超高玻璃肋幕墻計算及設(shè)計淺析

　　隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展和人們對美的追求，玻璃幕墻在建筑的各個領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，其結(jié)構(gòu)形式也發(fā)生著日新月異的變化｡其中，由面玻璃及玻璃肋組成的全玻璃系統(tǒng)因其通透､美觀，在工程中也得到了眾多設(shè)計師和業(yè)主的青睞｡但是，由于目前對玻璃這種脆性材料的結(jié)構(gòu)性能尚無全面詳盡的理論及試驗研究，尤其對于超高玻璃肋這種幕墻類型的計算，國內(nèi)幕墻設(shè)計規(guī)范對其強度計算和穩(wěn)定性計算沒有明確規(guī)定，因此有必要對于超高玻璃肋中的一些計算問題，特別是強度計算和穩(wěn)定性計算進(jìn)行深入研究和探討｡

　　玻璃肋結(jié)構(gòu)通常由面板玻璃和玻璃肋組成，玻璃肋板與面板玻璃一般垂直放置，承受面板玻璃傳來的風(fēng)荷載和地震荷載等水平荷載｡根據(jù)JGJ102-2003玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范中的規(guī)定，通過驗算玻璃肋的截面高度和玻璃肋的撓度來校核玻璃肋的強度｡具體的詞條解釋和公式規(guī)范中有規(guī)定，本文不再羅列｡

　　由于玻璃肋的厚度較薄，玻璃肋板類似于承受單面均勻荷載的矩形薄板｡玻璃肋在面內(nèi)荷載的作用下，首先發(fā)生平面內(nèi)彎曲變形｡隨著載荷的增加保持平面內(nèi)彎曲的能力逐漸減小｡在平面內(nèi)微小撓動下，就有可能發(fā)生平面外彎曲并扭轉(zhuǎn)，即稱為平面外失穩(wěn)或者側(cè)向屈曲｡因此，為了防止發(fā)生玻璃肋的平面外失穩(wěn)，對于超高玻璃肋應(yīng)進(jìn)行平面外穩(wěn)定驗算｡

　　玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范中建議對于“高度大于8m的玻璃肋應(yīng)考慮平面外的穩(wěn)定驗算；高度大于12m的玻璃肋，應(yīng)進(jìn)行平面外穩(wěn)定驗算，必要時應(yīng)采取防止側(cè)向失穩(wěn)的構(gòu)造措施”｡但是規(guī)范中沒有給出穩(wěn)定性計算的具體方法，本文在這里進(jìn)行探討和驗算｡

　　澳大利亞的玻璃規(guī)范AS1228-2006Glassin-building給出了多種邊界條件下的玻璃肋的整體穩(wěn)定性驗算｡對于超高玻璃肋，可認(rèn)為玻璃肋的一邊有連續(xù)的約束，其極限側(cè)向屈曲彎矩可由下式求得：

　　其中，Mcr為極限側(cè)向屈曲彎矩，N·mm；(EI)y為玻璃肋繞弱軸方向的抗彎剛度，N·mm 2；h為玻璃肋高度，mm；hr為玻璃肋截面的高度，mm；GJ為玻璃肋的抗扭剛度，N/mm2；y0為側(cè)向約束與中性軸的距離，mm；yh為載荷作用點與中性軸的距離，mm｡

　　當(dāng)承受正風(fēng)壓時（載荷向內(nèi)），yo與yh取異號；當(dāng)承受負(fù)風(fēng)壓時（載荷向外），yo與yh取同號，極限側(cè)向屈曲彎矩較承受正風(fēng)壓時小，這也反映了彎矩的作用使玻璃肋自由邊受壓而產(chǎn)生更為不利的影響｡

