【中玻網(wǎng)】一、前言

　　點支式玻璃幕墻的定義在《玻璃幕墻工程技術規(guī)范（JGJ102-2003）》中是這樣規(guī)定的：由玻璃面板、點支承裝置和支承結構構成的玻璃幕墻叫點支式玻璃幕墻。本文將就點支式玻璃幕墻設計中應注意的若干問題進行一下解析。

　　中國館位于世博軸東側，上南路與北環(huán)路交匯處，處于世博園區(qū)的核心區(qū)域，占據(jù)浦東區(qū)域主入口的顯要位置。作為基座的地方館水平展開，融入城市公共生活；其上的國家館攫取傳統(tǒng)的片段，以清晰的結構、鮮艷的中國紅、磅礴的氣勢構成城市新的地標。整個中國館在一種不對稱的平衡結構中彰顯出了國家的和諧與穩(wěn)定。

　　二．點支式玻璃幕墻介紹

　　點支式幕墻按其支承形式可分為一下幾種結構體系：

　　（1）玻璃肋支承式

　　該幕墻用玻璃作為受力支承結構，其主要特點是通透性好，構造簡單且結構無腐蝕性問題，適用于大堂、大廳及共享空間等。作為受力結構的玻璃肋必須采用夾膠玻璃。

　　（2）單管或鋼管桁架支承式

　　該幕墻采用單管或各種桁架結構，如魚腹桁架、平行弦桁架、三角形桁架等作為受力支承結構。其特點是將鋼結構的雄渾構造美和玻璃的“透”無缺的結合起來，使該幕墻充滿了現(xiàn)代藝術感。

　?。?）索（桿）桁架支承式

　　該幕墻采用鋼拉索或鋼拉桿（可采用不銹鋼或碳鋼，由業(yè)主方來確定）和懸空連接桿通過合理布置經(jīng)過預應力張拉形成空間桁架系統(tǒng)作為受力支承結構。其特點是整個結構體系為一柔性體系，受載能力強，輕盈美觀，通透性好，技術難度高，是高科技和現(xiàn)代建筑藝術的無缺結晶。但是施工難度大，張拉工藝要求復雜，對施工精度要求高。

　?。?）單索支承式

　　該幕墻采用縱橫交錯的兩道索或者只設縱向索作為受力支承結構。

　　其特點是輕盈通透，拉索與玻璃膠縫在視覺上相重合，大大提高了可視面積，并且在施工方面也較拉索桁架容易。

　?。?）預應力自平衡索桁架支承式點支式玻璃幕墻

　　預應力自平衡索桁架是一種由中間壓桿（鋼管）、輔助橫桿和呈拋物線形狀布置的索組成：索的預應力通過兩端連接由主壓桿承擔，預應力不會傳給主體結構，在桁架內部形成力的平衡，在承受正負風壓時，它相當于一個兩端簡支桁架的結構功能。

　?。?）組合式支承式

　　該體系采用鋼結構、拉索、拉桿等相互組合作為受力結構。其特點是取各種結構的優(yōu)點從而形成一個新的結構體系，無論從通透性還是從建筑美學上都無缺無缺。但是這種結構設計和結構計算非常復雜，施工也有一定的難度。

　　三.點支式玻璃幕墻設計應注意的若干問題

　　1、玻璃面板的設計應注意的問題：

　?。?）采用浮頭式連接的玻璃厚度不應小于6mm；采用沉頭式連接的玻璃厚度不應小于8mm。

　?。?）點式玻璃幕墻采用鉆孔玻璃時，則玻璃孔中心到面板邊緣的距離c不應小于2.5d，也不應小于70+d/2mm。

　　（3）當玻璃的撓度或強度在荷載作用下不能滿足規(guī)范要求時，易通過增加玻璃的厚度來實現(xiàn)，而不易加大駁接爪件的間距來實現(xiàn)。

　　我們做一下比較：例如一個2000x1500板塊的中空玻璃，采用堅朗公司250系列爪件，玻璃采用8+12A+6mm夾膠鋼化玻璃，風荷載標準值為1.0KPA計算發(fā)現(xiàn)此配置的玻璃撓度不能滿足規(guī)范要求，當把玻璃的配置改為8+12A+8mm就能滿足要求了！價格增加了20元/m2；如果把250爪件改為300爪件同樣能滿足受力要求，可是價格卻增加了近80元/m2?？梢娫黾硬ＡУ呐渲靡燃哟笞拈g距更便宜！

　?。?）對點式玻璃的設計時應注意：玻璃的許用撓度為長邊支承點間距的1/60，不同于框架幕墻，框架幕墻玻璃的撓度為短邊的1/60。

　?。?）對點式玻璃的設計時應特別注意：盡量不要采用6點支承和8點支承形式。原因如下：①由于6點或8點支承，在安裝過程中很難把6點或8點調成同一平面，玻璃安裝完成之后在玻璃內部就產(chǎn)生了一定的翹曲應力，為以后的使用埋下了安全隱患。②由于玻璃在荷載作用下跨中的應力大，而恰恰6點或8點的玻璃在受力大的位置開了孔，這就大大降低了抵抗荷載的能力。綜上可見6點或8點支承的結構形式是很不可行！

