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2 21 世纪技术与工程著作系列 土木工程 点支式玻璃建筑应用技术研究 王元清石永久吴丽丽著 北京

3 内容简介 本书是清华大学建筑玻璃与金属结构研究所长期以来在点支式玻璃建筑的基础理论 设计方法 工程应用和关键技术等方面进行深入研究所取得的成果 本书重点阐述了点支式玻璃建筑结构中带孔玻璃板 金属连接件和支承结构体系的力学特性 承载性能及其工程应用等方面内容 其中主要介绍了通过实体试验 理论分析和数值模拟方法, 对点支式单层 中空和夹胶玻璃板面外受弯与面内受剪 金属连接件的承载性能 柔性支承结构体系 ( 包括单层索网 ) 的承载性能和设计方法等方面的系统研究 本书所反映的研究成果大多结合实际工程实例, 可供土木工程领域从事幕墙体系科研和工程设计的技术人员, 以及高等院校相关专业的教师和研究生参考 图书在版编目 (CIP ) 数据 点支式玻璃建筑应用技术研究 / 王元清, 石永久, 吴丽丽著畅 北京 : 科学出版社,2009 (21 世纪技术与工程著作系列 土木工程 ) ISBN 978 唱 7 唱 03 唱 唱 2 Ⅰ 畅点 Ⅱ 畅 1 王 2 石 3 吴 Ⅲ 畅 1 玻璃结构唱研究 2 建筑玻璃唱研究 Ⅳ 畅 T U382 TQ 中国版本图书馆 CIP 数据核字 (2009) 第 号 责任编辑 : 王晶晶 / 责任校对 : 柏连海 责任印制 : 吕春珉 / 封面设计 : 耕者设计工作室 北京东黄城根北街 16 号 邮政编码 : 出版 http :// w w w 畅 sciencep 畅 co m 印刷 科学出版社发行各地新华书店经销 2009 年 9 月第一版开本 : B5 ( ) 倡 2009 年 9 月第一次印刷印张 : 29 1/4 彩色插页 :1 印数 : 字数 : 定价 :68 畅 00 元 ( 如有印装质量问题, 我社负责调换枙环伟枛 ) 销售部电话 010 唱 编辑部电话 010 唱 (BA08) 版权所有, 侵权必究 举报电话 :010 唱 ; 010 唱 ; 科学出版社职教技术出版中心

4 作者简介 王元清博士, 清华大学教授 博士生导师 现任清华大学建筑玻璃与金属结构研究所副所长 结构工程研究所副所长, 中国钢结构协会理事 结构稳定与疲劳分会秘书长, 中国钢结构教学委员会秘书长, 中国工程建设标准化协会钢结构专业委员会委员等 主要致力于钢结构及建筑幕墙相关领域研究, 主持和参加包括国家自然科学基金在内的 10 多项纵向课题及 50 多项横向课题, 参加北京植物园展览温室 国家大剧院 武汉证券大厦 北京南站 江西吉安白鹭大桥 天津蚌埠桥和慈海桥 新加坡植物园展览温室等重大工程的科研和设计工作 在外文刊物和国内核心期刊以第一 二作者共发表学术论文 200 余篇, 国际会议论文 100 余篇 ( 其中 SCI 收录 10 余篇 EI 收录 60 余篇和 IS T P 收录 50 余篇 ), 已培养 50 余名博士研究生 硕士研究生和博士后研究人员 参加枟钢结构设计规范枠等 4 部国家规范和行业标准的修编, 研究成果获得国家科技进步二等奖 1 项, 省部级科学技术二 三等奖 4 项 石永久博士, 清华大学教授 博士生导师 现任清华大学建筑玻璃与金属结构研究所所长, 中国钢结构协会常务理事 结构稳定与疲劳分会理事长, 中国工程建设标准化协会钢结构专业委员会委员等 主要致力于钢结构及建筑幕墙相关领域研究, 主持和参加包括国家自然科学基金在内的 10 多项纵向课题及 30 多项横向课题 在外文刊物和国内核心期刊以第一 二作者共发表学术论文 160 余篇, 国际会议论文 50 余篇, 已培养 40 余名博士研究生 硕士研究生和博士后研究人员 参加枟钢结构设计规范枠等 4 部国家规范和行业标准的修编, 研究成果获得国家教学成果二等奖 1 项, 省部级科学技术二 三等奖 5 项

5 吴丽丽清华大学博士 博士后, 中国矿业大学 ( 北京 ) 讲师, 中国钢协结构稳定与疲劳分会理事 主要致力于建筑幕墙和钢唱混凝土组合结构相关领域研究, 主持和参加包括国家自然科学基金在内的 5 项纵向课题及 10 多项横向课题 在外文刊物和国内核心期刊以第一 二作者共发表学术论文 20 余篇, 国际会议论文 5 篇 ( 其中 SCI 收录 2 篇 EI 收录 12 篇和 IS T P 收录 1 篇 ) 研究成果获得省部级科学技术二 三等奖 3 项 科学出版社职教技术出版中心

6 前 言 点支式玻璃建筑近年来在我国得到了广泛的应用, 但对其研究却相对滞后 本书对点支式玻璃建筑的基础理论和设计方法进行了较为系统和深入的研究, 研究主要涉及这种新型玻璃建筑结构中的带孔玻璃板 金属连接件和支承结构体系承载性能等三个主要方面 清华大学建筑玻璃与金属结构研究所是由清华大学土木工程系和建筑学院共同成立的跨院系研究所, 是校企合作, 面向社会, 集研究 教学和技术开发于一体的科研机构, 专门从事由玻璃 金属等材料建造的建筑物方面应用技术的理论研究 技术开发与推广 近年来, 随着点支式玻璃建筑的广泛应用, 研究所对这种新型结构体系的设计理论 设计方法和工程应用进行了深入研究, 取得了一系列重要研究成果, 在玻璃幕墙行业产生了较大的影响 本书重点总结了研究所在点支式玻璃板基本力学性能研究 金属连接件分析设计理论和支承结构体系的承载性能方面研究成果 在点支式玻璃板承载性能研究方面, 通过实体试验 理论分析和数值模拟方法, 对四点和多点支承 单层和双层及多层带孔玻璃板面外受弯 面内受剪及弯剪组合的承载性能 设计方法等方面进行了系统研究 根据目前工程中常见的沉头式连接 浮头式和夹持式连接玻璃板建立了有限元分析模型, 使用 A NSYS 和 SA P 软件及数值差分法, 对模型进行弹性和弹塑性分析, 分析其影响承载性能的因素 对单层四点支承 六点支承玻璃板, 双层中空和夹胶四点支承 三点支承玻璃板, 中空夹胶 ( 三层 ) 四点支承玻璃板等上百个试件进行加载破坏试验, 分析了它们在均布荷载作用下的极限承载力 变形能力 内力分布 破坏模式等方面的性能 按照弹性板壳力学建立分析模型, 分析中充分考虑点支式玻璃板孔边应力 支承点位置 多层玻璃板等效厚度 温度作用影响等, 得到点式支承玻璃板在均布荷载作用下的应力和变形的理论解, 并和试验及有限元分析比较得出一致性结论, 提出了实用的工程设计方法 在金属连接件的承载性能研究方面, 对典型的不锈钢紧固件和支承件进行了足尺模型试验及弹塑性有限元分析, 给出了紧固件的破坏荷载和支承件的屈服荷载, 并对连接件加载时的变形状态进行了分析 连接件承载性能的试验研究表明, 支承件和紧固件的设计都是强度控制, 不是变形控制 根据弹性有限元分析, 对每种紧固件和支承件给出了计算承载力公式和实用设计方法 另外, 还探讨了铝合金连接件的承载性能和工程应用前景

7 ii 点支式玻璃建筑应用技术研究 在支承体系的承载性能研究方面, 通过数值模拟 试验研究和理论分析相结合 的方法, 系统研究了鱼腹式和单层索网柔性支承结构体系的基本静力承载性能 动 力承载性能 预应力控制方法 结构非线性计算方法, 提出了柔性支承结构体系的 变形控制指标和预应力设计指标, 全面总结了柔性支承结构体系的风振和抗震计 算理论及方法, 特别是结合工程应用解决了单层索网支承体系的风振计算与设计 单向索的承载性能和施工控制技术 单索隐式玻璃幕墙开发和工程应用等问题 这些均属于国内外具有独创性的研究成果, 并为国内相关规范的编写和修订提供 了重要依据 本书反映的主要研究成果在北京植物园展览温室 国家大剧院 杭州大剧院 清华大学游泳跳水馆 沈阳方圆大厦 大连圣亚海洋世界 中关村融科中心 北京新 保利大厦 ( 方案 ) 北京万通中心 天津天城大厦 国家网络中心 土城电话局等近百 项工程中获得应用, 带来了可喜的经济效益和社会效应, 推动了我国玻璃幕墙技术 的快速健康发展以及行业的进步 本书的研究工作先后得到北京市科委科技项目 ( ) 高等学校博士学 科点专项科研基金 ( ) 北京市自然科学基金 ( ) 十一五 国家 科技支撑计划重大项目课题 (2006BAJ03A02) 和 10 多项 KGE 研究基金的资助 课题的主要研究成果在国内外学术期刊发表研究论文 100 余篇, 其中被 SCI EI IS T P 检索论文达 40 余篇 同时该课题的主要研究成果由作者单位与合作伙伴珠 海市晶艺玻璃工程有限公司共同申报获得 2005 年北京市科学技术二等奖 1 项 2007 年珠海市科学技术一等奖 1 项和 2008 年广东省科学技术二等奖 1 项 清华大学建筑玻璃与金属结构研究所在成立和运行过程中得到了珠海市晶艺 玻璃工程有限公司的鼎力支持, 并通力合作, 共同在玻璃建筑和新型建筑体系领域 成长 创新和完善 珠海市晶艺玻璃工程有限公司不仅长期在研究所设立专项研 究基金 (KGE 研究基金 ), 而且在课题的研究中积极配合, 提供试验试件和试验技 术人员 特别感谢珠海市晶艺玻璃工程有限公司罗忆先生对课题研究工作的慷慨 资助和技术咨询, 课题工作还得到了该公司冯恕 李国星等的积极参与和技术 支持 科学出版社职教技术出版中心 本书的出版是作者及其研究团队的共同研究成果, 其中包括老一辈学者多年 的关怀和指导, 也包括实验室同事及国内外高校和工程界广大学者的支持和参与 除本书所列的参考文献外, 研究工作中还广泛参考和借鉴了国内外一些研究成果 和经验, 这些扎实的工作和成果都是促进点支式玻璃建筑结构研究不断发展的推 动力, 也是本书所依赖的基础, 在此对其相关作者一并表示感谢 需要特别说明的 是, 作为清华大学建筑玻璃与金属结构研究所首任所长和所学术委员会主任的李 少甫教授在研究所创立和课题研究指导上付出了大量的心血和艰辛的劳动 ; 研究 所学术委员会的袁驷 秦佑国 李晋奎 王德勤 吕富珣等委员对课题研究提出了积

8 前 言 iii 极宝贵的建议, 作者特此感谢 课题组博士研究生马赢 吴丽丽, 硕士研究生邹宇 杨威 梁宇钒 王喆 任志宏 孙芬 邓晓蔚 赵敏行 徐慷 贺小平 李勇 袁焕鑫等在相关课题研究中出色地完成了大量的试验 计算及分析工作, 他们对本书的完成做出了重要的贡献 本课题组施刚老师和曾在本课题组从事博士后研究的张勇博士也积极参与相关的研究工作, 徐悦工程师 研究生孙巍为本书的编辑出版也做了大量工作, 在此向他们表示衷心感谢 限于作者水平, 书中不足之处在所难免, 均需要在今后的研究工作中不断改进和完善, 同时敬请读者批评指正 作者 2009 年 6 月

9 目 录 前言 第 1 章点支式玻璃建筑及其研究和应用现状 点支式玻璃建筑的组成与特点 点支式玻璃建筑的组成 点支式玻璃建筑的特点 点支式玻璃建筑的国内外应用 点支式玻璃建筑的发展简史 点支式玻璃建筑在国外的应用 点支式玻璃建筑在国内的应用 点支式玻璃建筑的应用基础研究 国内外研究简况 需要研究的主要技术问题 20 参考文献 22 第 2 章点支式单层玻璃板的承载性能研究 带孔玻璃板的孔边破坏强度分析 带孔玻璃板孔边破坏强度的试验研究 带孔玻璃板孔边破坏强度分析 垫圈对受弯玻璃板孔边应力的影响分析 四点支式矩形单层玻璃板受弯承载性能研究 玻璃板受弯承载性能的影响因素分析 玻璃板受弯承载性能的试验研究 玻璃板受弯承载性能的力学分析 玻璃板受弯承载性能的有限差分法分析 支座位移对玻璃板受弯承载性能的影响 六点支承单层玻璃板受弯承载性能研究 六点支承玻璃板受弯承载性能有限元分析 六点支承玻璃板受弯承载性能试验研究 六点支承玻璃板受弯承载设计方法 支座位移对六点支承玻璃板受弯承载的影响 86 科学出版社职教技术出版中心

10 vi 点支式玻璃建筑应用技术研究 2.4 面内剪力对单层玻璃板承载性能的影响分析 面内剪力对单层玻璃板孔边应力的影响 单层玻璃板纯剪下承载性能的试验研究 单层玻璃板弯剪下承载性能的试验研究 101 参考文献 110 第 3 章点支式中空和夹胶玻璃板的受弯承载性能研究 点支式中空玻璃板受弯承载性能研究 中空玻璃板受弯承载性能的试验研究 中空玻璃板受弯承载性能的有限元分析 中空玻璃板受弯承载性能的有限差分法分析 中空玻璃板受弯承载性能的设计方法 点支式夹层玻璃板受弯承载性能研究 夹层玻璃板受弯承载性能的有限元计算方法 夹层玻璃板受弯承载性能的试验研究 夹层玻璃板受弯承载性能的有限差分法分析 夹层玻璃板受弯承载性能的设计方法 点支式中空夹层玻璃板受弯承载性能研究 中空夹层玻璃板受弯承载性能的数值计算方法 中空夹层玻璃板受弯承载性能的试验研究 中空夹层玻璃板受弯承载性能的设计方法 152 参考文献 152 第 4 章点支式玻璃建筑金属连接件的承载性能研究 金属连接件的组成和分类 连接件的组成和分类 金属连接件的材料特性 金属连接件的产品标准 不锈钢支承件承载性能研究 不锈钢支承件承载性能的有限元分析 不锈钢支承件承载性能的试验研究 不锈钢支承件承载性能的力学分析 不锈钢紧固件承载性能研究 不锈钢紧固件承载性能的有限元分析 不锈钢紧固件承载性能的试验研究 不锈钢紧固件承载性能的力学分析 176

