浅析建筑幕墙中的点支式玻璃幕墙结构设计实例

摘要：玻璃幕墙是集防风挡雨、隔热保温、降低噪音、良好采光等多种功能于一体的建筑护装饰装修形式。现在各类高层和公共建筑上经常采用大面积玻璃板块来装饰其外立面，使建筑物外型别具一格，光亮明快。作为后起之秀的点支式玻璃幕墙，更是以高通透性和绝佳视野效果等独特的特点从玻璃幕墙中脱颖而出。本文通过结合实例工程，简要分析了建筑幕墙中的点支式玻璃幕墙结构设计。

关键词：建筑幕墙；点支式玻璃幕墙；结构设计

Abstract: the glass curtain wall is the collection the vestibule rain, heat preservation, low noise, good daylighting and other functions in one of the building outside the decoration form. Now all kinds of top and public buildings often use glass plate on large area to decorate the outside elevation, make building exterior having a unique style, light and lively. As a type of promising young point glass curtain wall, but also by the high permeability and perfect vision effect, and other unique characteristics from the glass curtain wall to the fore. This article through engineering examples, this article briefly analyzes the construction curtain wall point supported type glass curtain wall structure design.

Key words: the construction curtain wall; Point supported type glass curtain wall; Structure design

中图分类号：TU318 文献标识码：A文章编号：

引言

点支式玻璃幕墙的全称为金属支承结构点支式玻璃幕墙。点支式玻璃幕墙以其视觉通透、结构新颖、传力可靠、安全耐用等优良特性，近年来从建筑幕墙中脱颖而出，倍受建筑设计师们的青睐。点支式玻璃幕墙充分展示出玻璃清澈透明和不锈钢爪件沉稳的银色金属光泽的魅力，给人们留下无限美好的遐想和深远幻觉；它不仅能与周围环境有机融为一体，而且能使幕墙内外尽情交流，更加贴进自然。

一、工程概况与设计参数取值

1.1 工程概况与设计参数取值

本项目为某酒店改扩建工程，主楼地下1 层，地上8 层，框支剪力墙结构。现改扩建的餐厅外墙为点支式玻璃幕墙，竖向玻璃（10+1.52+10mm）肋高4.0～5.2 m，肋宽250～300mm, 水平玻璃（10+1.52+10mm）肋宽398mm，每块玻璃（8+1.52+8mm）面板和水平肋两端均采用2个316 不锈钢驳接件点支承于竖向肋，计算点标高10.000m。场地类别Ⅲ类，地面粗糙度B 类，基本风压值0.8kN / m2，7度抗震，8 度抗震构造设防，地震加速度0.2g,水平地震影响系数0.12。

1.2 点支式玻璃幕墙支承系统结构计算单元简图（详见图1～图3）

图1 计算单元立面图图2 1-1 剖面图

图3 2-2 剖面图

二、全玻支承系统计算公式的适用范围

玻璃幕墙玻璃肋截面高度和挠度计算。

（1）根据玻璃幕墙规范[1]提供的公式。

hr=(3w h2/4fgt)0.5(单肋)

df=5wkIh4/32Ethr3

式中参数意义见规范。

（2）公式推导。

根据材料力学[3]提供的公式：

бmax =M/Wx=(1/8wIh2)/(1/6thr2) fg

则：hr=(3w h2/4fgt)0.5

df=5wkI h4/384EI=5wkIh4/384E(1/12)thr3

即：df=5wkI h4/32Ethr3

式中：бmax 为最大拉（压）应力，M为横截面上的弯矩，Wx为抗弯截面系数；EI 为抗弯刚度。

可见，规范中全玻支承系统玻璃肋的截面高度和挠度估算公式计算仅适用于玻璃肋板两端为铰支，受均布荷载作用，截面限于距形或方形。不适用于受集中荷载作用，且未考虑荷载作用时幕墙支承系统构件截面强度。

本工程点支式玻璃幕墙支承系统，其竖向肋点支承系统横向受集中荷载作用，水平全玻支承系统横向受均布荷载作用（与面板采用硅酮结构胶连接；一般采用硅酮建筑密封胶即可，不考虑荷载作用），故该支承系统设计不全适用于规范中提供的计算公式。

三、点支式玻璃幕墙支承系统结构设计

3.1 水平肋支承系统计算分析

本工程为了分隔水平空间，增加立体美观，增设水平肋板，肋总宽度为398mm，凸出室外玻璃面板100mm，两端与竖向肋点支承采用不锈钢驳接件连接，与面板采用硅酮结构胶连接，考虑抗震时受轴向力影响，且受均布荷载作用。采用线性小挠度理论计算支承系统结构的内力和位移，此时水平玻璃肋力学计算模型可简化为两端铰支的纵横弯曲构件，见图4。

