1、建筑幕墻玻璃肋板節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)探討摘  要：本文對導(dǎo)致玻璃肋支撐體系的點(diǎn)支式幕墻、全玻幕墻承載能力出現(xiàn)非預(yù)期降低的影響因素進(jìn)行分析，并在行業(yè)中首先提出了避免出現(xiàn)該類隱患的設(shè)計(jì)計(jì)算公式和構(gòu)造設(shè)計(jì)方法。關(guān)鍵詞：全玻璃及點(diǎn)支式幕墻  玻璃肋板  節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)  探討1. 問題的提出建筑幕墻自八十年代出現(xiàn)在中國的建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)中，就以其獨(dú)特的藝術(shù)效果和特有的使用功能被建筑師們廣泛接受，成為現(xiàn)代建筑內(nèi)涵的一個(gè)部份，而幕墻的型式種類的發(fā)展變化節(jié)奏之快，也印證了它的現(xiàn)代性。稍加注意，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)總是滯后于新技術(shù)、新產(chǎn)品的，正是由于

2、這個(gè)特點(diǎn)，建筑幕墻從玻璃幕墻到石材、金屬幕墻，從構(gòu)件式幕墻到點(diǎn)支式、全玻幕墻，這一路的發(fā)展，總是先有工程實(shí)例后有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，因此，在工程上運(yùn)用了十年之久的點(diǎn)支式、全玻幕墻在2003年才有了它的“工程技術(shù)規(guī)范”(JGJ102-2003)。但是該規(guī)范從目前看來仍有需要進(jìn)一步完善的必要。全玻璃幕墻及點(diǎn)支式幕墻是繼隱框玻璃幕墻之后，又一種新型的幕墻型式，由于該型式幕墻摒棄了隱框幕墻的分格小、承力構(gòu)件多以及通透效果較差等缺點(diǎn)，自九十年代起被逐步地運(yùn)用于酒店大堂、大型商場和寫字樓的外墻，近幾年來使用量呈明顯增加的趨勢，立面設(shè)計(jì)朝大跨度、大分格方向發(fā)展，目前國內(nèi)已建最大跨度已達(dá)30米以上。常見的支撐體系主要有

3、玻璃肋板體系（詳見圖1）、魚腹式鋼結(jié)構(gòu)體系以及拉索式體系等三種。我中心從事建筑幕墻門窗性能檢測工作已有十來年的歷史，在大量的抗風(fēng)壓試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，帶玻璃肋支撐體系的點(diǎn)支式幕墻、全玻幕墻，在肋板強(qiáng)度、剛度均滿足規(guī)范JGJ102-2003的設(shè)計(jì)要求的情況下，仍然常常出現(xiàn)的破壞現(xiàn)象，其破壞現(xiàn)象主要有兩種：一是在風(fēng)荷加載不足設(shè)計(jì)承載能力一半的情況下發(fā)生肋板因承載能力失效而破碎的現(xiàn)象；二是肋板支座處結(jié)構(gòu)膠發(fā)生粘結(jié)破壞而整體被風(fēng)吹倒的現(xiàn)象。導(dǎo)致玻璃肋支撐體系的點(diǎn)支式幕墻、全玻幕墻承載能力出現(xiàn)非預(yù)期降低的影響因素是什么？本文進(jìn)行以下分析。2. 破壞原因分析由于規(guī)范(JGJ102-2003)對點(diǎn)支式幕墻、全玻幕墻

4、肋板端部的支承型式?jīng)]有提出明確的規(guī)定和要求，造成在工程實(shí)際中，我們可以見到各種各樣體現(xiàn)設(shè)計(jì)者理解的支承型式，其承載能力良莠不齊，從大量的工程調(diào)查和試驗(yàn)實(shí)例中，筆者總結(jié)出具有代表性的兩種，如圖2所示a型和圖3所示b型，這兩種型式分別代表“端部搭接承力”和“膠體承力”兩種承力模式，這兩種模式的傳力途徑及典型的破壞形式詳見表1。從表1我們可以看出，a型為端部搭接承力，面板傳向肋板的荷載，通過支座槽口對肋板端部的支撐，傳遞給主體結(jié)構(gòu)，該種傳力模式俗稱“硬碰硬”，在工程現(xiàn)場調(diào)查中，我們發(fā)現(xiàn)玻璃肋板與支座槽口之間的縫隙處，僅采用在表面用一層厚度僅2mm-5mm的密封膠蓋面，這種做法符合規(guī)范(JGJ102-