11 目 录 vii 4 畅 4 铸铝支承件承载性能研究 畅 4 畅 1 铸铝支承件承载性能的试验研究 畅 4 畅 2 铸铝支承件承载性能的有限元分析 畅 4 畅 3 铸铝支承件的简化设计方法 187 参考文献 194 第 5 章点支式玻璃建筑平面索杆支承体系的承载性能研究 平面索杆支承体系的分类和特点 平面索杆支承体系的分类 平面索杆支承体系的受力特点 鱼腹式柔性支承体系的静力承载性能研究 鱼腹式柔性支承体系静力承载的影响因素分析 鱼腹式柔性支承体系静力承载的力学分析 鱼腹式柔性支承体系的设计与试验研究 鱼腹式柔性支承体系的工程设计与分析 鱼腹式柔性支承体系预应力控制的试验研究 鱼腹式柔性支承体系的现场试验研究 鱼腹式柔性支承体系的动力承载性能研究 鱼腹式柔性支承体系的动力特性分析 鱼腹式柔性支承体系的地震反应分析 鱼腹式柔性支承体系的风振反应分析 244 参考文献 252 第 6 章点支式玻璃建筑单层平面索网结构的承载性能研究 单层平面索网支承体系的工程应用与设计 单层索网体系及其工程应用 单层索网体系的工程设计与分析 单层平面索网支承体系的静力承载性能研究 单层索网体系静力承载性能的影响因素分析 单层索网体系静力承载性能的试验研究 单层索网体系静力承载性能的有限元分析与试验结果的对比 单层平面索网支承体系的动力特性研究 单层索网体系的动力特性及其影响因素分析 单层索网体系动力特性的试验研究 单层索网结构的非线性自振特性研究 单层平面索网结构的抗风性能研究 主体结构对单层索网结构风振响应的影响 316 科学出版社职教技术出版中心

12 viii 点支式玻璃建筑应用技术研究 单层平面索网结构的风振响应特性分析 单层平面索网结构的实用抗风设计方法 单层索网支承体系的地震反应分析 单层索网体系的抗震设计方法分析 单层索网幕墙地震响应的几何非线性分析 单层索网与主体结构地震响应的整体分析 362 参考文献 374 第 7 章夹持式点支玻璃板的承载性能研究 夹持式点支玻璃建筑的技术特点和工程应用 夹持式点支玻璃建筑的技术特点与构造 夹持式点支玻璃建筑的工程应用 夹持式点支玻璃板受弯承载性能研究 玻璃板受弯承载性能的影响因素分析 玻璃板受弯承载性能的试验研究 面内剪力对夹持式点支玻璃板承载性能的影响分析 单层玻璃板面内受剪承载性能的有限元分析 夹板约束边界玻璃板体力作用下面内受剪的有限差分解 单层玻璃板纯剪下承载性能的试验研究 单层玻璃板弯剪下承载性能的试验研究 夹持式点支玻璃板的设计方法研究 面外受弯承载性能的设计方法 面内抗剪承载性能的设计方法 弯剪共同作用时承载性能的设计方法 隐式单索夹持式玻璃建筑的承载性能研究 隐式单索夹持式玻璃建筑及其工程应用 隐式单索夹持式玻璃建筑承载性能的有限元分析 隐式单索夹持式玻璃建筑承载性能的试验研究 隐式单索夹持式玻璃建筑的工程设计 449 参考文献 455

13 第 1 章点支式玻璃建筑及其研究和应用现状 1.1 点支式玻璃建筑的组成与特点 点支式玻璃建筑的组成 随着社会经济的不断发展, 人们对建筑物使用品质的要求也不断提高 追求 建筑物内外空间的流通和融合, 要使工作和生活空间能更大限度地与大自然融为 一体, 人们自然会想到更多地利用玻璃透明的特性 近年来, 由于玻璃和金属等材 料科学和制造工艺技术的飞速发展, 玻璃建筑被广泛地应用, 使建筑面貌发生了巨 大的变化 由于玻璃材料本身的限制,20 世纪 80 年代以前, 建筑业一般多采用框 式玻璃建筑 随着后工业时代的结束, 建筑业孕育产生了点支式玻璃建筑 继有 框玻璃之后, 近 10 年来, 在玻璃工艺的长足发展下, 这种探索有了惊人的进展 建 筑师们已经可以将机械加工的精度概念用于设计建筑, 这就诱发了建筑点支式玻 璃技术的产生 点支式玻璃建筑作为一种新兴的建筑形式, 使玻璃这种古老的建筑材料正在 经历一场不同寻常的复兴 玻璃在现代建筑设计中不仅是针对外界气候变化的一 种遮蔽物, 也不只是单纯的建筑装饰手段, 而是在作为建筑空间组织的重要元素的 同时, 也作为重要的承重结构材料与结构设计结合在一起, 使玻璃建筑中建筑设计 和结构设计达到前所未有的统一与和谐 点支式玻璃建筑是指建筑玻璃通过金属连接件 ( 主要由紧固件和支承件组成 ) 与支承结构 ( 由金属结构或玻璃支承组成 ) 连接成整体的一种新型组合式建筑结构 [1] 形式 这种建筑体系与以往的框式玻璃结构有两个不同之处 点支式玻璃建筑主要由以下几部分组成, 如图 1 唱 1 所示 1) 支承体系 支承体系将面玻璃所承受的各种荷载直接传递到建筑主体结 构上, 因此它是主要受力构件, 一般是根据承受的荷载大小和建筑造型来选择结构 形式和材料, 如玻璃肋 不锈钢立柱 铝型材柱或加上适当的防腐 防火表面处理的 钢桁架 钢立柱及不锈钢拉杆 ( 索 ) 等 科学出版社职教技术出版中心 2) 玻璃 考虑结构的安全性能要求, 建筑点支式玻璃技术必须采用强度较高 的钢化玻璃 ( 钢化玻璃的抗冲击强度是浮法玻璃的 3 ~ 5 倍, 抗弯强度是浮法玻璃 的 2 ~ 5 倍, 在遇到较大外力被破坏时能产生无锐角的细小碎块, 不易伤人 ) 在对

14 2 点支式玻璃建筑应用技术研究 图 1 唱 1 点支式玻璃建筑的组成保温 隔热有较高要求的建筑物中, 也常采用中空玻璃 目前还有一种夹胶玻璃, 即在两层玻璃之间夹入聚乙烯醇缩丁醛 (PVB) 胶片, 具有更好的安全性能 隔声效果 透光性能和防紫外光辐射作用 3) 密封材料 玻璃与玻璃之间采用耐候硅酮胶密封, 玻璃与金属结构之间采用结构硅酮胶粘接 建筑点支式玻璃技术中密封胶只起密封作用, 不必进行强度计算 在使用前必须进行胶与接触材料的相容性试验, 性能检测必须合格, 并且在有效期内使用, 严格遵守操作规程, 以确保施工质量 4) 金属连接件 金属连接件包括固定件 ( 俗称爪座和爪子 ) 和扣件 固定件通常用不锈钢或普通钢铸造而成, 而扣件则是用不锈钢机械加工件 金属连接件是建筑点支式技术的精华所在 它把面玻璃固定在支承结构上, 安装时不应产生玻璃的孔边缘附加应力, 而且要能够允许少量的位移来调节由于建筑安装带来的施工误差, 同时还要有减震措施以提高抗震能力, 因此设计时考虑的因素是多方面的 首先, 结构和连接功能的清晰分离 在以往的框式玻璃结构中, 金属边框既是玻璃的结构支承构件, 又是玻璃的连接固定构件 在承担水平向荷载 ( 主要为风荷载和地震荷载 ) 时, 金属边框的承载力就显得较为薄弱 在荷载作用下, 金属边框的变形将导致与玻璃连接的不稳定, 从而造成玻璃的坠落 点支式玻璃体系中点支式连接件主要起到固定玻璃和传递荷载的作用, 其功能单一, 从而保证了连接的紧密, 玻璃和支承结构将承担所有的荷载 其次, 点支式玻璃体系是一个整体性的结构体系, 玻璃和支承结构共同发挥作用承担荷载 玻璃可以直接承担部分 甚至是全部的水平荷载, 通过连接件传递给支承结构 ; 而传统的框式玻璃结构完全由边框承担荷载, 玻璃只是作为一种围护构

15 第 1 章点支式玻璃建筑及其研究和应用现状 3 件存在, 两者结合并不紧密 当点支式玻璃体系作为建筑幕墙和建筑屋顶时, 玻璃 不仅仅是外围护构件, 同时也承担一定的荷载而成为结构构件 因此, 点支式玻璃建筑具有其他形式不可替代的优点 更通透 更 [2 ~ 6] 灵活 点支式玻璃建筑是随着玻璃生产工艺技术的提高和产品的多样化而诞 生的, 它为建筑师创造奇特 透明晶莹的建筑提供了条件, 使建筑的现代工艺美 技术 美得以尽情地宣泻, 因此, 它受到广大建筑师们的青睐 点支式玻璃建筑已发展成为 一个多品种的家族, 不但可以作为建筑外围护结构的幕墙和屋顶, 也可以作为各种室 内的建筑细部构件, 如栏杆 楼梯和电梯墙等, 以增加建筑的时代感 1. 点支式玻璃幕墙 [1] 点支式玻璃幕墙按照支承结构的不同方式, 可分为下面几种 (1) 金属支承结构点支式玻璃幕墙 这是目前采用最多的一种形式, 它是用金属材料做支承结构体系, 通过金属连 接件和紧固件将面玻璃牢固地固定在其上面, 十分安全可靠 它充分利用金属结 构的灵活多变以满足建筑造型的需要, 人们可以透过玻璃清楚地看到玻璃的整个 支承结构 玻璃的晶莹剔透和金属结构的坚固结实, 体现了 美 与 力, 增强了 虚 与 实 对比的效果, 如图 1 唱 2 所示 (2) 全玻璃结构点支式玻璃幕墙 图 1 唱 2 金属支承结构点支式玻璃幕墙 它通过金属连接件及紧固件将玻璃支承结构 ( 玻璃肋 ) 与面玻璃连成整体, 成 为建筑围护结构 它施工简便, 造价低, 玻璃面和玻璃肋构成开阔的视野, 令人赏 心悦目, 建筑物室内 外空间达到最大限度的视觉交融, 如图 1 唱 3 所示 科学出版社职教技术出版中心

16 4 点支式玻璃建筑应用技术研究 图 1 唱 3 全玻璃结构点支式玻璃幕墙 (3) 单柱式支承点支式玻璃幕墙它为玻璃次承重结构, 是由单根实心柱体 钢管或各种截面的型钢组成受力支承体系的一种玻璃幕墙形式 它由钢柱上直接伸出爪件, 连接玻璃 玻璃的自重和横向荷载都由柱体来承担 金属连接件结构中的柱子多为钢柱, 由于钢材极强的可塑性, 使钢柱的形式较为灵活, 可以直线型, 也可以带有一定的曲率, 还可以是变截面的 ; 可以在室内, 也能在室外 ; 不但可以直接伸出金属连接件与玻璃相连, 还能伸出不同形式的悬臂, 再通过点支式构件连接玻璃 总之, 不同形式的柱子为满足建筑造型的不同需求带来了极大的方便 钢柱承载能力大, 与玻璃连接处的细部构造较为简洁, 能悬挂较大面积或较厚的玻璃 因此, 这种结构形式适用于大跨柱距的建筑 但是由于柱子将承担所有的横向和竖向荷载, 截面一般较为粗大, 所以会在一定程度上降低玻璃幕墙的通透性和精细性, 如图 1 唱 4 图 1 唱 4 单柱式支承点支式玻璃幕墙所示

17 第 1 章点支式玻璃建筑及其研究和应用现状 5 (4) 桁架式支承点支式玻璃幕墙 这种玻璃幕墙形式使用各种类型的桁架结构作为受力支承体系, 桁架上伸出 金属连接件连接玻璃, 并承受横向和竖向荷载 例如, 斯图加特大学试验房两种材 料都充分发挥了各自的力学特性, 减少了钢用量, 增加了幕墙的透明度 只要将钢 索和玻璃紧密地连接成一体, 它们共同组成的桁架结构就可以做成任意的形式, 或 横向, 或弯曲, 以满足建筑造型的不同需求 全部构件均为预制, 在现场拼装, 这是 该幕墙的成功之处, 如图 1 唱 5 所示 桁架式支承点支式玻璃幕墙同单柱式支承点 支式玻璃幕墙有很多相似之处, 如由桁架完全承担横向和竖向荷载, 能悬挂较大 较厚的平面玻璃, 桁架形式可以随建筑设计的要求而改变等 与此同时, 它还有自 己更为突出的优势 : 首先, 桁架设计多应用杆件, 显得更为轻盈, 也可以增加钢构件 和玻璃的对比, 使幕墙更加精细, 通透性更好 ; 其次, 桁架的方向设计也更灵活, 不 像钢柱一定要垂直地面, 桁架可以横向平行于地面, 甚至是倾斜的, 完全取决于建 筑造型和立面的要求 ; 最后, 因为桁架的设计跨度较大, 建筑跨度就可以设计得很 大, 可以应用更大 更厚的特种玻璃 虽然大多数桁架完全由钢构件构成, 玻璃在 只是次承重结构构件, 但桁架也可以由玻璃和钢构件共同构成, 玻璃负责承担压 力, 钢构件承担拉力, 这种结构将更轻 更透 ( 目前这种形式还处于试验之中 ) (5) 拉杆 ( 索 ) 结构点支式玻璃幕墙 图 1 唱 5 桁架式支承点支式玻璃幕墙 它采用不锈钢拉杆或用与玻璃分缝相对应的钢拉索做成幕墙的支承结构, 玻 璃通过金属连接件与其固定 在建筑中充分运用机械加工的精度, 使构件显得特 别精致 细巧, 十分漂亮 为了保证拉杆 ( 索 ) 构件均为受拉杆件, 施工时要预加拉 力 这种柔性连接可降低震动时玻璃的破损率, 如图 1 唱 6 所示 科学出版社职教技术出版中心

18 6 点支式玻璃建筑应用技术研究 2. 点支式玻璃屋顶 图 1 唱 6 拉杆 ( 索 ) 式支承点支式玻璃幕墙 [1] 点支式玻璃屋顶按照支承结构的不同方式, 可分为下面几种 (1) 拱或刚架支承点支式玻璃屋顶 拱或刚架支承点支式玻璃屋顶是指以钢拱或刚架为主体支承结构, 在其上连 接点支式连接件支承或悬挂玻璃屋顶, 这两种结构支承的点支式玻璃屋顶多为玻 璃次承重结构, 如图 1 唱 7 所示 图 1 唱 7 拱或刚架支承点支式玻璃屋顶

19 第 1 章点支式玻璃建筑及其研究和应用现状 7 (2) 全玻璃结构点支式玻璃屋顶全玻璃结构点支式玻璃屋顶是指主要由玻璃构件构成支承屋顶的结构, 并通过点支式连接件连接屋顶玻璃 该种点支式玻璃屋顶均为玻璃主承重结构, 对玻璃强度的要求较高, 如图 1 唱 8 所示 图 1 唱 8 全玻璃结构点支式玻璃屋顶 (3) 下张拉索式桁架支承点支式玻璃屋顶 下张拉索式桁架支承点支式玻璃屋顶就是由索桁架支承点支式玻璃的结构体 系形式, 由钢索和钢杆构成, 或完全由钢索构成受拉部分, 并由钢杆件或玻璃组成 受压构件, 从而形成桁架体系, 并通过点支式连接件支承屋顶玻璃, 如图 1 唱 9 所示 科学出版社职教技术出版中心 图 1 唱 9 下张拉索式桁架支承点支式玻璃屋顶