图4 计算简图

（1）水平玻璃肋截面高度验算与荷载计算。

根据文献[1]提供的公式计算得：

hr=134.8mm＜398mm

故水平玻璃肋的截面高度满足要求。

S=rGsGK+ WrWsWK+ ErEsEK=0.00238Mpa

PE=rE EamaxGK=1507.2N,PEK=1159.5N

式中参数意义见规范。

（2）水平玻璃肋强度验算。

玻璃肋为脆性材料，不同于金属材料，不考虑材料截面塑性发展系数，该结构的力学计算模型为两端铰支的纵横弯曲构件，根据文献[3]提供的公式：

Mmax=1/8qI2+(5 qI4/384EIx)×[PE/(1-PE/Pcr)]

=(1/8) ×0.00238×1100×27502+(5×0.00238×1100×27504/384×

72000×99820921) ×[1507.2/(1-1507.2/7873554.8)]

=2475237N mm

бmax=PE/A+Mmax/Wx fg

即：1507.2、19×398+2475237/[1/6×19×3982]

=5.1Mpa＜50.4 Mpa

故幕墙水平玻璃肋强度满足要求。

式中：Mmax为横截面上的最大弯矩；q 为均布荷载；P 为压杆轴向压力；pcr 为压杆临界力。

由于MO=1/8qI2=2474828.1N mm≈2475237N mm，即MO≈Mmax。可见玻璃幕墙面板薄，自重较轻，跨度较小，水平全玻支承系统轴向受地震荷载作用影响较小，忽略不计，可按规范全玻支承系统进行估算，满足工程精度要求。

（3）幕墙水平玻璃肋的挠度计算。

根据文献[1]提供的公式计算得：

df=0.25mm＜I/200=13.8mm

幕墙水平玻璃肋的挠度满足要求。为防玻璃自爆破坏，水平玻璃肋应采用夹胶玻璃。

3.2 竖向玻璃肋力学建模分析

（1）由于水平肋用来分隔空间，当使用硅酮建筑密封胶与面板连接，玻璃面板与竖向肋采用不锈钢驳接件连接,面板荷载作用通过不锈钢驳接件传到竖向肋板。竖向玻璃肋计算模型可简化为两端简支的纵横弯曲构件，见图5。

图5 计算简图

（2）当玻璃面板采用硅酮结构胶与水平肋板连接,水平肋板与竖向肋采用不锈钢驳接件连接，面板荷载作用直接传到水平肋板，再由水平肋板传到竖向肋板（因水平肋受荷平面内变形远比玻璃面板受荷平面内变形小，此时不锈钢驳接件传递荷载小，可忽略其影响）。故竖向玻璃肋计算模型可简化为两端简支的纵横弯曲构件，见图6。

图6 计算简图

分析表明：①由于水平肋板的存在，不仅可使面板变形减小，而且使竖向肋板的平面外计算长度变小，增强肋板平面外的稳定性，加强支承系统的可靠性，即形成横向和竖向框架结构。②采用硅酮结构胶或硅酮建筑密封胶对面板传递荷载路径不同，对幕墙点支承系统结构的力学计算模型分析不同，对竖向肋承载力的计算结果差异不大。即采用计算模型图5时，可偏安全地简化为计算模型图6（即两两集中荷载等效为一集中荷载）。

四、点支承竖向玻璃肋结构计算

本工程实例采用硅酮结构胶与面板连接，即计算模型见图6，为简化计算，不考虑面板对竖向玻璃肋的约束作用。

4.1 竖向玻璃肋受水平方向集中荷载作用

根据文献[1，2]提供的公式计算得：

PK1=965.8N,P1=1472.8N

PK2=2400.8N, P2=3682.8N, P=5591N

4.2 竖向玻璃肋的强度计算

4.2.1 平面内强度及挠度计算

（1）内力计算及挠度计算。

竖向玻璃肋计算模型可简化为两端铰支的纵横弯曲构件，见图5，忽略P对竖向玻璃肋偏心的有利影响。根据文献[3]提供的公式：

Mmax=MO+PfO[1/(1-p/pcr)]

式中：M0和f0分别为P=0时横向力所引起的梁跨中截

面的弯矩和挠度。

根据结构静力计算手册[4]提供的公式：

①内力计算。

MO=[(n2+1)/(8n)]P4I

=[(52+1)/(8×5)]×3682.8×5200＝12447864N mm

②挠度计算。

fO=(5n4+2n2+1)/(384n3EI) P4I3

=[(5×54+2×52+1)/(384×53×72000×45000000)] ×2400.8×52003

=7.0mm＜I/200=26mm

即竖向玻璃肋最大的挠度值满足要求。

式中: n 为集中荷载个数。

Pcr= 2EIx/I2=1181401.8N

Mmax=12447864+5591×7×[1/(1-5591/1181401.8)]

