支式结构的中空及夹层玻璃设计方法研究

1、点支式结构的中空及夹层玻璃设计方法研究来源:* 作者:马 赢 石永久 王元清 日期:2005-6-13页面功能 【字体：大 中 小】 【打印】 【关闭】     摘要:现行点支式玻璃幕墙规程规定,对于双层中空及夹层玻璃的位移、应力采用等效厚度法计算。通过分析，研究计算方法存在的问题，从中空及夹层玻璃板的承载特点出发，结合试验与数值计算的结果，给出了点支式中空及夹层玻璃板在垂直荷载作用下的应力、挠度的计算方法。该法简便易行，且计算结果与试验结果非常接近。    关键词：点支式玻璃幕墙；中空玻璃；夹层玻璃 &

2、#160;  前言    点支式玻璃幕墙建筑体系是刚金属连接件勺紧固件将建筑玻璃与金属(或玻璃)支撑结构连接成整体的新型组合式建筑结构形式(1)。现行点支式玻璃幕墙下程技术规程规定分别使用下列（1）、（2）式汁算点支单层玻璃在垂直荷载作用下，长边边缘巾点应力勺板心挠度（2）。    由于建筑功能的特殊需要，近年来点支式中空与夹层玻璃得到了越来越广泛的应用。对于中空与夹层玻璃应力与位移的计算，现行规程规定：咐于中空玻璃与夹层玻璃，按行业标准JGJ 102玻璃幕墙下程技术规范的规定取值2。”而玻璃幕

3、墙工程技术规范中则规定：”中空玻璃的厚度取单片外侧玻璃厚度的1.2倍；夹层玻璃的厚度取单片玻璃厚度的125倍3”。这种等效厚度的算法与取法是否适用于点支式中空与夹层玻璃板，值得商榷。    清华大学玻璃与金属结构研究所于2(KK)年进行了点支式中空玻璃在垂直荷载下的承载性能试验，同济大学的殷永炜、张其林教授等也于近期完成了点支式中空与夹层玻璃的承载性能试验。本文通过对试验、数值计算的结果进行比较分析，将中空及夹层玻璃的设汁方法有效的建方正单层玻璃的设计方法之上，这样有利于形成统一而又简洁的设计体系。    1、中空

4、玻璃板的承载计算    1.1  承载特点    中空玻璃一般是在2片玻璃之间设有一干燥空气层或惰性气体层，常在对保温隔热有较高要求的建筑物中使用。    一般认为中空玻璃承受垂直荷载时内、外片变形不协调，直接承载的外片变形要大些闽。同济大学完成的点支式中空玻璃承载性能试验，其结果验证了上述观点。    该试验测量中空玻璃板承受垂直板面均布荷载时的挠度与应力。试件为2块1000 mm*1000 mm的中空玻璃板(A、

5、B试件)，内外片均厚6 mm，中空层厚9 mm，孔心边距100 mm。表1列出了试件承载时的位移。     注：绝对位移为内外片绝对位移的平均值。    从表量看出，直接承载的外片产生了较大的位移，且内、外片的位移差随荷载增加有增大的趋势。但同时可以看到，内、外片玻璃的位移差，相对于玻璃的绝对位移量要小，且两者之比随着荷载增加呈减小的趋势。故在进行点支式中空玻璃板的工程计算时，可设内、外片玻璃的变形一致。    同时考虑到，气体层并不能阻止内、外片玻璃在面内的相对滑移，即不提

6、供面内抗剪的作用。但是，气体可以向任何方向传递压强，而内、外片玻璃的横向受力面积基本上是相等的，故可认为外来横向荷载被分为2部分。一部分直接由外片承担，另一部分由气体层传递到内片上，如图量所问方向传递压强，而内、外片玻璃的横向受力面积基本上是相等的，故可认为外来横向荷载被分为2部分。一部分直接由外片承担，  另一部分由气体层传递到内片卜，如图1所示。    1.2  试验与计算结果    按(5)式将外荷载分配到双层点支式中空玻璃板的内、外片上后，即可以使用重(1)、(2)式

7、分别计算内、外片的变形与应力。本文将这种计算方法称为刚度分配法。     表2、表3列出了同济大学试验结果与刚度分配法、现有规程所采用的等效厚度法的计算结果。    表2、表3中的计算结果与试验结果都比较接近，等效厚度算法的计算结果要保守一些。但应注意，该试验中内、外片玻璃等厚，为验证以上算法是否适用于内、外片不等厚的情况，可刚清华大学相关试验的数据加以验证。    清华大学玻璃勺金属结构研究所进行的点支式中空玻璃承载试验，试件为2000mmxl600mm的玻璃板，外片厚12

8、 mm，内片厚8mm，中空层厚12 mm，孔心边野120nm。试验加载装置如图2所示。为模拟实际情况，试验中将紧固件底部连接住加载架上。试验采用堆装沙袋模拟均布荷载加载，由于仪依靠沙袋加载无法达到破坏荷载，故当沙袋堆积到一定高度后，将千斤顶作刚于沙袋顶部按45度扩散角进行加载。因为连接件的端部固定于横梁卜，连接件处于受拉状态。由试验测出的板心位移与计算结果的对比见图3。    图3  内、外片不等厚中空玻璃的板心位移    图3显示，刚度分配法的计算结果与试验结果很接近。而等效厚度算法的结果远小