20 8 点支式玻璃建筑应用技术研究 (4) 空间杆系或索系统的点支式玻璃屋顶 这种点支式玻璃屋顶采用空间杆系或索系统作为支承结构, 再从支承结构上 图 1 唱 10 空间杆系或索系统 的点支式玻璃屋顶 (2) 安全性好 引出点支式连接构件和玻璃 空间结构在 作建筑屋顶的支承结构时具有显著的优越 性, 即跨度大 承载力高, 适用于各种设计造 型, 如图 1 唱 10 所示 点支式玻璃建筑的特点 由于点支式玻璃建筑是由金属连接件 和紧固件将玻璃与支承结构连接成一个整 体的组合式建筑结构, 与有框 ( 含隐框 半隐 框 ) 玻璃建筑相比, 点支式玻璃建筑有如下 [5] 特点 (1) 通透性好 由于大片玻璃是通过几个点与支承结 构相连接, 因此视线被遮挡的面积降低到最 小, 使视野开阔到最大限度 经过钢化的玻璃是通过金属连接件用机械手段固定到支承结构上, 耐候密封 胶只起密封作用而不考虑其受力, 即使在外力撞击下, 使单片玻璃破坏落下 玻璃 雨, 也不可能出现整块玻璃坠落的严重伤人事故 (3) 灵活性好 由于在金属连接件和紧固件的设计中考虑了各种措施, 除使每个连接点可以 自由转动外, 还要允许有一定位移, 用以调节土建施工中不可避免的误差, 因此, 玻 璃不会产生安装应力, 并且可以适应支承结构受荷载后产生的变形, 使玻璃受力状 态良好 不仅如此, 用点支式连接方法可以最大限度地体现建筑造型的要求 建 筑点支式玻璃技术除大量应用于幕墙工程外, 造型各异的采光顶也频频选用它 此外, 用点支式玻璃技术做的姿态各异的栏杆 连梁 悬挑雨篷和别致的门斗, 往往 对建筑物产生 点睛 的效果 (4) 工艺感强 点支式结构可以使用许多种形式, 变化无穷, 有良好的工艺性 艺术性, 便于设 计师选择使用 (5) 环保节能 由于点支式玻璃建筑追求明快的风格, 因而在玻璃的使用上多选择光污染极

21 第 1 章点支式玻璃建筑及其研究和应用现状 9 小的白玻 超白玻和低辐射玻璃, 同时辅以室内或室外遮阳系统, 在减小甚至杜绝 光污染的同时, 大大降低了能耗 尤其是使用中空技术后, 效果更加明显 1.2 点支式玻璃建筑的国内外应用 点支式玻璃建筑的发展简史 建筑点支式玻璃技术和其他技术一样, 是在生产实践中不断发展和完善的 早在 20 世纪六七十年代, 美国的玻璃厂家皮尔金顿首先开发出了建筑玻璃点支式 连接法 补钉式装配体系 (plain fitting system) 和平式装配体系 (plain fitting system) 1986 年法国建筑师 Bernard Tschumi 在纪念法国大革命 200 周年的十 大建筑物之一拉维莱特科学馆的立面设计中, 应用了点支式技术, 为全世界的建筑 师所瞩目 1993 年贝聿铭大师在卢浮宫改建工程地下广场的中心部位采用了单 拉互联点支式技术, 设计了一个倒金字塔形的玻璃结构, 令建筑 结构 机械技术绝 妙地结合, 成为建筑极品, 获得了世人的赞赏 由 Olk winmazg 大师设计并于 1996 年完工的德国莱比锡展览中心是采用点支式玻璃作为围护结构的例作, 它标志着 点支式技术开始走向成熟, 并显示了广阔的应用前景 随着深圳地王大厦和上海大剧院等工程成功地从国外引进了建筑点接技术, 我国也开始了建筑点支式技术的研究和应用 我国自行设计 制作和安装的深圳 康佳产品展销馆 深圳机场新航站楼等大型点支式玻璃幕墙工程和北京国际金融 中心多棱 多面的锥形采光顶等数十项点支式玻璃外墙项目相继完工, 三个北京国 庆 50 周年献礼工程 造型独特的北京植物园大型展览温室 面积超过 m 2 的北京远洋大厦外墙和采光顶大型工程及西单文化广场圆锥形采光顶标志性工程 中, 均已采用点支式玻璃技术 建筑点支式玻璃技术不但已被充分掌握, 并且有所 发展 此外还有 2004 年竣工的杭州大剧院,2006 年竣工的北京新保利大厦, 以及 2008 年建成的国家大剧院 由于自行设计 制作和安装的造价能被国内用户所接 受, 因此, 这种人见人爱的建筑点支式玻璃技术已在中国得到广泛应用 最初点支式支承玻璃是在经过强化处理的玻璃四角打好孔, 然后用铜质的矩 形连接板内外夹住玻璃, 并用螺栓加以固定, 内侧连接板和金属肋相连接, 金属肋 支承在主体结构, 达到玻璃固定定位 当时的点支式连接全玻璃幕墙安装高度达 到 20m 以上 20 世纪 70 年代在此基础之上做了改进, 取消了外表面显眼的铜质连接板, 而 代以面积极小的平头螺栓, 并在强化玻璃的四角按螺栓的端面形状打孔, 在螺栓孔中 塞入圆孔形的垫圈, 螺栓通过垫圈中部的孔, 螺栓和玻璃平面接触的地方布置了平垫 圈, 使得螺栓和玻璃之间的外力通过垫圈得到缓冲, 减少了接触面上的应力集中 科学出版社职教技术出版中心

22 10 点支式玻璃建筑应用技术研究 20 世纪 80 年代又开发了半球型铰接螺栓, 它可以自由转动, 而且这个螺栓的转动中心与玻璃的重心相一致的, 相比平板式的结构体系有了显著的改进 平板式体系由于玻璃的支承构件都突出于玻璃之外, 很容易在连接处产生扭矩, 而半球铰接螺栓则使转动中心与玻璃的重心一致, 可减少这种效应, 后来又开发了一种称为 H 形的连接件, 它可连接相邻四块玻璃的四个孔洞,H 形的连接件在连接的四个点上分设每块玻璃的回转铰, 以此来消除外力引起的每块玻璃的部分位移 而后又有实际工程发展了这一体系, 除了用 H 形连接件支承玻璃以外, 在竖向每组玻璃中间还设置了一组弹簧承受下面玻璃的荷载 近年来, 这种点支式连接全玻璃幕墙又向中空玻璃幕墙推广, 它要解决的技术重点主要在于中空玻璃细部处理上, 为了防止中空玻璃打孔后的漏气问题, 在铰接螺栓处插入了一个环状的金属垫圈, 并在与玻璃交接处加上聚异丁烯橡胶片保证密封, 同时在玻璃边缘处加上聚异丁烯橡胶片覆盖, 然后外面再用铝制的垫片加以保护, 最后用硅酮密封胶进行填缝处理 点支式玻璃建筑在国外的应用下面是国外点支式玻璃建筑的几个典型工程 (1) 拉维莱特公园科学馆由点支式玻璃幕墙构成的科学馆南立面坐落于一个人工湖面上, 被两座入口廊桥分为三个独立的冬季花园 ( 图 1 唱 11) 它起到控制建筑室内温度的作用, 而且将绿地和室外的水面和公园景观引入建筑室内 每个冬季花园高和宽都是 32.40m, 进深 8.10m 图 1 唱 11 拉维莱特公园科学馆它的主承重结构是由钢管在横向和竖向组成的 8m 8m 的刚架 在顶部和横向桁架上用拉索形成交叉桁架体系, 以对抗风荷载 从每组刚架顶部伸出有弹性的支座, 从上向下承受幕墙玻璃荷载 每组桁架悬挂 4 4 块玻璃 与水面之间

23 第 1 章点支式玻璃建筑及其研究和应用现状 11 的间距强化了这一结构的建筑语言形式, 使巨大的形体轻巧起来 (2) 慕尼黑 Kempinski 旅馆 1993 年建成的慕尼黑 Kempinski 旅馆, 由 2 幢平行的 5 层 25m 高建筑和它们之间 40m 宽的内庭院组成 内庭院即采用了 40m 25m 单层索网支承体系点支式玻璃幕墙, 钢索直径 22mm, 玻璃分格为 1.50m 1.50m, 玻璃连接为驳接式, 钢索预拉力最大达 85kN, 索网最大变形可达 90cm( 图 1 唱 12) 这是一座典型的大变形单层索网柔性支承结构的玻璃建筑 精巧的结点设计与结构设计融为一体, 同时与大面积的幕墙形成强烈对比, 使玻璃幕墙的精细性达到了极至 (3) 英国 T ower 广场 图 1 唱 12 Kempinski 旅馆幕墙外立面 于 2002 年 11 月竣工的英国的 T ower 广场 [ 如图 1 唱 13(a) (b) 所示 ] 是一典型 的单层索网体系, 玻璃幕墙和屋顶形成一个 6 层楼高, 半封闭的大空间, 供人们行 科学出版社职教技术出版中心 图 1 唱 13 英国 Tower 广场

24 12 点支式玻璃建筑应用技术研究 走其间, 屋顶为优美的曲线形状 幕墙的总面积为 2000 平方米, 屋顶的面积为 1200 平方米, 玻璃分格尺寸为 2.4m 3.8m, 水平索直径为 30mm, 竖索为 20mm 该建筑的另一个特色即它是世界上第一个采用玻璃管提供水平支承的结构 (4) 纽约 Time Warner 中心 2004 年 2 月建成并投入使用的 Time Warner 中心为纽约增添了一道新的风景线 ( 图 1 唱 14) Time Warner 中心位于 Columbus 环形街区广场, 它的设计师为 David,O wings 和 Merrill L LP, 整座建筑由 55 层 高 229m 的南北两座塔楼组成, 总建筑面积达 280 万 ft 2 1 这两座深色的梯形玻璃幕墙从中央广场上拔地而起, 与街区布局的形状相得益彰, 站在楼上整个中央公园尽收眼底 两塔楼中央主入口即采用了 25ft 2 高的单层索网玻璃幕墙, 站在幕墙前暸望整个广场, 景色十分壮观 图 1 唱 14 Time Warner 中心全景和主入口 (5) 德国 Bad Neustadt 索网体系覆盖于德国 Bad Neustadt 医院几栋建筑上空的钢索网是世界上第一个采用硅酸盐玻璃的钢索网体系 ( 图 1 唱 15) 它是玻璃和钢索网结构相结合的成功之作, 也是维尔纳 索贝及其同事开发出的一种专利方法, 即利用标准化的不锈钢夹将同一尺寸相互重叠的玻璃板固定在一个具有不同网孔几何形状的高强镀锌钢索网上, 索网曲线形式则利用计算机辅助设计方法确定, 网格的节点是用确保玻璃 瓦片 安全的夹子固定的 索网的边缘也是钢索, 玻璃顶上所有的力最终都传到图中所示的木制柱或边缘拉索上 整个索网曲线富于变幻, 给人以遐想 1 2 1ft 2 = m 2, 下同 1ft = m, 下同

25 第 1 章点支式玻璃建筑及其研究和应用现状 点支式玻璃建筑在国内的应用 近年来, 随着深圳地王大厦和上海 大剧院等工程成功地从国外引进了建筑 点支式技术, 我国也开始了建筑点支式 技术的研究和应用 之后我国自行设 计 制作和安装的深圳康佳产品展销馆 深圳机场新航站楼等大型点支式玻璃幕 墙工程和北京国际金融中心多棱 多面 的锥形采光顶等数百项点支式玻璃外墙 项目相继完工 下面介绍国内点支式玻璃建筑的几 个典型工程 (1) 深圳机场新航站楼 深圳机场新航站楼的主体建筑采用 当时世界最流行的双拱双曲线造型, 一 图 1 唱 15 Bad Neustadt 索网体系 万多平方米的点支式玻璃幕墙连接于钢结构支承体系上, 气势雄伟, 透过大面积玻 璃幕墙, 可将室外景物尽收眼底, 使人心旷神怡 ( 图 1 唱 16) 新航站楼使用了专利 技术 活动铰接连杆机构, 解决了由于屋架跨度大引起的变形问题 由于新航 站楼无论是从主体造型还是每个金属紧固件都进行了精心的设计, 因此使其成为 了人们交口称赞的现代化空港建筑 科学出版社职教技术出版中心 图 1 唱 16 深圳机场新航站楼

26 14 点支式玻璃建筑应用技术研究 (2) 北京植物园展览温室北京植物园展览温室占地面积 m 2, 总建筑面积 m 2, 以 绿叶对根的回忆 为构想意象, 高难度的钢结构支承点支式玻璃幕墙结构体现了金属结构与玻璃结合的刚劲有力 精致细微 8000 多片尺寸 形状各异的中空钢化玻璃和钢结构巧妙地组成了 根茎 交织的三维曲面流动的造型 建筑师别出心裁地用花蕾 绿叶 叶脉 根等构思出奇特的建筑造型, 它所表达出的抽象意义及先进的一体化自动环境系统, 使其成为首都北京的现代化标志性建筑之一 ( 图 1 唱 17) 北京植物园植物展览温室主体结构由几十榀不同高度 不同跨度 不在同一平面内的钢架组成, 更完美地体现了建筑艺术的魅力 主体钢架由 多根钢管焊接而成, 加上建筑造型独特, 施工 安装难度极大 由于植物对紫外线的特殊需要, 玻璃原片均采用法国超白玻璃, 为了最大限度地与建筑外型相吻合, 玻璃精确地分割成尺寸不同 形状各异的 8000 多片, 制成 12mm + 12Ar + 8mm 中空钢化玻璃, 并精心设计了数 10 种连接件 图 1 唱 17 北京植物园展览温室 (3) 北京远洋大厦北京远洋大厦目前是世界上全面采用智能型点支式建筑玻璃幕墙系统的大型高档写字楼之一, 整个系统集点支式中空玻璃 外遮阳 灯光效果于一体, 既美观安全又环保节能 ( 图 1 唱 18) 一万多平方米的中空钢化玻璃通过金属连接件固定在铝合金型材立柱上, 使玻璃的轻盈通透与金属的质感完美结合 为了使立面变化富层次感, 面玻璃之间特添加了玻璃肋, 再配置灯光效果, 使建筑物光彩夺目 (4) 清华大学游泳馆清华大学游泳馆是清华大学重要的体育活动场所, 其整体为钢筋混凝土结构, 为了增加这座建筑物的时代感, 门厅采用了三维点支式玻璃幕墙 幕墙高 10.2m, 东