5、2003第7.1.2條)的要求，但這種做法卻沒有解決玻璃肋板與槽鋼之間“硬碰硬”的問題，由于槽口型材的前后兩端封口的制作，是由施工單位在現(xiàn)場電焊完成的，往往在封板處留下毛刺，焊疤，同時(shí)由于現(xiàn)場制作的原因，封板與肋板側(cè)面也很難保持平行。正是這些方面的不足，當(dāng)玻璃肋板受力支撐在槽口封板處時(shí)，因肋板玻璃“應(yīng)力集中”而產(chǎn)生強(qiáng)度提前失效的后果。這是a型節(jié)點(diǎn)破壞的原因之一；另外一種情況是，有些工程在該處節(jié)點(diǎn)上解決了應(yīng)力集中的問題后，仍發(fā)生肋板強(qiáng)度失效的現(xiàn)象，這種情況出現(xiàn)的原因主要在規(guī)范本身，因?yàn)橐?guī)范JGJ102-2003針對玻璃肋板的設(shè)計(jì)僅提出了對肋板的跨中橫截面的應(yīng)力、撓度進(jìn)行驗(yàn)算的要求，并未對肋板在支

6、座端剪力作用下，提出進(jìn)行承載力驗(yàn)算的要求（詳見(JGJ102-2003第7.3)，這就造成了設(shè)計(jì)者忽視這方面的安全問題，給這類幕墻留下了安全隱患 ，這類情況往往在常規(guī)設(shè)計(jì)中不易出現(xiàn)破壞，但在大層高，大跨度的肋板設(shè)計(jì)中，問題就會(huì)突出顯現(xiàn)，這是a型節(jié)點(diǎn)破壞的原因之二。b型節(jié)點(diǎn)為膠體承力，面板傳向肋板的荷載，通過膠體的傳遞傳給支座，最后傳給主體，這種傳力模式與a型正好相反的，可稱為“柔性傳力”，從b型節(jié)點(diǎn)中可以看到，要真正實(shí)現(xiàn)“柔性傳力”有兩個(gè)條件， 一是膠體粘結(jié)強(qiáng)度大于肋板傳來的荷載應(yīng)力，二是肋板在支座槽口中應(yīng)有足夠大的位移空間，以保證膠體在受力變形導(dǎo)致玻璃肋板移位的情況下，不致于造成肋板與槽口封

7、板接觸，而出現(xiàn)“硬碰硬”。b型節(jié)點(diǎn)的破壞情況均與不滿足這兩個(gè)條件有關(guān)，要么是發(fā)生膠體承載力不足，膠體撕裂破壞，要么是發(fā)生由于預(yù)留變位空間不足，導(dǎo)致肋板與槽口封口板“硬碰硬”而造成應(yīng)力集中破壞，產(chǎn)生b型這兩種破壞的最主要原因，我們認(rèn)為與a型相同，也應(yīng)歸于設(shè)計(jì)規(guī)范本身的欠缺。3. 解決辦法的探討1) 建立計(jì)算公式正如上節(jié)破壞原因分析所指出的，a型和b型節(jié)點(diǎn)的破壞原因最終歸結(jié)為設(shè)計(jì)規(guī)范本身沒有對它提出承載力驗(yàn)算的要求，因此徹底解決這個(gè)問題的辦法是首先建立該節(jié)點(diǎn)的承載力設(shè)計(jì)計(jì)算公式。a. a型支座的節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算公式本文作者根據(jù)多年從事建筑幕墻物理試驗(yàn)的大量數(shù)據(jù)經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，結(jié)合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求，對a型的支

