(如門窗洞、排水、防雷、備管線布置等)，不一定能真正反映玻璃結構的實際受力情況。只能是玻璃結構設計的一種嘗試性的探討，為國內(nèi)玻璃結構的研發(fā)提出一些想法，希望能引起國內(nèi)同行的關注，使玻璃結構能在國內(nèi)發(fā)展起來。
圖28 玻璃盒子立面圖
圖29 玻璃盒子平面圖(地面)
圖30 玻璃盒子平面圖(梁高)
圖31 玻璃盒子剖面圖(主梁)
圖32 玻璃盒子剖面圖(次梁)
參考文獻
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