27 第 1 章点支式玻璃建筑及其研究和应用现状 15 西向跨度 72m 整个玻璃幕墙共设 9 道主刚架, 相邻刚架间距 8m, 相邻两榀主刚架间 设置了 3 道彼此间距为 2m 的普通鱼腹式柔性拉杆结构 通过特殊的可调异形六爪将 数百片不共面的三角形玻璃固定在钢架和不锈钢拉杆组成的支承结构上 ( 图 1 唱 19) (5) 杭州大剧院 图 1 唱 18 北京远洋大厦 图 1 唱 19 清华大学游泳馆 科学出版社职教技术出版中心 杭州大剧院位于杭州市钱江新城, 于 2004 年 8 月竣工并投入使用 ( 见 图 1 唱 20) 该工程像一樽城市雕塑, 造型非常独特而又富有诗意, 成为杭州标志性 的建筑 建筑的正面采用全通透的点支式玻璃幕墙作为围护结构, 将剧院内部精 美的装饰展现于观众面前 ; 而建筑的背立面侧采用大跨度空间结构配队金属屋面, 形成穹形的巨大空间, 将剧院的所有功能空间包容在内 幕墙采用令人震撼的巨 幅双曲玻璃幕墙, 总平面布置为一个椭圆, 建筑面积为 m 2, 其跨度 164m, 弧

28 16 点支式玻璃建筑应用技术研究线长 200 多米 高 46m, 由一个双曲壳和一个倒圆锥壳相交而成, 充分体现新千年精神和杭州文化中心的特点 图 1 唱 20 杭州大剧院 (6) 新保利大厦二期工程新保利大厦二期工程集高档写字楼 博物馆及商业娱乐设施于一体, 成为北京又一处地标性建筑 ( 图 1 唱 21) 大厦千余平方米的大堂, 无一根立柱, 异常宽敞 通透, 从下至上高达 90m 大厦的单层双向柔索玻璃幕墙代表了世界最高技术水准, 其高 90m 宽 70m (7) 国家大剧院 图 1 唱 21 新保利大厦二期工程 2008 年竣工的国家大剧院 ( 图 1 唱 22) 位于北京人民大会堂西侧, 西长安街以

29 第 1 章点支式玻璃建筑及其研究和应用现状 17 南 由法国建筑师 Paul Andreu 主持设计, 主体建筑由外部围护钢结构壳体和内部 2416 个坐席的歌剧院 2017 个坐席的音乐厅 1040 个坐席的戏剧院 公共大厅及配套用房组成 国家大剧院屋面呈半椭圆形, 由具有柔和的色调和光泽的钛金属覆盖, 前后两侧有两个类似三角形的玻璃幕墙切面, 整个建筑漂浮于人造水面之上, 行人需从一条 80m 长的水下通道进入演出大厅 大剧院造型新颖 前卫, 构思独特, 是传统与现代 浪漫与现实的结合 这座 城市中的剧院 剧院中的城市 以一颗献给新世纪的超越想象的 湖中明珠 的奇异姿态出现 国内外研究简况 图 1 唱 22 国家大剧院 1.3 点支式玻璃建筑的应用基础研究 1. 点支式建筑玻璃性能的研究 国外对于这种新兴起的建筑结构形式, 无论是德国 美国及其他一些国家的研 究机构, 都没有形成一套成形的理论体系, 即使在应用范围已经比较广阔的德国, [7 ~ 11] 也只是有一些行业标准而已 目前各国的研究机构, 尤其是我国近年来很多 科研院所 高等学校都开展了积极的研究, 开发出一大批新技术 新监测方法 新工 [12 ~ 35] 艺及新理论 主要研究集中在以下几个方面 (1) 玻璃几何尺寸和参数 市场上已经存在许多种点支承件类型, 从静力特性上讲, 存在着以下两方面差 科学出版社职教技术出版中心

30 18 点支式玻璃建筑应用技术研究 异, 即玻璃板平面上的孔位 玻璃和玻璃支承点之间的连接情况 不同的钻孔位置 和连接件在承受荷载作用时, 会因为连接处的弯矩作用到玻璃上一个附加应力, 特 别是在因为温度膨胀受挤压时具有重大意义, 通过布置孔位和适当连接可以避免 这一应力 (2) 荷载影响 每种单独的荷载情况, 如自重 风荷载 温度 ( 加热 冷却 ) 都可以产生较大应力 分布, 应力的大小取决于荷载的大小, 通常针对每种荷载会有一个最佳支座排列 在参数研究中, 每种荷载都须分开研究, 使得有关支承位置的分析不考虑荷载的大 小, 然后通过荷载组合最大主应力和最佳点支承位置由各个荷载所占份额的相对 值决定 在当前的研究中, 由于自重荷载对于水平面的玻璃产生的效果和风荷载 相似, 因此两者可相互借用 (3) 应力集中的影响 支承点采用的连接方式对连接处的应力集中将会有很大影响, 根据一些研究 者的实验表明, 分析对象为 2m 2m 的玻璃, 风压值为 20kN/m 2, 当采用球铰支承 头时, 玻璃板中最大应力为 45N/m 2, 孔洞边缘最大应力为 48N/m 2, 均小于玻璃受 弯强度标准值 (50N/m 2 ), 但如果采用固定支承头, 则孔洞边缘最大应力高达 141N/m 2, 远大于其强度标准值, 当然相应地球铰支承头的板面应力稍大, 因端部 的约束减小, 所以在目前作法中通常采用球形铰支承 (4) 材料的特性 玻璃的弹性模量和温度线膨胀系数有一定的数值, 可参考生产厂家的产品说明 (5) 计算最佳位置 为了确定点支承的最佳位置, 自重 风吸力 风压力 加热或冷却等各种荷载工 况都必须考虑, 而且玻璃片板还需要考虑矩形 三角形等各种形状, 所以也与 ar/ b 和 br/b 的关系影响较大 (6) 风荷载 由于玻璃幕墙承受的主要荷载作用为风荷载, 因此, 支承点位置必须加以严格 分析 由实验可知, 对于正方形玻璃片 br 的位置对支承有抵制性的影响, 但对于 a/ b 大于 2.0 以上的矩形板, 作用不大 (7) 荷载组合 通过荷载组合可以清楚地看到风压是主要因素, 由温度引起的主应力叠加到 风荷载引起的主应力上, 这样主应力将增加 20 % 国内的研究情况由于技术水平的限制, 目前国内的玻璃幕墙发展仍处于铝框 为支承体系的发展阶段, 随着国外点支式支承玻璃技术的引进, 国内也做了一些相 [36 ~ 39] 应的研究, 主要集中在 : 玻璃板厚度的选择 挠度验算 温度应力的验算 地震 作用下强度的验算 四点简支的幕墙玻璃的验算等几个方面

31 第 1 章点支式玻璃建筑及其研究和应用现状 金属连接件的研究 根据国外发表的文献, 德国在金属连接件方面的研究是比较多的 Raimund Lehmann 给出了德国点支式支承玻璃金属连接件的类型及部分连接件 紧固件与 玻璃的相互作用分析 他认为连接件可按 3 种典型的划分标准来分类 : 按爪座螺 杆对紧固件的约束能力可分为固接连接件 可动弹性连接件和可动完全球铰连接 件 ; 按爪座螺杆与紧固件的连接位置可分为在玻璃中连接件在玻璃平面后和连接 件在支承体系上 ; 连接件按建筑美学观点可分为浮头 沉头紧固件和仅与内侧玻璃 连接紧固件 在进行连接件紧固件与玻璃的相互作用分析时,Raimund Lehmann 考虑了 4 种紧固件, 并运用有限元软件 A N SYS 进行了受力分析 4 种紧固件中, 前两种是 完全固接, 第三种具有可转动的约束, 第四种则具有可动完全球铰约束 分析结果 表明, 第四种紧固件与玻璃相互作用时在玻璃中产生的应力最小 这一结果说明 在设计连接件时, 使用具有完全球铰约束的紧固件从受力角度来说是有利的 这 也正是工程中使用的紧固件都具有球铰约束的原因 点支式支承玻璃结构在国内的发展尚处于起步阶段 根据调研, 目前我国很 多点支玻璃结构中金属连接件的设计 制造工作都是在借鉴国外工业标准及相关 资料的基础上完成的 在设计过程中仅运用材料力学提供的方法进行了简单的弹 性受力分析, 没有考虑材料非线形的情况, 也没有用有限元法建立实际模型计算, 结果导致连接件的设计偏于保守, 连接件的截面尺寸及重量偏大 ; 而且从建筑美学 的角度考虑, 目前的连接形式也存在一些不足 ( 如爪座形式笨重 紧固件突出玻璃 板影响美观等 ) 因此, 笔者认为国内对点支玻璃金属连接件的研究还是一项空 白, 很有必要在这一领域进行较为深入的研究 目前, 我国各厂家生产的金属连接件种类繁多, 自成体系, 缺乏通用性, 这给规 范市场和工程验收带来了比较大的困难 因此, 住房和城乡建设部正在组织有关 技术单位积极制订有关点支式支承玻璃幕墙金属连接件技术规程 3. 其他相关技术的研究 (1) 全玻璃幕墙和玻璃承重结构应用技术的研究 全玻璃幕墙 ( 由玻璃板和玻璃肋制作的玻璃幕墙 ) 和玻璃承重结构 ( 如玻璃楼 梯等 ) 的应用已经越来越多, 玻璃作为承重结构使用突破了玻璃的传统应用范围, 对玻璃的设计和计算理论提出了新的要求, 需要对玻璃脆性结构的安全性 耐久 性 维修加固, 以及玻璃部分破损后对整体结构性能的影响进行研究 (2) 多层复合玻璃结构承载性能研究 科学出版社职教技术出版中心 目前实际工程使用的多层复合玻璃结构包括 : 中空玻璃 夹胶玻璃和夹丝玻璃

32 20 点支式玻璃建筑应用技术研究等, 从结构工程材料角度看, 我们对复合玻璃的结构性能并不清楚, 对设计强度指标 变形性能都缺乏全面的认识, 目前还没有统一的标准控制各种复合玻璃的材性指标, 设计人员在决定玻璃结构承载力时缺乏可靠的依据 (3) 点支式玻璃幕墙支承金属结构的轻型化和柔性化研究从目前我国大部分工程实例来看, 支承金属结构多为尺度较大的钢管桁架或刚架结构, 杆件较多且节点复杂, 这与玻璃结构的建筑要求不相协调, 要求通过结构体系的优化设计使其轻型化 近几年柔性支承点支式玻璃幕墙在国外广泛使用, 支承结构采用细小的高强钢索和钢绞线, 并应用预应力技术保证结构的强度和刚度, 使得建筑结构造型更加轻盈 美观 由于柔性结构会产生较大的弹性变形, 玻璃结构在工作状态下呈非线性, 对结构的变形适应能力提出了新的要求, 传统的线弹性分析理论则难以满足结构分析的需要 对于柔性支承的玻璃结构, 往往要求玻璃和金属共同工作, 也需要确定荷载的分布规律 (4) 点支式玻璃建筑构造和建筑物理的研究在点支式玻璃建筑设计时应考虑结构在风压作用下的变形 对雨水和空气的抗渗透 ( 漏 ) 性能, 还要符合保温 隔声 耐撞击性能, 以及防水和避雷要求 对于有框玻璃幕墙, 我国已经有明确的设计要求和检验标准, 但是这些标准对点支式玻璃的适用性还有待于研究 需要研究的主要技术问题点支式玻璃结构是由玻璃 金属连接件 支承结构等多种材料组成的新型建筑结构体系, 需要对各方面问题进行深入研究, 这些研究涉及建筑学 建筑物理 材料学 结构工程 建筑施工 机械制造等不同的研究领域 从目前的应用和发展现状看, 无论是材料的力学物理性能 建筑的物理性能, 还是结构的工作性能 分析设计方法都缺乏全面的了解和认识, 从推动支承玻璃结构的技术进步及制定相应的标准和设计方法需要出发, 应着重对下列及相关问题进行研究 1. 点支承建筑玻璃基本性能研究 1) 钢化与半钢化玻璃的物理力学性能与应用技术 ; 2) 中空玻璃物理力学性能与应用技术 ; 3) 夹胶玻璃物理力学性能及应用技术 ; 4) 夹丝玻璃物理力学性能与应用技术 ; 5) 玻璃物理力学性能测试技术与方法 ; 6) 建筑玻璃自爆与疲劳性能

33 第 1 章点支式玻璃建筑及其研究和应用现状 带孔玻璃板承载性能的计算分析与设计 1) 带孔玻璃板的受力分析与设计 ; 2) 带孔玻璃板的孔边破坏应力分析与控制 ; 3) 带孔玻璃的温度应力场分析与设计 ; 4) 带孔加胶玻璃的力学性能分析与设计 ; 5) 剪力作用下带孔玻璃板的力学性能分析与设计 ; 6) 中空加胶 ( 三层 ) 玻璃板的力学性能分析与设计 3. 金属连接件承载性能的计算分析与设计 1) 新型金属连接件的研制与开发 ; 2) 金属连接件承载性能的评估分析方法 ; 3) 铝合金连接件的承载性能分析与设计 4. 轻细型和柔性支承结构体系的研究与设计 1) 轻细型支承结构体系的承载性能研究 ; 2) 轻细型支承结构的节点性能研究 ; 3) 预应力技术在玻璃建筑支承结构体系中的应用研究 ; 4) 柔性支承体系 ( 含单层索网 ) 的施工技术与预应力控制研究 ; 5) 柔性支承体系 ( 含单层索网 ) 的动力与风振和地震反应研究 5. 玻璃承重结构的计算分析与设计 1) 玻璃承重结构的计算理论 ; 2) 玻璃承重结构的设计方法 ; 3) 玻璃承重结构的安全性和耐久性分析 ; 4) 玻璃承重结构的检测和加固方法 ; 5) 玻璃承重结构的节点连接方法与性能 6. 驳接式玻璃建筑体系的计算分析与设计 1) 驳接式玻璃板的承载性能分析与设计 ; 2) 驳接式金属连接件的承载性能分析与设计 ; 3) 驳接式玻璃建筑的动力性能研究 7. 玻璃建筑中的建筑设计与构造研究 1) 玻璃建筑中的建筑美学研究 ; 科学出版社职教技术出版中心