8、座節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算提出了一套計(jì)算公式。注：(見圖4)Lys取值的理論分析：假設(shè)當(dāng)肋板撓度達(dá)到最大限值1/200時(shí)，玻璃側(cè)面應(yīng)力達(dá)到鋼化玻璃側(cè)面強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。令t 20mm，hr300mm。b. b型支座的節(jié)點(diǎn)驗(yàn)算公式在風(fēng)荷載和水平地震力作用下，結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)寬度Cs按下式計(jì)算:2) 計(jì)算分析a. a型節(jié)點(diǎn)以幕墻面板寬度1500mm，風(fēng)荷設(shè)計(jì)值5KPa，肋板承壓有效深度40mm為例，引用本文提出的公式（3.3.1）進(jìn)行計(jì)算，來分析肋板厚度與肋板允許最大跨度之間的關(guān)系，得表2結(jié)果。b. b型節(jié)點(diǎn)以幕墻面板寬度1500mm，肋板跨度3000mm，肋板寬度300mm，層間位移1/550（框架結(jié)構(gòu)），結(jié)構(gòu)膠25%的變

9、位承受能力為例，引用提出的公式(3.1.2)進(jìn)行計(jì)算，來分析水平設(shè)計(jì)荷載與硅酮結(jié)構(gòu)膠計(jì)算寬度、厚度的關(guān)系，得表3結(jié)果。c. 從以上計(jì)算結(jié)果表明，由于a型節(jié)點(diǎn)中，要提高肋板的設(shè)計(jì)跨度，首先應(yīng)提高肋板側(cè)面厚度和承壓有效深度，我們知道承壓有效深度最大值為40mm是個(gè)定值, 無法進(jìn)一步提高，而13米跨度對應(yīng)的肋板厚度也已達(dá)到了30mm,在我國玻璃制板工藝條件下，已屬困難。b型節(jié)點(diǎn)中，由于肋板的支座剪力較大，在常見的分格，跨度情況下，結(jié)構(gòu)膠的設(shè)計(jì)寬度在40mm 120mm范圍，厚度在50mm以上，其寬厚尺寸均遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了結(jié)構(gòu)膠打注的常規(guī)尺寸。而工程中，這類幕墻的實(shí)際注膠尺寸也不過是在厚8mm 寬10mm的

10、范圍內(nèi)，存在明顯的差距，因此出現(xiàn)結(jié)構(gòu)膠剪切破壞的現(xiàn)象是必然的。根據(jù)計(jì)算分析可以明確以下幾點(diǎn)：a型節(jié)點(diǎn)型式，可用于肋板跨度在13米以下的情況，設(shè)計(jì)跨度超出13米肋板其端部支撐型式應(yīng)考慮選擇其它可靠方式； b型節(jié)點(diǎn)，由于肋板端部剪力較大，在常規(guī)的跨度情況，其結(jié)構(gòu)膠的寬厚設(shè)計(jì)尺寸已遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于通常的注膠尺寸，這樣會(huì)給注膠質(zhì)量和膠的固化帶來不利影響，降低膠的粘結(jié)強(qiáng)度，且這樣大尺寸的膠體在實(shí)際施工中也無法操作實(shí)現(xiàn)，因此在點(diǎn)支式、全玻幕墻肋板支座設(shè)計(jì)中，建議不使用b型節(jié)點(diǎn)。3) 大跨度肋板支座節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)我們在前面討論中，提到的a型，b型兩種形式，a型由于肋板玻璃厚度和承壓有效深度的限制，無法運(yùn)用于大跨度肋板，b

11、型由于所用的硅硐結(jié)構(gòu)膠自身的拉伸強(qiáng)度較弱，以及層間變位的要求，用結(jié)構(gòu)膠的原設(shè)計(jì)尺寸大大超過常規(guī)尺寸，也難以運(yùn)用。 按照設(shè)計(jì)理論分析，要實(shí)現(xiàn)大跨度肋板設(shè)計(jì)，必須選擇一種強(qiáng)度高，變位能力也大的膠，但是這是相互矛盾的，也就是說膠的強(qiáng)度調(diào)高，其變形能力就會(huì)差些；強(qiáng)度調(diào)弱，則變形能力就會(huì)好些。因此 在這類節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)上，只能選擇強(qiáng)度與變形要求分離的思路，通過設(shè)計(jì)一個(gè)讓高強(qiáng)度的膠完成肋板向支座的傳力，再由支座的可移動(dòng)來滿足層間變化的構(gòu)造節(jié)點(diǎn)來解決大跨度肋板支座節(jié)點(diǎn)的問題。我中心通過構(gòu)造選型分析、試驗(yàn)驗(yàn)證，提出了一種可以解決該問題的節(jié)點(diǎn)型式，即c型節(jié)點(diǎn)，詳見圖5。 c型節(jié)點(diǎn)具有以下特點(diǎn)：該節(jié)點(diǎn)分成上支座、肋板和