　　根據(jù)上述公式以及采用有限元法對玻璃肋的研究分析發(fā)現(xiàn)，玻璃肋的極限側(cè)向屈曲彎矩主要與玻璃肋的厚度和高度有關(guān)，玻璃肋的寬度對于超高玻璃肋的極限側(cè)向屈曲彎矩的提高作用并不明顯｡而玻璃肋的自重對于玻璃肋的整體穩(wěn)定有一定影響，采用懸掛式玻璃肋要比落地式玻璃肋具有更高的抗側(cè)向屈曲能力，這是由于懸掛系統(tǒng)中的玻璃肋的自重產(chǎn)生了對于抗側(cè)向屈曲有利的拉力作用｡不過，與玻璃肋的厚度和高度相比，自重在其中的影響還是較小的｡

　　上面的計算方法是采用規(guī)范中的公式手算屈曲載荷，在設(shè)計過程中還可以采用有限元計算軟件ANSYS結(jié)構(gòu)屈曲分析的方法計算屈曲載荷｡ANSYS提供兩種分析結(jié)構(gòu)屈曲的技術(shù)：非線性屈曲分析和特征值屈曲分析（線性屈曲分析）｡

　　在本文中采用特征值屈曲分析的方法｡在計算中，如果施加一個單位荷載，求解得到的特征值就表示臨界荷載，當(dāng)施加非單位荷載時，求解得到的特征值乘以施加的載荷就得到臨界載荷｡

　　特征值的提取方法ANSYS主要提供了兩種，子空間方法（subspace）和蘭索斯分塊方法（BlockLanczos），它們都是使用完全矩陣｡在本文中采用了蘭索斯分塊方法（BlockLanczos），提取第一階模態(tài)進(jìn)行分析｡

　　北京某工程采用玻璃肋幕墻，幕墻規(guī)格為15m×10.8m，計算高度為11m｡采用平齊式連接方式，吊掛玻璃系統(tǒng)｡

　　在某工程中，玻璃面板的分格為2.221m×2.1m，玻璃肋的高度為9.9m，截面寬度為0.6m，采用TP12+1.52PVB+TP12的鋼化夾膠玻璃，承受水平風(fēng)荷載和地震荷載作用｡

　　經(jīng)過計算，水平荷載的標(biāo)準(zhǔn)值為：

        

　　水平荷載的設(shè)計值為：

        

　　玻璃肋的截面高度：

        

　　玻璃肋撓度計算：

　　玻璃肋的截面寬度和撓度計算均符合設(shè)計要求｡

　　根據(jù)JGJ102-2003玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范7.3.7條：高度大于8m的玻璃肋宜考慮平面外的穩(wěn)定驗算，采用有限元軟件ANSYS進(jìn)行玻璃肋的穩(wěn)定計算，計算時考慮玻璃肋前端的玻璃對其提供的側(cè)向支撐作用｡

　　玻璃肋板的有限元計算模型如圖1所示｡

　　施加單位荷載，經(jīng)過計算，玻璃肋一階屈曲模態(tài)變形圖如圖2所示｡

　　經(jīng)過穩(wěn)定性計算，得到第一階屈曲模態(tài)特征值為：12.075，由于施加的荷載為單位荷載，所以SET項第一階的屈曲系數(shù)12.075即為最小的屈曲載荷｡即玻璃肋發(fā)生平面外失穩(wěn)的臨界荷載為12.075N/mm，本工程中玻璃肋受到的荷載為：5.84kN/m<19.495kN/m，則此超高玻璃肋的整體穩(wěn)定性滿足設(shè)計要求｡

　　1）目前國內(nèi)對于玻璃肋的穩(wěn)定性的設(shè)計及計算的理論還比較少，在設(shè)計計算時可以參考板殼理論和國外的一些規(guī)范｡

　　2）玻璃肋的自重對于其穩(wěn)定性有一定的影響，但影響作用較小｡玻璃肋的厚度及高度對于玻璃肋的整體穩(wěn)定有較大影響｡

　　3）可以通過有限元軟件ANSYS進(jìn)行屈曲特征值分析，得到玻璃肋的屈曲荷載｡這種方法簡便直觀，準(zhǔn)確性高｡