34 22 点支式玻璃建筑应用技术研究 2) 玻璃建筑中的建筑体系设计理论与方法研究 ; 3) 玻璃建筑中的建筑构造研究 参考文献 [1] 陈神舟, 吕富珣. 国外点式玻璃建筑 [ M ]. 北京 : 中国建筑工业出版社, [2] 吕令毅, 徐宁. 点支式玻璃幕墙的分析 设计 施工 [ M ]. 南京 : 东南大学出版社, [3] 龙文志. 点式建筑幕墙 [J]. 新型建筑材料, 2000(6) :39 唱 42. [4] 罗忆. 点式支承玻璃建筑体系及其工程应用 [J]. 工业建筑, 2000, 30(10) : 1 唱 5. [5] 王元清, 石永久, 李少甫等. 点支式玻璃建筑结构体系及其应用技术研究 [ J ]. 土木工程学报, 2001,34(4) : 1 唱 9. [6] 荆军, 王元清, 石永久等. 点式支承玻璃建筑的轻型与柔性支承结构体系的研究 [J]. 工业建筑, 2000, 30(10) : 18 唱 22. [7] Andreas Klinkenberg. U ntersuchungen zur statisch optimalen halterposition bei unktgeostutzten glastafeln [J]. Stahlbau,1998(4) : 275 唱 280. [8] T hornt on J A. Glass t o wers at the Centro de A rte Reina Sofia, M adrid [C]. Proceedings of the Institu 唱 tion of Civil Engineers, Civil Engineering, 1993(8) : 110 唱 117. [9] Beall Christine. A rchitectural glass primer [J]. Construction Specifier, 1990(4) : 48 唱 55. [10] Ritchie Ian. Const ructing with glass [J]. Stahlbau, 1998(4) : 225 唱 230. [11] Raimund Leh mann. A nslegurg punktgehalterer Glaser [J]. Stahlbau,1998(4) : 284 唱 287. [12] 赵西安. 幕墙工程手册 [ M ]. 北京 : 中国建筑工业出版社, [13] 杜少甫, 陈建东. 玻璃幕墙设计和施工参考资料 [ M ]. 北京 : 建筑幕墙研究委员会,1994. [14] 陈建东. 玻璃幕墙工程技术规范应用手册 [ M ]. 北京 : 中国建筑工业出版社, [15] 张芹. 建筑幕墙与采光顶设计施工手册 [ M ]. 北京 : 中国建筑工业出版社, [16] 童丽萍, 罗英. 中空玻璃幕墙结构的非线性问题研究 [J]. 工业建筑, 2001, 31(10) : 16 唱 18. [17] 童丽萍, 李明. 风荷载作用下玻璃幕墙结构的受力分析与计算 [J]. 工业建筑, 2000, 30(4) : 27 唱 30. [18] 李创第, 李桂青等. 高层建筑玻璃幕墙的风压和风振计算 [ J ]. 南京理工大学学报, 1997, 21 (4) : 370 唱 373. [19] 张其林. 索和膜结构 [ M ]. 上海 : 同济大学出版社, [20] 张其林, 罗晓群等. 幕墙索杆桁架支承体系设计计算中的若干问题研究 [J]. 工业建筑,2002,32(1) : 57 唱 59, 47. [21] 殷永炜, 张其林等. 点支式玻璃结构体系发展概况及技术述评 [J]. 工业建筑 ( 增刊 ),2002 : 165 唱 170. [22] 殷永炜, 张其林, 黄庆文. 点支式中空和夹层玻璃承载性能的试验研究 [ J]. 建筑结构学报,2004,25 (1) :93 唱 98. [23] 殷永炜, 张其林, 王丹等. 点支式幕墙中空玻璃承载性能的理论和试验研究 [J]. 同济大学学报,2005, 33(11) :1433 唱 [24] 吴朋, 张良平等. 玻璃建筑柔性支承结构体系的应用与研究 [J]. 空间结构,2002, 8(2) :31 唱 37. [25] 刘军进, 吕志涛. 预应力索桁架在玻璃幕墙支承体系中的应用 [J]. 建筑结构, 2001,31(6) :59 唱 62. [26] 刘军进, 陈新杰, 孙永新. 点支式玻璃幕墙预应力索桁架结构设计的几个概念 [J]. 工业建筑, 2002, 32(7) : 59 唱 61. [27] 吕子华, 吕令毅. 玻璃幕墙的应用现状与研究方向. 现代土木工程新发展 [ M ]. 南京 : 东南大学, 1998.

35 第 1 章点支式玻璃建筑及其研究和应用现状 23 [28] 冯若强, 武岳, 沈世钊. 考虑玻璃参与工作的单层平面索网幕墙结构静力性能研究 [J]. 建筑结构学报, 2005, 26(4) : 99 唱 105. [29] 冯若强. 点支式玻璃幕墙索支承体系研究及软件开发 [D]. 哈尔滨 : 哈尔滨工业大学, [30] 冯若强, 武岳, 沈世钊. 考虑玻璃参与工作的单层平面索网幕墙结构静力性能研究 [J]. 建筑结构学报, 2005, 26(4) : 99 唱 105. [31] 姚裕昌, 张桂先, 花定兴等. 平面索网点支玻璃幕墙抗风设计原理研究 [ C]. 第四届全国现代结构工程学术研讨会, 工业建筑 ( 增刊 ), 2004, 34 : 534 唱 538. [32] 姚裕昌, 韩平元等. 点式玻璃幕墙预应力索桁架的试验研究 [J]. 建筑技术, 2002, 31(12) :824 唱 825. [33] 罗忆. 点式支承玻璃建筑体系及其工程应用 [J]. 工业建筑, 2000, 30(10) : 1 唱 5. [34] 王德勤等. 预应力索网结构点驳玻璃采光顶施工 [J]. 施工技术, 2001(11) : 9 唱 13. [35] 黄绳. 玻璃幕墙技术及其最新发展 [J]. 新建筑, 1998(4) : 87 唱 89. [36] 马眷荣, 罗忆, 刘忠伟. 建筑玻璃应用技术 [ M ]. 北京 : 化学工业出版社, [37] 刘忠伟. 建筑玻璃热炸裂机理的研究 [J]. 中国建材科技, 1999(1) : 22 唱 24. [38] 赵西安. 点式支承玻璃幕墙设计 [J]. 建筑技术, 1999 (9) :610 唱 613. [39] 靳金. 全玻璃幕墙 [J]. 上海建材, 1998(5) : 15 唱 16. 科学出版社职教技术出版中心

36 第 2 章点支式单层玻璃板的承载性能研究 2.1 带孔玻璃板的孔边破坏强度分析 [1] 对于点式支承玻璃板强度设计, 现行幕墙规程 ( 简称枟规程枠 ) 中给出了一些 限值, 包括大面强度, 以及板的边缘强度 枟规程枠中规定 : 对于厚度为 5 ~ 12mm 的钢化玻璃, 其强度设计值取大面强度 84.0M Pa, 边缘强度 58.8M Pa, 其中边缘强 度的确定是根据现行行业标准 JGJ [2] 对大面强度按 70 % 的系数作折减 以考虑边缘切割和打磨处理对强度的影响 JGJ 是针对框支玻璃的一 个规程, 这里的边缘强度指的也是板边, 却并不一定对孔边也适用 目前, 在点式 玻璃幕墙面板的强度设计中一般只验算大面强度和板边缘强度, 而忽略起关键作 用的孔边应力的校核 这主要有两个原因 : [1,2] 1) 设计中依据的现行规程中没有对孔边强度做明确规定 2) 在不同的荷载情况下, 孔边的应力状态比较复杂, 难以找到统一而又方便 设计使用的公式来计算孔边应力的大小 [3] 大量研究表明, 对于带孔玻璃板的强度问题, 孔边应力的验算至关重要 这 是因为 : 一方面, 玻璃板钻孔形成大量的微裂纹, 造成板的孔边强度下降 ; 另一方 面, 玻璃板受载时会在孔边形成应力集中, 孔边应力复杂而且往往远大于没有开孔 的地方 因此, 不考虑孔边应力的点式玻璃板强度设计方法是不全面的 目前可 图 2 唱 1 圆盘试验模型 采用数值计算的方法来得到孔边应力的 大小及分布, 但在工程实际中, 如何限制 孔边应力的大小, 一直是人们所关心的 问题 确定孔边应力的大小可以通过试 验的方法 为了减少由于受力状况复杂 [3] 和玻璃材料离散性大的影响, 可采用 轴对称圆盘试件进行试验, 如图 2 唱 1 所 示 但对于含有紧固件的玻璃板不可能 直接用应变花测出其孔边的破坏应力 鉴于此, 确定带孔玻璃板破坏时的孔边应 力对于点式支承玻璃板的强度设计具有重要的实际意义

37 第 2 章点支式单层玻璃板的承载性能研究 带孔玻璃板孔边破坏强度的试验研究 1. 试验目的 通过本次带孔圆盘玻璃孔边破坏应力试验, 测量并分析带孔玻璃板破坏时的 孔边应力, 从而得到点支式玻璃板的孔边破坏应力限值 2. 试验模型 [3,4] (1) 加载装置及设备 为了消除各向异性以及玻璃材料本身离散性的影响, 试验采用完全轴对称的 [4] 圆盘玻璃加载模型 为模拟实际的点式玻璃建筑中的孔边应力状态, 将荷载加 在金属连接件上并通过连接件传给玻璃 板 试验装置图如图 2 唱 2 所示 (2) 试件 玻璃试件分为三组, 每组 3 块以减 低试验的随机性及测量带来的误差影 响 点式支承玻璃板与爪件及支承结构 有两种连接方式, 即沉头式和浮头式, 相 应的玻璃板开孔和金属连接件也分为沉 [3] 头与浮头两种 本试验中的试件第 一 二组为浮头式连接, 第三组为沉头式 连接 试件参数如表 2 唱 1 所示 表 2 唱 1 试件类型及参数 图 2 唱 2 试验装置图 1. 支撑钢柱 ;2. 反力钢梁 ;3. 支承台 ;4. 支撑 环 ;5. 玻璃试件 ;6. 金属连接件 ;7. 千斤顶 项目直径 / m m 板厚 / m m 孔径 / m m 连接方式玻璃类型 第一组 第二组 第三组 图 2 唱 3 应变花 浮头式 8 30 浮头式 沉头式 钢化玻璃 试验中布置的应变花如图 2 唱 3 所示, 设 ε1 ε2 ε3 分别为沿 图 2 唱 3 中 三个方向上测出的应变, 则该测点的主应力大小 [5] 及方向可用式 (2 唱 1) 得到 σ 1 2 = E 2 ε1 + ε3 1 - μ ± μ 2(ε1 - ε2 )2 + 2(ε2 - ε3 ) 2 θ= 1 2ε2 - ε1 - ε3 arctan 2 ε1 - ε3 科学出版社职教技术出版中心 (2 唱 1)

38 26 点支式玻璃建筑应用技术研究 (3) 测点布置图 2 唱 4 为圆盘玻璃试件测点布置图 试验中, 给玻璃试件装上匹配孔大小的金属连接件以模拟真实的孔边加载破坏状况, 这样导致很难在孔边放置应变花来直接测出玻璃破坏时孔边的应力大小 因此, 研究思路为 : 在沿圆盘半径的方向上布置三个测点, 通过对这些测点的数据进行曲线拟合来间接地推出玻璃板破坏时的孔边应力 圆盘上均匀地相隔 120 设置一组测点, 这样可得到多组测点, 通过求平均值能减少各种缺陷和误差的影响, 从而得到较为精确的结果 图 2 唱 4 试件模型测点布置图 3. 试验过程及现象试验从开始加载到最后破坏大约持续了十几分钟, 力与应变的关系曲线一直保持线性增长 由于玻璃板和支承环的半径都比较小, 玻璃又是弹性阶段破坏的脆性材料, 所以破坏时板中心的位移非常小 玻璃板的破坏是无征兆的脆性破坏, 裂纹遍布整个玻璃板并大致均匀分布, 破坏后的主要裂纹均匀地从圆心沿半径呈放射状分布, 次要裂纹大致为以板中心为圆心的同心圆 玻璃板大致沿着主要裂纹裂开 这是因为试验体系的轴对称性, 并且从试验现象可以推断一个结论 : 板内垂直于半径方向的正应力要大于沿着半径方向的正应力 实际测出的试验数据也证明了这一点 4. 试验结果及数据表 2 唱 2 列出了试验中采用浮头式连接件的试件上各个测点的应力值 可以看出试验得到的数据未出现很大的离散性 对于每组内各种参数完全相同的玻璃板, 它们的破坏荷载均较接近, 而且根据理论分析得到的各测点的应力值与从试验中测得的应力值也比较接近 试验中得到了 9 条荷载唱应力曲线, 每组 3 条, 分别对应图 2 唱 4 中的 1 点 2 点和 3 点 图 2 唱 5 给出了 YB 唱 1 对应于 1 点的荷载唱应力曲线, 图中近乎完美的直线表明, 钢化玻璃是很好的线弹性材料, 其应力与所施加的荷载呈近似线性关系

39 第 2 章点支式单层玻璃板的承载性能研究 27 表 2 唱 2 试验数据 项目玻璃编号破坏荷载 /k N σ 1 (1 点 )/ M Pa σ 1 (2 点 )/ M Pa σ 1 (3 点 )/ M Pa Y B 唱 第一组 Y B 唱 Y B 唱 Y B 唱 第二组 Y B 唱 Y B 唱 Y B 唱 第三组 Y B 唱 Y B 唱 注 :1. 表中 σ 1 为试件破坏时测点的应力值, 按照式 (2 唱 1) 计算, 取玻璃板上三组数据的平均值 ; 2. 表中的 1 点 2 点 3 点如图 2 唱 3 所示, 对于浮头式连接, 这三点距离圆心分别为 36 m m 51 m m 66 m m ; 对于沉头式连接, 则与圆心距离分别为 28 m m 43 m m 58 m m 带孔玻璃板孔边破坏强度分析 1. 圆盘模型力学解析分析 (1) 计算模型的简化 图 2 唱 5 荷载唱应力曲线 科学出版社职教技术出版中心 模型的计算简图如图 2 唱 6(a) 所示,P 为试验破坏荷载 (kn),a 和 b 分别为圆盘 中心到支座及到紧固件边缘的距离 (mm) 荷载 P 直接作用于金属紧固件上并通 过紧固件作用于玻璃板 考虑未被紧固件覆盖的那部分玻璃板, 一方面受到由于 荷载 P 作用而产生的剪切力 Q, 另一方面由于加载系统的轴对称性, 以及紧固件 对于玻璃板的嵌固作用, 还受到一个弯矩 M 的作用 因此, 可以将原受力模型分 [3] 解成图 2 唱 6(b) (c) 中两种受力状态的叠加 玻璃是很好的线弹性材料, 根据叠 加原理, 只要分别求出两种受力情况下各自的应力分布, 再将两者叠加, 即可得到

40 28 点支式玻璃建筑应用技术研究 实际试件受载时的应力分布 可导 (2) 计算假设 图 2 唱 6 计算模型及其简化 [6] 1) 遵循克希霍夫唱勒夫 (Kirchhoff 唱 Love) 假设 2) 板内沿各坐标轴方向的应力分量连续可导, 因而板内的主应力也连续 3) 玻璃是理想的线弹性材料, 所有力的分量都可由板的挠度 ω 表示, 同时 ω [3] 是圆板半径 r 和角度 θ 的函数 (3) 圆盘模型的理论解 如图 2 唱 6 所示, 采用柱面坐标 ( r,θ,z), 平面极坐标 ( r,θ) 位于板中面内 以中 面挠度 ω( r,θ) 作为基本未知量, 下面分别求对应图 2 唱 6(b) (c) 中的理论解 积分可得 [6 ] 对于图 2 唱 6(b), 有微分平衡方程 d 3 ω d r 3 ω = r C1 r2 4 式中常数可由下面的边界条件确定 : d 2 ω - 1 d ω d r 2 r 2 d r = 0 (2 唱 2) - C2 ln r a + C3 (2 唱 3) ωr = a = 0 Mr = a = 0 Mr = b = M (2 唱 4) 式 (2 唱 4) 中 M 是因为紧固件对玻璃板的嵌固作用而产生的弯矩, 按下式计算 : M = [4] 对于图 2 唱 6(c), 有微分平衡方程 d 3 ω d r r P 2π a ( a - b) (2 唱 5) d 2 ω - 1 d ω d r 2 r 2 d r = Q D (2 唱 6)