=12487187N mm

（2）强度计算。

根据文献[3]提供的公式：

бmax=P/A+MO/Wx+Pfo[1/(1-p/pcr)]/Wx

即，P/A+ Mmax/Wx fg

5591/300×20+12487187/300000

=42.6MPa＜58.8MPa

竖向玻璃肋的强度满足要求。

由于(Mmax-M0)/ M0=0.3%

4.2.2 平面外强度及挠度计算

由于水平玻璃肋将竖向面板和竖向玻璃肋分隔成一个个小单元空间，从而加强面板和竖向玻璃肋平面外的侧向支承，提高平面外的刚度。当面板玻璃采用硅酮结构胶与水平肋板连接, 则平行于玻璃幕墙的集中水平地震作用可分解为与水平玻璃面板相对应的多个集中水平力（最不利情况），此时每片水平玻璃肋简化为两端铰接的连杆，竖向玻璃肋平面外的计算模型可简化为两端简支的连续受弯梁，见图7。当面板采用硅酮建筑密封胶与面板连接，则地震作用可分解为与不锈钢驳接件相对应的多个集中水平力，图示略，为简化计算，可偏安全同图7计算模型。

图7 计算简图

同理，忽略P对竖向玻璃肋的影响。根据文献[4]提供的公式计算得：

（1）玻璃面板采用硅酮结构胶与水平肋板连接时

Mmax=111927N mm,бmax=5.6MPa＜84MPa

fmax=0.5mm＜5.5mm

（2）玻璃面板采用硅酮建筑密封胶与面板连接时

Mmax=99530N mm,бmax=5.0MPa＜84MPa

fmax=0.5mm＜5.5mm

故竖向玻璃肋平面外的内力及挠度均满足要求。同样也说明采用硅酮结构胶或硅酮建筑密封胶对幕墙点支承系统结构的力学计算模型分析不同，对竖向肋受荷计算结果差异不大。

4.3 未设置水平玻璃肋支承时竖向玻璃肋校核

（1）平面内强度及挠度计算。

竖向玻璃肋未设置水平玻璃肋支承时，水平玻璃面板两端采用不锈钢驳接件连接，其力学计算模型可简化为两端简支的纵横弯曲构件，见图5。同上述平面内计算结果，均满足要求。

（2) 平面外强度及挠度计算

由于水平玻璃面板两端通过采用不锈钢驳接件连接，水平玻璃面板把竖向分隔成一个个小单元空间，则平行于玻璃幕墙的集中水平地震作用可分解为与不锈钢驳接件相对应的多个集中水平力。此时由于未设置水平玻璃肋，水平玻璃面板对竖向玻璃肋的约束作用较小，则根据文献[5]知，每片水平玻璃面板可简化为弹性支座，竖向玻璃肋平面外的计算模型可简化为两端简支的连续受弯梁，见图8。

同理：忽略P 对竖向玻璃肋的影响。根据结构力学[5]计算可知：图8 弹性支座的变形量C=ι/EA≈0mm，即忽略C 对支座的影响。不考虑偏心矩对竖向肋的有利影响。计算模型可简化为图7，其计算结果同上述平面外的计算结果，均满足要求。

图8 计算简图

比较是否设置水平玻璃肋两种情况可知：由于玻璃幕墙面板薄，自重较轻,当层高5m 以下时，是否有设置水平玻璃肋，对竖向肋板平面内和对平面外的强度及挠度差异不大，甚至相同。但两种情况下的力学计算模型截然不同，其安全性储备不同。即增设水平肋板，使竖向肋板的平面外计算长度变小，增强肋板平面外的刚度和稳定性，使横向、竖向支撑系统形成较好的框架结构体系。

同时也说明竖向肋是一道重要的支撑构件，其竖向肋应采用夹胶玻璃。条件允许或重要公共场所，建议竖向肋采用多层夹胶玻璃，其安全性储备更好。

五、玻璃幕墙型式检测结果

幕墙型式检测样品为一个层高，含两根竖向肋板（10mm+1.52pvB+10mm 夹胶玻璃）,三根水平肋板（19mm 厚钢化玻璃） 和四块面板（8mmLow- E+1.52pvB+8mm 夹胶玻璃）,外形尺寸为3000mm×4020mm,支座间距为3830mm。检测结果见表1，检测结果表明符合设计要求。

表1玻璃幕墙型式检测结果

结论所检项目的检测结果符合设计要求。

六、结语

我国工程设计人员在长期的幕墙结构设计实践中，积累了大量有益的经验，并主要体现在设计规范、设计手册、标准图集等等。随着计算机技术和计算方法的发展，计算机及其结构计算程序在幕墙结构设计中得到大量地应用。为结构设计提供了快速、准确的设计计算工具。人的设计，就是概念设计。当然有很多幕墙结构设计存在诸多的缺陷，主要原因就是在总体方案和构造措施上未采用正确的构思，即未进行概念设计所致。人们在具体的空间结构体系整体研究上还有一定的局限性，在设计过程中采用了许多假定与简化。总之，结构概念设计必然会成为今后建筑幕墙结构设计的主流趋势，这就要求我们来共同学习结构概念设计，为建筑幕墙结构设计的发展作出新的更大的贡献。

参考文献

[1]JGJ102-2003,玻璃幕墙工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社

[2]建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社

[3]孙训方，方孝淑，关来泰.材料力学（第二版）[M].高等教育出版社

[4]建筑结构静力计算手册[M].中国工业出版社

[5]龙驭球，包世华.结构力学（第二版）[M].高等教育出版社

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。