9、于试验数据。从同济大学(内、外片等厚)试验看，取等效厚度的方法偏于保守，而从清华大学(外片厚度较大)试验看，该方法又过高估计了玻璃板的抗弯刚度。    1.3  结果分析    从内、外片等厚的试验中可得：         2  夹层玻璃板的承载计算    2.1  承载特点    夹层玻璃是在2层

10、玻璃之间夹入聚乙烯缩丁醛PVB)胶片，这样玻璃破碎时仍会与PVB胶片粘在一起，可有效的避免玻璃碎落造成的人员伤害及其他损失。与中空玻璃的气体层不同，夹层玻璃的夹胶层能够很大程度的限制内、外片玻璃的面内相对滑移如图4)，所以夹层玻璃的抗弯能力要比几何尺寸相同的中空玻璃高。    同济大学完成的夹层玻璃抗弯试验中，试件为1000mm*I000mm方板，孔心边距100mm，内、外片玻璃厚度均为6 mm，PVB胶层为114mm厚。试验分别测定了试件在    从试验结果发现，夹层玻璃试件的中心位移随着加载时间的增加而逐渐增大

11、，但是位移在增大到一定值后，逐渐平稳。而边缘中点的应力随着时间的增加逐渐增大，在增大到一定值后又开始缓慢下降，逐渐又回到原来的应力值左右。    为比较研究夹层玻璃的承载特点，本文采用下列计算方法与试验结果进行对比：    1)现行规程使刚的等效厚度的算法：    2)刚度分配法。即忽略夹胶层的面内抗剪作用，认为PVb夹胶层与中空玻璃的气体层一样，完全不能阻止内外片在面内的相对滑移，这当然是一种保守的假设：    3)采用大犁综合有限元

12、程序ANSYS的夹层板壳单元进行计算，该有限元模型假设各层间相对的滑移完全被限制，这利3算法又过高的估汁了夹胶层的面内抗剪能力。    上述各计算方法的计算值与短期、长期加载的实测结果分别见图5、图6。图5 夹层玻璃中心位移实验与结果计算图6 夹层玻璃长边中点应力实验与计算结果    从图5、图6可以看出，对于内、外片等厚的夹层玻璃来说，特别是在应力计算方面，现行规程所采用的等效厚度的算法过于保守。    通过与中空玻璃进行类比，不难推测，对于外片厚度较内片大的夹层玻璃，使用

13、等效厚度方法进行计算同样有可能过高的估计夹层玻璃的抗弯刚度，从而得到较实际情况小的结果。    22  结果分析    对比夹层玻璃试验的短期与长期测值后可发现，夹层玻璃的承载性能很大程度上取决于夹胶层的性质。由位移测值看，位移的短期测值处于刚度分配法与无层间位移计算值之间，这说明夹胶层能够限制，却又无法完全地限制内、外片玻璃之间的相对滑移。    另一方面，位移的长期测值与刚度分配法的计算结果十分接近，说明在长期荷载的作用下，夹胶层对于层间滑移的限制能力

14、在减弱。这可能由以下原因引起：    1)随着荷载的长期作用，夹胶层的粘结能力下降，层间的相对滑移进一步增长；    2)在荷载的长期作用下，夹胶层产生了徐变。    试验加载至100d左右，试件中心位移值即停止明显的增长，此时的位移值应具有实际的参考价值。而上面已经提及，该值与按刚度分配荷载的试验结果已较为接近。    3  设计方法寸论    根据本文的试验与分析计算，对于

15、4点支承的中空玻璃，按照刚度分配外荷载的方法能得到与试验吻合的结果：对于4点支承的夹层玻璃，在相同条件下承载能力高于中空玻璃，但长期承载后的位移和应力与按刚度分配外荷的计算结果较为接近。    鉴于以上分析，本文建议在进行设计时，对于中空及夹层玻璃，首先统一按照6)式将外荷载分配到内、外片上。   4.结 论    1)现行的点支式玻璃幕墙技术规程沿用了按照外片取用等效厚度的算法，对点支式中空、夹层玻璃进行计算。对于内、外片等厚的玻璃，该方法显得较保守：对于外片厚度较内片大的情况，该方

16、法可能过高地估计玻璃板的抗弯刚度，从而得到偏小的计算结果。    2)在工程计算中，中空玻璃承受垂直荷载时的内、外片位移差可以忽略。中空玻璃的气体层不能限制内、外片在面内的相对滑移，但能够传递压强，达到把外荷载按照刚度分配到内、外片上的效果。本文刚度分配法得到的结果与试验的结果十分接近。    B)夹层玻璃的承载特点很大程度上取决于夹胶层的性质。同济大学的相关试验表明，在长期荷载作用下，试件的位移与应力都有一定程度的发展，位移、应力的长期测值已经接近于刚度分配法的计算结果。    4)经分析、计算和比较，本文提出了点支式中空、夹层玻璃的承载力和变形计算方法，该法简便易行，且与现行规程中对于单层玻璃的计算方法保持一体。    参考文献：    1)  王元清，石永久，李少甫，徐悦，荆军点支式玻璃建筑结构体系及其应用技术研究土木工程学报，2001.4    2)  CECS127：2001点支式玻璃幕墙工程技术规程北京：中国工程建设标准化协会，2001