41 第 2 章点支式单层玻璃板的承载性能研究 29 积分可得 ω = Pr2 8π D ln r a - 1 式中常数可由下面的边界条件确定 : σr σθ C4 r2-4 ωr = a = 0 Mr = a = 0 Mr = b = 0 根据图 2 唱 6, 将两种情况叠加可最终求得圆盘模型的理论解 = - C1 2 = - C1 2 τrθ = 0 Ez 1 - μ + C2 r 2 Ez 1 - μ - C2 r 2 Ez 1 + μ + Ez 1 - μ Ez 1 + μ + Ez 1 - μ P 4π D ln r a - C4 2 P 4π D ln r a - C4 2 式中 : σr 板内一点沿半径方向的正应力 ; σθ 该点垂直于半径方向的正应力 ; τrθ 该点的剪应力 ; E 杨氏弹性模量 ; μ 泊松比 ; D 板的抗弯刚度 - C5 ln r a + C6 (2 唱 7) + - Ez 1 + μ Ez 1 + μ P 8π D + C5 r 2 P 8π D + C5 r 2 (2 唱 8) (2 唱 9) 因为 τrθ = 0,σr σθ 即为轴对称圆盘玻璃板平面内一点的两个主应力 试验 结果显示, 加载时, 沿玻璃板圆周切向的应变 ε1 始终大于 ε3 所以, 最大主应 力 σ1 = σθ 将 D = 表达式为 σ1 = 3 P π t 2 Et 3 12(1 - μ 2 ),z = - t μ μ 2 - 带入式 (2 唱 9) 可最终得到板上一点的最大主应力 b 2 a( a + b) - b2 (1 + μ) 2( a 2 - b 2 ) ln b a a 2 b 2 ( a 2 - b 2 ) ln b a ab μ ln r ( a + b) 2 a 1 r (2 唱 10) 2 式 (2 唱 10) 表明, 对于某一确定的圆盘试件而言, 其破坏荷载和厚度是确定的常 数, 板内各点的应力只与其到圆板中心的距离 r 有关 对于厚度不同的轴对称圆 板, 板内相同位置处的破坏应力与其破坏荷载 P 成正比, 而与厚度 t 的平方成反 比 这个关系可通过与试验结果的比较分析得以验证 表 2 唱 3 列出了具有不同厚 度的两组试件的试验结果以及 σ1 σ1 P t 2 r 2 值, 表中两组试件在三个测点处的 P t 2 值非常接近, 两者在 r = 51mm 处相差最大, 达到 3.17 % 科学出版社职教技术出版中心

42 30 点支式玻璃建筑应用技术研究 表 2 唱 3 式 (2 唱 10) 的试验验证 组别 破坏荷载 P/k N 厚度 h/ m m 试验结果 σ 1/ M Pa r = 36 m m r = 51 m m r = 66 m m σ 1 / P h 2 r = 36 m m r = 51 m m r = 66 m m 第一组 第二组 式 (2 唱 10) 为理论解析解, 它是遵循前面的计算假设并以未被紧固件垫板覆盖 的那部分玻璃板为研究对象的基础上推导得到的 实际工程中, 金属紧固件与玻 璃板在孔边通过垫圈相互作用并共同承受外力, 孔边的应力状态非常复杂 另外, 紧固件在应用中不加预紧力, 它对板的嵌固作用会比前面计算的小, 沉头式紧固件 的嵌固作用将更小, 这些因素都将使式 (2 唱 9) 不够准确, 因此, 在后面部分将以 式 (2 唱 10) 的形式对试验数据进行拟合, 并结合有限元曲线对圆盘孔边应力分布情 况进行讨论 2. 有限元分析 (1) 有限元建模 在 A N SY S 中建立的有限元模型如图 2 唱 7 所示, 它可分为三个部分 : 圆形玻璃 [1] 板 金属紧固件和垫圈 图 2 唱 7 计算模型及其简化 有限元模型的各种参数由表 2 唱 1 列出, 材料的物理常数如表 2 唱 4 所示 表 2 唱 4 材料的物理常数 材料 弹性模量 / M Pa 泊松比 玻璃 紧固件 垫层

43 第 2 章点支式单层玻璃板的承载性能研究 31 (2) 三种方法计算结果的对比分析 三组试件的有限元计算曲线绘于图 2 唱 8 中 图 2 唱 8 中表明 : 图 2 唱 8 有限元曲线 理论解析解与试验结果的比较 1) 对于浮头式板, 与圆盘中心距离大于 30mm 的点随着距离的减小主应力增 大, 距离小于 30mm 的点出现两种情况 :1 板厚较小时 ( t = 8mm), 板内各点主应 力随距离减小而减小 ;2 板厚较大时 ( t = 12mm), 板内各点主应力随距离减小而 继续增大, 但增速有所降低 上述曲线以紧固件的半径 30mm 为分界点, 说明浮头式紧固件的嵌固作用对 板内应力分布的趋势影响很大 8mm 厚玻璃板的刚度比 12mm 的小, 相对于相同 刚度的紧固件而言, 其刚度比也小, 紧固件的嵌固作用较大, 其最大主应力反而 降低 科学出版社职教技术出版中心

44 32 点支式玻璃建筑应用技术研究 2) 对于沉头式板, 曲线随着测点到圆盘中心的距离的减小而增加, 应力增速在距离为 30mm 时略有降低, 但不明显 这是因为沉头式紧固件对板的嵌固作用减弱, 所以对板内应力走势影响不大 3) 图 2 唱 8 中同时绘出了式 (2 唱 10) 解析解和试验结果的曲线, 通过比较可知, 解析解一般偏大, 而有限元计算结果则偏小 对于第一 二组模型, 远离圆心的地方有限元值较为精确, 随着与圆心距离的减小, 解析解误差较小 对于第三组模型, 解析解的结果与试验数据更为符合, 在孔边附近试验结果更大 3. 孔边破坏应力的确定 (1) 曲线拟合在式 (2 唱 10) 中, 对于确定的玻璃试件, 其破坏荷载和厚度都是常数, 板内某点的应力只与其到圆盘中心的距离 r 有关, 式 (2 唱 10) 中括号内各项合并后剩余 1/ r 2 和 ln( r/ a) 两项 对于本试验试件, 将 a = 92mm 带入式 (2 唱 10), 并将其他常数项合并简化可得 σ1 = A + B/ r 2 + Cln( r/92) (2 唱 11) 式中 : A,B,C 常数 运用式 (2 唱 11) 对表 2 唱 1 中的试验数据进行曲线拟合, 结果列于表 2 唱 5 中 表 2 唱 5 按试验数据拟合得到的孔边破坏应力 组别 式 (2 唱 10) 中各系数值 A B C 最大主应力 / M Pa 孔边 / m m 应力值紧固件边缘 / m m 应力值 建议孔边破坏 应力限值 / M Pa 第一组 r = r = ~ 第二组 r = r = ~ 第三组 r = ~ (2) 带孔玻璃板破坏时的孔边最大主应力 对于玻璃这种典型的脆性材料, 其破坏特征在于几乎所有的玻璃都是由于在 [3] 拉应力作用下的表面裂纹扩展而破坏, 采用 Rankine 准则 ( 最大主应力准则 ) 来 判断玻璃材料的破坏状态, 其破坏准则可表示为 式中 : σ1 最大主应力 ; f t 玻璃的抗拉破坏强度 σ1 = f t (2 唱 12) 根据上面拟合的板内最大主应力分布曲线, 可以通过插值得到每块试验玻璃 板破坏时孔边的最大主应力, 如表 2 唱 5 所示 表 2 唱 5 中的数据表明, 两种连接方式 玻璃板得到的孔边应力的大小相差不大

45 第 2 章点支式单层玻璃板的承载性能研究 33 (3) 孔边破坏应力及其限值 将孔边的位置和紧固件边缘处板上的位置带入拟合好的曲线中可以插值得到 板破坏时孔边及紧固件边缘处玻璃板受拉面的应力值, 如表 2 唱 5 所示 在设计中, 考虑到玻璃材料的离散性比较大, 取安全系数 K = 2.5 ~ 3.0, 对应 的结构破坏概率为 ~ [2], 由于起主要控制作用的风荷载分项安全系 数为 K1 = 1.4, 可得出玻璃分项安全系数 K2 = ~ 2.143, 因此可根据表 2 唱 5 中得到的孔边破坏主应力值, 提出设计时可采用的点式玻璃板的孔边破坏应力建 议限值, 列于表 2 唱 5 中 (4) 算例分析 根据试验结果, 结合两个有限元算例来讨论在玻璃板大面应力或板边应力接 [1] 近枟规程枠规定的极限强度时孔边应力的大小及其安全系数的取值 有限元算例 的各种计算参数参见表 2 唱 6, 所加荷载为垂直于板面的均布荷载 通过在 A NSYS 中建模计算后, 板内各关键控制点的计算结果列于表 2 唱 6 中 算例 板边长 / m m 板厚 / m m 连接方式 表 2 唱 6 算例分析 荷载 /(k N/ m 2 ) 孔边应力 / M Pa 板边应力 / M Pa 大面应力 / M Pa 相应安全 系数 K 算例 浮头式 算例 沉头式 按规范规定, 玻璃板中的应力须满足要求 : 大面强度 84M Pa, 板边强度 58.8M Pa( 安全系数 K = 2.5) 表 2 唱 6 中的计算数据表明, 板边中点和板中心的应 [1] 力均满足设计要求, 板边中点的应力接近枟规程枠中规定的强度 比较计算结果 和表 2 唱 5 中的建议限值可知, 孔边应力一般大于板边应力和大面应力, 而且在一些 情况下 ( 算例 2) 可能成为板破坏的起始点, 因而有必要将孔边应力作为玻璃板强 度设计中的一个关键控制点并确定相应的孔边破坏强度 垫圈对受弯玻璃板孔边应力的影响分析 1. 垫层材料及其作用 垫圈置于金属紧固件和玻璃板之间, 作为紧固件和玻璃板的缓冲层 ( 图 2 唱 9), 起到减小玻璃板边缘局部应力, 使玻璃和金属紧固件紧密结合的作用 同时由于 垫圈和玻璃之间有较大的摩擦系数, 能够防止垫圈和玻璃的相对滑移, 使玻璃板和 紧固件的连接更加牢固 由于金属紧固件分为浮头和沉头两类, 因此垫圈的形状 也有两种, 如图 2 唱 9 所示 目前, 点式支承玻璃结构中的垫圈以塑料材料较多 塑料材料的拉伸模量为 0.2 ~ 35GPa, 泊松比为 0.38 ~ 0.49 [ 7,8] 德国的研究资料表明, 垫圈的厚度通常 科学出版社职教技术出版中心

46 34 点支式玻璃建筑应用技术研究 为 1 ~ 5mm [9 ] 国内目前应用中的垫圈厚度为 1.2 ~ 9mm 图 2 唱 9 垫圈形状 2. 有限元模型的建立 在研究垫圈对带金属紧固件玻璃板承载力的影响时, 为消除玻璃的缺陷随机 性和钻孔随机性对玻璃强度的影响, 须采用圆形玻璃板模型 为消除玻璃中的弯 曲应力作用, 必须采用局部的圆形玻璃板模型, 玻璃板的直径约为孔直径的 [10] 5 倍 下面采用 A N SYS 分析有垫圈的单个浮头紧固件与圆形玻璃板的相互作 用模型 : 紧固件的内轴直径 d1 分别为 20mm 40mm 50mm, 紧固件上下垫板直径 为 70mm, 垫板厚度 5mm, 垫圈厚度 t 分别为 1.2mm 2mm 4mm, 垫圈弹性模量 El 分别为 2.5GPa 5GPa 10GPa, 玻璃板外径 d2 = 250mm, 玻璃板厚度 5mm, 共计算 了 27 组模型, 在各模型中紧固件的端部加上单位集中力 由于各模型的对称性, 只需建立 1/4 模型 ( 图 2 唱 10) 在玻璃板边缘施加固端约束, 在玻璃 垫圈及紧固件 的剖面上施加对称约束 紧固件 垫圈和玻璃板建模采用实体单元 材料性质设 定为 : 紧固件 ( 钢 ) 弹性模量取 N/mm 2, 泊松比取 0.3 ; 玻璃板 ( 普通玻 璃 ) 弹性模量取 N/mm 2, 泊松比取 0.2 ; 垫圈 ( 塑料 ) 弹性模量取 N/mm N/mm N/mm 2 三种模量, 泊松比取塑料材料的中 图 2 唱 10 有垫圈的紧固件和圆盘 状玻璃板的连接模型 (1/4 模型 ) 间值 0.45 紧固件与垫圈粘接 (glue) 考虑垫 层与玻璃板间的接触, 用柔体和柔体的面唱面接 触单元对其进行模拟, 由于垫层弹性模量比玻 璃小, 因此将垫层设定为接触面, 接触单元为 CON T A174 ; 将玻璃板设定为目标面, 目标单元 为 T ARGE170 在生成接触单元对过程中, 考 虑接触面上的摩擦应力, 玻璃和垫层之间的摩 擦系数为 0.4 [11], 紧固件对玻璃板没有预紧力 作用 在接触向导 (contact wizard) 中对照实常

47 第 2 章点支式单层玻璃板的承载性能研究 35 数和单元关键字的说明设定数值 由于研究中建立的模型是最普通的类型, 接触面几何和物理条件与实常数和单元关键字设定说明的比较分析表明实常数和单元关键字均可设定为缺省值 接触算法的缺省值为扩展 Lagrange 法 计算时使用非线性求解器求解, 自动设定时间步长, 考虑大变形 计算结果收敛 3. 带单紧固件和塑料垫层的点支承玻璃模型的受力分析以下主要分析三种参数, 即垫层的厚度 垫层的弹性模量 紧固件内径对模型玻璃孔边应力和承载力的影响 计算结果显示玻璃板的主应力最大值出现在孔边缘 [ 图 2 唱 11(a)], 垫层的 V on Mises 应力最大值出现在垫层与玻璃板咬合的凹角 [ 图 2 唱 11(b)], 紧固件的 V on Mises 应力最大值则出现在紧固件与垫层咬合的凹角 [ 图 2 唱 11(c)] 科学出版社职教技术出版中心 图 2 唱 11 应力最大值等值线图

48 36 点支式玻璃建筑应用技术研究 图 2 唱 11 应力最大值等值线图 ( 续 ) 计算结果表明, 对各种不同的有垫层带金属紧固件模型, 金属紧固件的 V on Mises 应力最大值范围为 ~ 99.27M Pa, 垫层 Von Mises 应力最大值范围为 5.51 ~ 24.31M Pa, 玻璃板孔边缘的主应力最大值范围为 ~ M Pa 金属紧固件 ( 钢 ) 的屈服强度 ( 设计值 ) 为 215M Pa, 垫层 ( 塑料 ) 为 30 ~ 100M Pa, 两者的屈服强度均远高于计算结果, 而玻璃板孔边缘的破坏强度为 19.5M Pa, 与玻璃主应力最大值的计算结果极为相近 因此, 有垫层的带紧固件玻璃板的承载力是由玻璃板的主应力最大值的计算结果控制的 (1) 垫层模量的影响如表 2 唱 7 所示, 当垫层模量增大时,4 个模型的玻璃板中主应力最大值会有所表 2 唱 7 垫层模量变化对玻璃板主应力最大值 σmax (N/mm 2 ) 的影响 内轴直径 垫层厚度 垫层弹性模量 /GPa [( σ max,e1 - σ max,e3 )/ / m m / m m E 1 = 2.5 E 2 = 5 E 3 = 10 σ max,e3 ] 100 % % % % % % % % % %