12、下支座三個(gè)部分，上支座與主體采用轉(zhuǎn)動(dòng)鉸連接，上支座與肋板采用吊掛式夾具連接；下支座與主體采用可滑動(dòng)鉸連接，下支座與肋板采用環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)。環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠有可變形能力小、強(qiáng)度高的特點(diǎn)，可以解決大跨度肋板端部大剪力的傳遞問題，而上支座有轉(zhuǎn)動(dòng)鉸，下支座有滑動(dòng)鉸可以解決主體結(jié)構(gòu)層間位移對幕墻提出的變位要求。為了了解環(huán)氧樹脂的粘結(jié)強(qiáng)度以及延伸率，我中心對環(huán)氧樹脂與玻璃、鋼板的粘結(jié)強(qiáng)度以及拉伸變形性能建立了材料力學(xué)試驗(yàn)?zāi)Ｐ停隽藥捉M試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如下：    試驗(yàn)結(jié)果表明在02.5 MPa的范圍內(nèi)，膠體變形處于彈性階段，應(yīng)變量僅0.25mm。之后在2.5MPa3

13、.5 MPa范圍內(nèi)有較為明顯的塑性變形趨勢，應(yīng)變從0.25mm發(fā)展到4.0mm。3.5MPa為極限破壞應(yīng)力，隨后承載力下降較快。按照可靠度理論，該構(gòu)件安全系數(shù)取2.0，則針對這類構(gòu)件，環(huán)氧樹脂的粘結(jié)設(shè)計(jì)強(qiáng)度為f1.7MPa，拉伸變位承受能力為0.3。以幕墻面板寬度1500mm，肋板寬度300mm，肋板插入深度300mm，層間位移1/550（框架結(jié)構(gòu)），引用本文提出的公式(3.1.21)進(jìn)行計(jì)算，來分析水平設(shè)計(jì)荷載與肋板跨度的關(guān)系，得表3結(jié)果。結(jié)果表明c型節(jié)點(diǎn)可以適用于40米以上的大跨度玻璃肋板構(gòu)件。4) 兩種節(jié)點(diǎn)型式的制作要求a. a型節(jié)點(diǎn)肋板與支座槽口前后封板之間應(yīng)采用不變質(zhì)實(shí)心橡膠墊塊填塞

14、，以免肋板與槽口封板“硬碰硬”。支座槽應(yīng)在工廠加工制作，槽口內(nèi)四周應(yīng)打磨光滑，不可留下切割毛刺和焊疤，前后封板與槽底板夾角應(yīng)為90 ±10， 支座槽與肋板的組裝應(yīng)在工廠完成，肋板與槽口四周的間隙應(yīng)8mm， 肋板側(cè)面應(yīng)與槽口前后封板平行，夾角偏差小于±15， 以避免肋板“應(yīng)力集中”。 b. c型節(jié)點(diǎn)支座槽應(yīng)在工廠加工制作，槽口內(nèi)四周應(yīng)打磨光滑不可留下銹跡、切割毛刺和焊疤，槽口與肋板左右間隙為2.0S2.5mm，前后間隙4.0S5mm， 離槽底間隙10mm，前后間隙和槽底不可注膠。支座槽與肋板的組裝應(yīng)在工廠完成，制作程序是先將槽口內(nèi)壁采用丙酮清洗，再在槽口前后及槽底采用規(guī)定厚度的彈性墊塊隔離，而后往槽口中注入環(huán)氧樹脂，并在3分鐘之內(nèi)