49 第 2 章点支式单层玻璃板的承载性能研究 37 增大, 但增幅很小 ( - 3 % ~ % ), 均不超过 - 10 % ; 而对其他模型, 玻璃板中主应力最大值都减小, 其中 1 个模型的减幅为 0.7 %, 另 5 个模型的减幅都很大 (27 畅 3 % ~ 45.5 % ), 均超过 25 % 可以看出, 垫层模量对各模型玻璃板主应力最大值影响的总体趋势是 : 垫层模量增大时, 玻璃板主应力最大值减小, 从而使玻璃板的承载力增大 因此, 应用中应在塑料弹性模量范围内选用弹性模量较大的垫层材料 图 2 唱 12 为 9 个计算模型中垫层弹性模量对紧固件 垫层和玻璃板主应力最大值的影响情况 科学出版社职教技术出版中心 图 2 唱 12 垫层弹性模量对紧固件 垫层和玻璃板主应力最大值的影响

50 38 点支式玻璃建筑应用技术研究 图 2 唱 12 垫层弹性模量对紧固件 垫层和玻璃板主应力最大值的影响 ( 续 )

51 第 2 章点支式单层玻璃板的承载性能研究 39 (2) 垫层厚度的影响从表 2 唱 8 中可以看出, 当垫层厚度增大时, 对前 4 个模型, 玻璃板中主应力最大值会有所减小, 但减幅很小 (1.6 % ~ 5.5 % ), 均不超过 10 % ; 对另 5 个模型, 玻璃板中主应力最大值都增大, 其中 3 个模型的增幅为 % ~ %, 不超过 - 10 %, 其他 2 个模型的增幅为 % 和 % 以上分析表明, 垫层厚度对各模型玻璃板主应力最大值影响很小 考虑到经济性, 在应用中应选用较小厚度的垫层, 但考虑到制造上的方便, 垫层厚度应不小于 1mm 图 2 唱 13 为模型中垫层厚度对紧固件 垫层和玻璃板主应力最大值的影响情况 表 2 唱 8 垫层厚度变化对玻璃板主应力最大值 σmax (N/mm 2 ) 的影响 内轴直径 / m m 垫层弹性模量 /G Pa 垫层厚度 / m m t 1 = 1.2 t 2 = 2 t 3 = 4 [( σ max,t1 - σ max,t3 )/ σ max,t3 ] 100 % % % % % % % % % % 科学出版社职教技术出版中心 图 2 唱 13 垫层厚度对紧固件 垫层和玻璃板主应力最大值的影响

52 40 点支式玻璃建筑应用技术研究 图 2 唱 13 垫层厚度对紧固件 垫层和玻璃板主应力最大值的影响 ( 续 )

53 第 2 章点支式单层玻璃板的承载性能研究 41 图 2 唱 13 垫层厚度对紧固件 垫层和玻璃板主应力最大值的影响 ( 续 ) (3) 紧固件内轴直径的影响 从表 2 唱 9 可以看出, 当紧固件内轴直径增大时, 对前 2 个模型, 玻璃板中主应 力最大值会增大, 增幅为 12.3 % 和 13.6 %, 稍超过 + 10 % ; 而对另 7 个模型, 玻璃 板中主应力最大值都减小, 其中 5 个模型的主应力最大值减幅都超过 10 %, 最大 减幅为 30.4 % 因此, 内轴直径对各模型玻璃板主应力最大值影响的总体趋势是 内轴直径增大时, 玻璃板主应力最大值减小, 从而使玻璃板的承载力增大 科学出版社职教技术出版中心

54 42 点支式玻璃建筑应用技术研究 表 2 唱 9 内轴直径变化对玻璃板主应力最大值 σmax (N/mm 2 ) 的影响 垫层厚度 / m m 垫层弹性模量 /G Pa 内轴直径 / m m d 1 = 20 d 2 = 40 d 3 = 50 [( σ max,d1 - σ max,d3 ) /σ max,d3 ] 100 % % % % % % % % % % 在工程中, 为节省材料, 都希望采用内径较小的金属紧固件 如果紧固件内轴直径为 20mm, 则当垫层厚度为 1.2mm 垫层模量为 10GPa 时, 玻璃板的主应力最大值达到较小值 20.24N/mm 2 因此, 当紧固件内轴直径较小时, 应选用厚度较小 模量较大的垫层 图 2 唱 14 为模型中紧固件内轴直径对紧固件 垫层和玻璃板主应力最大值的影响情况 图 2 唱 14 模型内轴直径对紧固件 垫层和玻璃板主应力最大值的影响

55 第 2 章点支式单层玻璃板的承载性能研究 43 科学出版社职教技术出版中心 图 2 唱 14 模型内轴直径对紧固件 垫层和玻璃板主应力最大值的影响 ( 续 )

56 44 点支式玻璃建筑应用技术研究 图 2 唱 14 模型内轴直径对紧固件 垫层和玻璃板主应力最大值的影响 ( 续 ) 2.2 四点支式矩形单层玻璃板受弯承载性能研究 玻璃板受弯承载性能的影响因素分析 在分析影响点式玻璃承载性能的因素中, 通常采用弹性静力计算, 即在计算模 型的表面施加静力, 分析其静力反应, 包括应力和位移分布等 从静力特性上讲, 目前开发的多种点支玻璃幕墙结构, 有以下两方面差异 : 玻 [1] 璃与玻璃支点之间连接情况和玻璃板平面上的孔位 影响玻璃板承载能力的因 素主要有 : 1) 玻璃板和支承点之间的连接情况 铰接释放连接约束, 降低连接处的附加 应力, 相应的玻璃板中心的应力和位移增大 2) 支承点处采用的连接方式 孔边缘的应力集中的大小与所开孔的形状有 关 在沉头方式连接孔中, 在玻璃板厚度方向存在着圆台型的开口, 其棱角对孔边 缘的应力集中有较大影响, 而浮头方式连接应力集中就较为小些 3) 玻璃板连接孔的孔径 孔边缘的集中应力的大小与所开孔的孔径是有关 系的 在沉头方式中, 正面受载时, 玻璃板由连接件下部的圆盘部分承受, 受力面 积大, 应力较小 ; 当反面受载时, 玻璃板由圆台部分承受, 其表面的有效支承面积 小, 应力集中明显 4) 支承点到板边缘的距离 玻璃在荷载作用下将产生大的变形, 是平板点支 承下的大变形问题 由于玻璃板边缘部分的反翘作用, 所以玻璃板中的应力和变 形相对减少

57 第 2 章点支式单层玻璃板的承载性能研究 有限元计算模型 (1) 材料基本性质在弹性分析中, 假定材料都为各向同性, 简化模型采用较为普遍的正方形和长方形, 风压值为 2kN/m 2, 但考虑孔的影响, 孔径为 36mm, 玻璃的厚度采用厚度为 6 ~ 15mm 材料的基本性质如表 2 唱 10 所示 表 2 唱 10 材料的基本性质 材料种类 弹性模量 /( N/ m m 2 ) 强度 /( N/ m m 2 ) 泊松比 钢化玻璃 金属连接件 密封垫层 (2) 单元分析 ANSYS 有限元分析中使用的是实体单元 SOLID92, 该单元为三维实体单元, 每个 单元定义了 8 个节点, 每个节点带 3 个自由度, 包括 2 个位移自由度和 1 个转动自由 度 网格划分时应控制单元边长, 在玻璃开孔处缩小控制尺寸, 以获得较高的精确度 对于不同材料接触面的处理, 可以在工程实际的基础上选择作法, 此处采用了 铰支承的处理形式 计算模型中的材料种类包括玻璃 金属连接件和起缓冲效应 的密封垫层 (3) 模型分析 在多种参数改变时, 建立多个有限元模型 由于计算节点数的限制, 为了简单 表示, 采用了 1/4 对称的手法, 如图 2 唱 15 所示 经过计算, 发现玻璃板中的控制应 力不出现在玻璃板中心和玻璃边缘, 而出现在圆孔边缘附近, 并且板的位移由于约 束的影响有较好的控制 孔边缘应力分布如图 2 唱 16 所示 科学出版社职教技术出版中心 图 2 唱 15 实体单元计算模型 图 2 唱 16 孔边缘应力分布

58 46 点支式玻璃建筑应用技术研究 2. 玻璃孔连接方式对承载性能的影响 玻璃板连接方式通常有两种, 即固接连接和铰接连接 通常情况下, 固接连接 方式可以有效地降低玻璃板中心的位移和应力, 但玻璃孔边缘的应力集中现象较 为明显 ; 而点式玻璃板的控制应力往往出现在孔边缘附近, 所以对玻璃板的整体承 图 2 唱 17 实体单元计算模型 载能力是不利的 铰接连接可以释 放一定约束, 从而达到降低孔边缘集 中应力的效果, 但玻璃板中心和边部 的应力和位移较大 对于同样一块 玻璃板试件, 玻璃尺寸为 2m 2m, 孔 心边距为 340mm, 荷载为 2kN/m 2, 孔径为 36mm, 连接方式采用不同连 接方式时, 其孔边缘最大应力和玻璃 板厚度的影响曲线如图 2 唱 17 所示 该计算结果和国外的一些做过的有限元计算结果是较为接近的 根据日本一 [1] 些研究者的实验表明, 分析的对象为 2m 2m 的玻璃, 风压值为 2kN/m 2, 当采 用球铰支承头时, 玻璃板中最大应力为 45N/mm 2, 孔洞边缘最大应力为 48N/mm 2, 均小于玻璃受弯强度标准值 50N/mm 2, 但如果采用固定支承头, 则孔 洞边缘最大应力高达 141N/mm 2, 远大于其强度标准值, 当然相应的球铰支承的板 面应力稍大, 因端部的约束减小 所以在工程中采用合适的连接方式对降低玻璃 板受力是很重要的 目前在市场上有许多种连接件形式, 较为普遍的是浮头式连 接件和沉头式连接件, 但现在都用铰接方式, 可以在工程中广泛使用, 对提高玻璃 板的承载能力有很大帮助 3. 玻璃板孔径对承载性能的影响 计算表明, 玻璃板中的控制应力出现在玻璃板孔边缘附近 根据材料力学, 孔 边缘的集中应力和孔径是有密切关系的, 所以针对这方面问题, 也做过一些研究, 如对于一块尺寸为 2m 2m 的玻璃板试件, 孔心边距为 340mm, 荷载为 2kN/m 2 对于不同玻璃板厚度, 随着玻璃板孔径逐渐增大, 其孔边缘集中应力变化曲线如图 2 唱 18 所示, 该结果和理论分析较吻合 随着玻璃板孔径的不断增大, 相同的玻璃 板厚度情况下, 孔边缘的集中应力逐渐降低 从工程角度出发, 孔径大会给设计和 施工带来方便, 安全储备大 但随之带来的问题是连接件的制造问题, 以及建筑外 观的整体美感等, 所以实际工程中, 对点式玻璃板中开孔需要考虑多方面的影响, 这里采用目前工程中常用的 36mm 孔径进行以后的有限元理论计算

59 第 2 章点支式单层玻璃板的承载性能研究 47 图 2 唱 18 不同孔径时孔边缘集中应力随玻璃厚度变化示意图 根据计算结果, 针对 8 ~ 15mm 厚的玻璃板, 建议采用孔径为 30 ~ 50mm 比较 合适 为了便于设计人员使用, 孔边集中应力以表格的形式给出, 如表 2 唱 11 所示 表 2 唱 11 不同孔径时孔边缘集中应力随玻璃厚度的变化 玻璃板厚度 / m m 孔径 = 35 m m 应力 /( N/ m m 2 ) 孔径 = 50 m m 孔径 = 80 m m 孔径 = 100 m m 玻璃板孔心边距对承载性能的影响 点式玻璃板的计算方法和四点铰接的普通板的不同之处在于需要考虑支承点 外区域的荷载所引起的反翘效应, 随着玻璃板孔心边距的增大, 带来的反弯矩效应 对玻璃板的中心应力和位移有利, 而且对孔边缘应力集中效应也有所帮助 国外有过这方面研究, 通过大量的计 算表明, 最优孔心边距是边长的 0.17 倍 但这是根据玻璃板受力的角度出发得出的 结果, 而实际工程中还需要考虑随着孔心 边距增大带来的成本的提高, 需在两者之 间寻找结合点 以下研究工作分别针对正方形试件和 长方形试件 正方形试件针对工程一般常用的尺寸 1m 1m ~ 2m 2m ; 长方形试件尺寸为 1m 2m ~ 1.8m 2m, 如图 2 唱 19 所示 科学出版社职教技术出版中心 图 2 唱 19 计算模型示意图 A. 玻璃长边 ;B. 玻璃短边 ;C. 孔心边距 ; 1. 板中心测点 ;2. 板边缘测点 ;3. 孔边缘测点

60 48 点支式玻璃建筑应用技术研究 (1) 正方形玻璃板应力和位移随孔心边距的变化 计算模型共 5 组, 其边长分别为 2000mm 1800mm 1500mm 1200mm 1000mm, 玻璃厚度为 10mm, 孔径为 36mm, 荷载为 2kN/m 2, 以边长 2000mm 为例 ( 图 2 唱 20) 图 2 唱 20 边长为 2000mm 正方形玻璃板应力和位移随孔心边距的变化从图 2 唱 20 中同样可以看出, 正方形玻璃板, 随着孔心边距的增大, 玻璃板中心和板边中心的应力和位移呈现迅速下降的趋势 (2) 长方形玻璃板应力和位移随孔心边距的变化计算模型共 4 组, 其边长分别为 2000mm 1800mm 2000mm 1500mm 2000mm 1200mm 2000mm 1000mm, 玻璃厚度为 10mm, 荷载为 2kN/m 2, 孔径为 36mm, 以边长 2000mm 1800mm 为例 ( 图 2 唱 21) 图 2 唱 21 边长 2000mm 1800mm 长方形玻璃板应力和位移随孔心边距的变化从图 2 唱 21 中同样可以看出, 长方形玻璃板, 随着孔心边距的增大, 玻璃板中心和板边中心的应力和位移同样呈现迅速下降的趋势 5. 孔边缘应力集中对承载性能的影响点式连接的一个重要问题就在于其玻璃板开孔后造成的孔边缘应力集中问题, 而且玻璃属于脆性破坏材料, 孔边缘的细微裂纹对应力的影响很大 对这个问题, 也进行了一定的探讨, 主要为以下两个方面

61 第 2 章点支式单层玻璃板的承载性能研究 49 (1) 正方形玻璃板集中应力和孔心边距的关系 计算模型共 5 组, 其边长分别为 2000mm 1800mm 1500mm 1200mm 1000mm, 玻璃厚度为 10mm, 孔径为 36mm, 荷载为 2kN/m 2 ( 图 2 唱 22) 图 2 唱 22 正方形玻璃板集中应力和孔心边距的关系 (2) 长方形玻璃板集中应力和孔心边距的关系 计算模型共 4 组, 其边长分别为 2000mm 1800mm 2000mm 1500mm 2000mm 1200mm,2000mm 1000mm, 玻璃厚度为 10mm, 孔径为 36mm, 荷载为 2kN/m 2 ( 图 2 唱 23) 科学出版社职教技术出版中心 图 2 唱 23 长方形玻璃板集中应力和孔心边距的关系

62 50 点支式玻璃建筑应用技术研究从图 2 唱 23 中可以得出如下结论 : 1) 对每一组模型, 玻璃板的尺寸相同时, 随着玻璃孔心边距的增大, 玻璃孔附近 玻璃板中心和边缘中心处的应力不断减少, 但孔心边距超过 100mm, 这种应力减缓的趋势变得较为平和 2) 随着玻璃板尺寸的减少, 在相同的孔心边距下, 玻璃孔附近 玻璃板中心和边缘中心处的应力下降的趋势也较为明显 3) 针对常用的 8 ~ 15mm 玻璃厚度, 孔径为 36mm 时, 建议采用孔心边距 100mm 来满足工程设计的要求 随着玻璃厚度和孔径的变化, 孔心边距还可以适当地增加或减少 玻璃板受弯承载性能的试验研究 1. 试验模型试验的 4 组玻璃试件及其连接构件为北京植物园展览温室应用的原型玻璃 将试件按 bl 唱 1 bl 唱 2 bl 唱 3 bl 唱 4 编号 试件尺寸如表 2 唱 12 所示, 荷载为均布, 考虑孔的影响, 孔径为 36mm, 玻璃的厚度 12mm 表 2 唱 12 试件的外形尺寸试件编号长度 / m m 宽度 / m m bl 唱 bl 唱 bl 唱 bl 唱 试验过程 (1) 加载方案由于在玻璃幕墙结构中, 风荷载为控制因素, 所以考虑均布荷载类型 在试验室中采用沙袋来近似模拟, 由于在有限元计算中发现玻璃板的承载能力较高, 完全靠沙袋无法满足破坏的需要, 所以在沙袋达到一定高度后, 采用铅块或者千斤顶按照 45 扩散来加载 为此, 设计了如下的试验加载装置, 可适合进行各种形状和各种厚度 ( 单层 双层 ) 玻璃试件的试验 该装置分别为连接件受压和连接件受拉两种类型 ( 图 2 唱 24 和图 2 唱 25)

63 第 2 章点支式单层玻璃板的承载性能研究 51 图 2 唱 24 连接件受压时试件加载示意图 图 2 唱 25 连接件受拉时试件加载示意图 (2) 试验测量内容在这次点式支承玻璃板承载能力试验中, 主要测试以下几方面的内容 : 1) 玻璃板中心处的应力与位移 2) 玻璃板长边边缘中心处的应力与位移 3) 玻璃孔边缘四个关键点的应力, 如图 2 唱 26 所示 3. 试验结果 (1) 试验现象 图 2 唱 26 孔边缘量测点示意图 在试件 bl 唱 1 的试验中, 玻璃板正面受载 随着荷载的逐渐增加, 各个量测点 的应变值近似地呈现出线性增加, 并且量测的位移也随荷载增加呈现出线性递增 的趋势 在荷载加到 1200kg/m 2 时, 玻璃板的位移已经达到 19mm, 但玻璃板仍然 没有破坏 ; 荷载达到 1300kg/m 2 时, 试件破坏 沉头连接件受拉时则相反, 圆台的玻璃孔边缘的有效支承面积小, 孔边缘的应 力集中会相对严重一点 以 bl 唱 3 为例, 在荷载加到 1000kg/m 2 时, 玻璃板的中心 位移已经达到 17mm, 边缘中心位移达到 18mm, 但玻璃板仍然没有破坏 ; 荷载达 科学出版社职教技术出版中心 到 1615kg/m 2 时, 试件破坏 其他试件加载也出现了类似的大变形结果 (2) 荷载唱位移曲线试验绘制了 4 个试件的荷载唱位移曲线, 如图 2 唱 27 所示, 在这里给出了典型连接件受拉的 bl 曲线

64 52 点支式玻璃建筑应用技术研究 图 2 唱 27 荷载唱挠度曲线由图 2 唱 27 可以看出, 试件在荷载作用下总的变形情况接近于线性变化, 说明玻璃这种材料在荷载作用下仍然属于线弹性材料 (3) 荷载唱应力曲线试验绘制了 4 根试件的荷载唱应力曲线 ( 图 2 唱 28) 图 2 唱 28 荷载唱应力曲线 图 2 唱 29 玻璃孔边缘量测点示意图 由图 2 唱 28 可以看出, 试件在荷载作用下总的变形情况接近于线性变化 (4) 试验值和有限元计算值的比较量测点布置示意图如图 2 唱 29 所示 试件 bl 唱 1 bl 唱 2 板件测点处试验值与有限元值的比较如表 2 唱 13 和表 2 唱 14 所示 从计算结果可以看出, 试

65 第 2 章点支式单层玻璃板的承载性能研究 53 验与有限元结果吻合程度较好 表 2 唱 13 试件 bl 唱 1 的比较 量测点位置量测项目有限元理论计算相对误差 / % 玻璃板中心 长边边缘中心 应力 /( N/ m m 2 ) 74 应力 /( N/ m m 2 ) 位移 / m m 19 位移 / m m 应力 /( N/ m m 2 ) 54 应力 /( N/ m m 2 ) 位移 / m m 18 位移 / m m 孔边缘 1 号位 应力 /( N/ m m 2 ) 40 应力 /( N/ m m 2 ) 孔边缘 2 号位 应力 /( N/ m m 2 ) 39 应力 /( N/ m m 2 ) 孔边缘 3 号位 应力 /( N/ m m 2 ) 33 应力 /( N/ m m 2 ) 孔边缘 4 号位 应力 /( N/ m m 2 ) 34 应力 /( N/ m m 2 ) 表 2 唱 14 试件 bl 唱 2 的比较 量测点位置量测项目有限元理论计算相对误差 / % 玻璃板中心应力 /( N/ m m 2 ) 101 应力 /( N/ m m 2 ) 长边边缘中心应力 /( N/ m m 2 ) 117 应力 /( N/ m m 2 ) 玻璃板受弯承载性能的力学分析 1. 计算假设 以前的研究试验表明 : 玻璃是理想的线弹性材料 所以可以用弹性理论对玻 璃板进行受力分析 对于玻璃板的弯曲问题, 由于玻璃板的尺寸远大于玻璃厚度, 所以采用如下的假设 : 1) 板的中面没有应变, 在弯曲时此面保持中性 2) 板中原来在中平面法线上的各点, 弯曲后仍在中曲面的法线上 3) 板的横向正应力可以不予考虑 基于这些假设, 所有力的分量可由板的挠度 ω 表示, 而 ω 是板平面中两个坐 标的函数 此函数必须满足一线性偏微分方程, 这个方程连同边界条件就能完全 确定 ω 这样, 这个方程的解, 对计算板中任一点的应力和变形就提供了所需要的 [6] 条件 2. 板的微分方程 科学出版社职教技术出版中心 假设作用在板上的荷载 q 与板面垂直, 而且板在边界上是自由的, 板由四个角 点处铰接支承 将坐标轴 x y 取在板的中平面内, 并设 z 轴垂直于此面,

66 54 点支式玻璃建筑应用技术研究 图 2 唱 30 四点支承板示意图 如图 2 唱 30 所示 对于承受均布荷载作用的板的弯曲 [6 ] 问题, 其微分方程为 4 4 矪 ω 矪 ω 矪 x 4 矪 x 2 矪 y 2 式中 : D 板的抗弯刚度 考虑到四点支承板的边界上的特点, 可给出它的边界条件 : 4 矪 ω = q 矪 y 4 D (2 唱 13) ( M x ) x = 0.5 a = 0 (2 唱 14) ( Mx y ) x = 0.5 a = 0 (2 唱 15) ( Qx ) x = 0.5 a = 0 (2 唱 16) 这三个边界条件中, 扭矩 M xy 和剪力 Q x 也可以用一个边界条件来代替, 即 3 3 矪 ω 矪 ω + (2 - ν) 矪 x 3 矪 x 矪 y 2 自由边上弯矩等于零的条件用方程表示为 3. 挠度方程 将挠度方程写成 ω = 2 2 矪 ω 矪 ω + ν 矪 x 2 矪 y 2 x = 0.5 a x = 0.5 a = 0 (2 唱 17) = 0 (2 唱 18) q 768 D [(16 x4-24 a 2 x a 4 ) + (16 y 4-24 b 2 y b 2 )] + + nπ y nπ x An cosh cos + a a nπ y nπ x Cn ysinh cos + a a 式中 : An,Bn,Cn,Dn 常数,n = 1,3,5, 这样就使板的微分方程及对称条件得到满足 nπ x nπ y Bn cosh cos b b nπ x nπ y Dn xsinh cos b b (2 唱 19) 然后对于 x = 0.5 a 和 y = 0.5 b 应用式 (2 唱 17) 式 (2 唱 18) 的边界条件, 就能得到 决定式 (2 唱 19) 中常数 An Bn Cn Dn 的方程组 由于 cosh 和 sinh 函数的收敛性很 好, 所以在这里, 可简单地近似取 n = 1 4. 四点支承板理论解 对于玻璃材料, 其弹性模量 E = N/mm 2 将其带入方程 (2 唱 19) 中, 并利用 x = 0.5 a 和 y = 0.5 b 应用式 (2 唱 17) 式 (2 唱 18) 的边界条件, 可以得到线性方 程组

67 第 2 章点支式单层玻璃板的承载性能研究 q 16 D b cosh π a 2 b qa 4 D + ( ) π a + + 2cosh π a 2 b 3 A1 ( acosh π a 2 b π b π b + ( )sinh π a 2 b π b q 16 D a cosh π b 2 a qa 4 D + ( ) π b + + 2cosh π b 2 a 3 B1 ( bcosh π b 2 a 3 2 B asinh π a 2 b D1 = 0 (2 唱 20) sinh π a 2 b π a 2 π b 3 π b π b B A bsinh π b 2 a 2 π a 2 C1 D1 = 0 (2 唱 21) π a C1 = 0 (2 唱 22) + ( )sinh π b 2 a π a sinh π b 2 a π a 3 π a π a A π b 2 D1 C1 = 0 (2 唱 23) 所以根据边长 a/ b 的比值不同, 可得出挠度方程的各组常数 ( 表 2 唱 15) 表 2 唱 15 挠度方程常数 边长比值 A 1 B 1 C 1 D 将 A1 B1 C1 D1 代入式 (2 唱 19), 可推导出简单的四点简支的四边形玻璃板的 挠度表达式, 它是一个关于荷载 q 板柱面刚度 D 和玻璃板尺寸 a b 的函数 根据弯矩和挠度的关系 M x M y = - D = - D 2 2 矪 ω 矪 ω + ν 矪 x 2 矪 y (2 唱 24) 矪 ω 矪 ω + ν 矪 y 2 矪 x (2 唱 25) 2 可以求出四点支承的矩形板不同 b/ a 时的挠度和弯矩, 如表 2 唱 16 所示 科学出版社职教技术出版中心

68 56 点支式玻璃建筑应用技术研究 表 2 唱 16 四点支承的方形板的挠度与弯矩 ( 泊松比 = 0.22) 边长比值 b/ a 板中心 ( x = 0 ;y = 0) ω 0 = α 1 ( qa 4 / D) M 0 = β 1( qa 2 ) 板长边中点 ( x = 0 ;y = b/2) ω 0 = α 2 ( qa 4 / D) M 0 = β 2( qa 2 ) 反翘效应由于最小孔心边距的影响, 所以在点式支承玻璃结构中, 均布荷载在支承点以外还有一定的面积, 它对板中心和边缘的应力和挠度肯定会产生影响 为了定量地表示它的影响, 可以考虑把板分为两类 1) 当边长比值 b/ a < 0.5 时, 可以把板简单的考虑成单向受力, 从而利用图 2 唱 31 所示的最理想的简支梁模型, 通过梁的受力反翘来评价板的受力反翘作用, 根据弹性力学的基本理论得出梁在前后两种支承方式下的最大弯矩和挠度 图 2 唱 31 简支梁受力反翘 1 支承点在两端简支 M = 1 8 ql2 (2 唱 26) 2 支承点向内偏移 ( k = e/ L) Δ = 5 ql EI (2 唱 27) Δ = ql4 EI M = 1 8 ql2 (1-4 k) (2 唱 28) (1-2 k) (1-2 k)2 k 2 (2 唱 29)

69 第 2 章点支式单层玻璃板的承载性能研究 57 2) 当边长比值 b/ a 0.5 时, 可以把板分为两种作用的叠加, 即如图 2 唱 32 所示 的 1 区典型四点简支 + 2 区和 3 区分别在 x 方 向和 y 方向的单向反翘共同作用, 这样就可以 根据现有的公式来推导板在双向反翘作用下应 力减少的问题 利用得到的简单计算公式, 可用来计算四 点简支玻璃板的中心应力 位移和长边中心应 力与位移 计算公式为 M = K1 M0,ω = K2 ω0 图 2 唱 32 双向板受力分区图 其中,M0 ω 0 为表 2 唱 16 中弯矩和挠度的结果 ;K1 K2 为考虑支承点内移后的弯矩 折减系数和挠度折减系数, 由式 (2 唱 26) 式 (2 唱 27) 式 (2 唱 28) 和式 (2 唱 29) 相除得到 1 当边长比值 b/ a < 0.5 时 K1 = 1-4 k (2 唱 30) K2 = (1-2 k) 4-4.8(1-2 k) 2 k 2 (2 唱 31) 2 当边长比值 b/ a 0.5 时,1 区典型四点简支对玻璃板的受力起到决定性的 作用 2 区和 3 区的影响相对较小, 可以得出一个在标准四点支承基础上的支承 点内移的玻璃板受力情况 反翘系数同样按照式 (2 唱 30) 式 (2 唱 31) 计算 6. 结果比较分析 为了验证公式的正确性, 采用有限元的方法进行了大量计算 模型单元类型 为三维实体单元, 形状类似正四面体, 适合用于不规则网格划分 网格划分时应控 [10] 制单元边长, 在玻璃开孔处缩小控制尺寸, 以获得较高的精确度 目前国内的点式支承玻璃支承技术中, 四点支承形式采用的较多, 常用玻璃厚 度有 8mm 10mm 12mm 玻璃板的尺寸为 1.0 ~ 2.5m, 所以简化模型采用较为普 遍的正方形和长方形 下面以边长 2m 1.2m, 孔心边距 100mm 为例, 对用上述解析公式和有限元 两种方法算得的结果进行比较 1) 玻璃板中心的应力与位移, 如图 2 唱 33 所示 科学出版社职教技术出版中心 图 2 唱 33 2m 1.2m 玻璃板中心应力和位移与厚度关系示意图

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