　　(6）當玻璃面與豎直平面夾角大于5度時（斜幕墻），要采用夾膠玻璃；如果同時還考慮保溫，就應采用中空夾膠玻璃，并且夾膠面在幕墻面的下側。

　　2、單管作為支承結構設計時應注意的問題

　　(1)單管結構作為受力結構主要適用于層間高度不是很高，分格寬度不是很寬的情況。下面本人做了一個比較。（以北京地區(qū)為例(風荷載按照1.0KN/m2）

　　表一跨度與鋼管直徑的比較

　　可見當跨度大于6.0米時，單管的直徑已經(jīng)很大，因此建議單管結構用于6米跨度以下的結構中。

　　(2)單管結構上、下端的支座處理很關鍵，把上端設計成固定鉸支座,下端設計成滑動鉸支座。因為受壓構件存在受壓失穩(wěn)的問題，對于同一個斷面，把它設計成受壓構件要比受拉構件強度折減20%以上。

　　3、鋼桁架作為支承結構設計時應注意的問題：

　?。?）從上文對單管的分析可知，當計算跨度大于6米時，單管的直徑已經(jīng)很大，此時應采用鋼桁架支承。

　?。?）鋼桁架的形式有多種，一般包括如下：三角桁架、魚腹桁架、梯形桁架、矩形桁架。這些桁架中受力合理的是三角桁架，該桁架適用于上端沒有結構的懸挑部位，例如裙房或塔樓的屋頂部位。其次受力較為合理的是魚腹桁架，再次是梯形和矩形桁架。

　　A、三角桁架設計時應注意以下幾點：

　　①三角桁架的夾角盡量設計在15度左右，因為此時的受力和外室效果都比較合適；在夾角位置設置轉接管，盡量避免尖角的存在；

　　②當三角桁架的高度大于6米時，應在桁架的背部設置橫向穩(wěn)定支承；

　?、廴氰旒茕摴芡庵睆讲灰舜笥诒诤竦?0倍，支管外直徑不宜小于主管外直徑的0.3倍。鋼管壁厚不宜小于4mm，主管壁厚不應小于支管；

　?、苋氰旒艿谋砻嬉M行防銹處理，一般材料噴涂較多。

　　B、魚腹桁架設計時應注意以下幾點：

　?、亵~腹桁架的弦高一般取為跨度的1/12-1/15

　?、诋旚~腹桁架的高度大于6米時，應在桁架的背部設置橫向穩(wěn)定支承；穩(wěn)定支承的方法較多，可以是一個單管，可以是拉桿或拉索等。

　?、廴绻~腹桁架的上端與活動屋面相連接，那么上端的支座節(jié)點處理很關鍵，應做成聯(lián)動桿形式，確保當活動屋面有位移時不要影響到幕墻。

　?、芡氰旒芤粯?，魚腹桁架的鋼管外直徑不宜大于壁厚的50倍，支管外直徑不宜小于主管外直徑的0.3倍。鋼管壁厚不宜小于4mm，主管壁厚不應小于支管；

　　⑤桁架的表面要進行防銹處理，一般材料噴涂較多。

　　4、單索設計時應注意的問題：

　?、偃绻粔Φ母叨刃∮?5米，可以只設縱向索，而不設橫向索（例如北京京劇院）。大于15米不設橫向穩(wěn)定索的工程目前還沒有見到。

　　②記住一點：當幕墻設置橫縱兩個方向索時，那么短的那個索一定為粗索。本人曾做過實驗，當長索為短索2倍以上時，短索承受70%以上的荷載。

　?、劾鞯膬啥吮仨毰c一個非移動的主體相連，原因是：拉索是通過施加預緊力后才具有抵抗荷載的能力，如果支座移動了，那么預緊力就隨之改變，受力體系就不復存在了！。例如，在兩棟大樓之間想做一道有橫向拉索的幕墻，這種幕墻不可能實現(xiàn)的！

　?、芾鞒跏碱A緊力的施加標準：初始預緊力為小破斷力的20%~30%。

　?、堇鞯牟牧习踩禂?shù)為1.8，設計時應把材料商提供的小破斷力除以1.8之后才是我們要用的設計值。

　　四．工程實例設計

　　本文通過一個工程實例來介紹單層索網(wǎng)玻璃幕墻的設計方法。本工程位于北京市朝陽區(qū)某地段，甲方想在大堂位置做一通透的幕墻，我把它設計成單層索網(wǎng)點式幕墻。下面介紹一下該幕墻的基本信息：幕墻的高度為12米，寬度為30米，玻璃采用中空玻璃，基本風壓按照50年一遇考慮（w0=0.45KPA），地面粗超度為C類，8度抗震設防烈度，地震加速度為0.2g。危險點標高為He=15.0米。

　　下面對本工程進行設計，設計共分以下步驟完成：

　　第1步：確定玻璃的厚度

　　考慮保溫的要求，我們選用中空鋼化LOW-E玻璃，玻璃的規(guī)格為寬X高=1500X3000mm。初步選用10+12A+10mm鋼化中空玻璃，根據(jù)《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》JGJ102-2003給出的計算公式，計算玻璃的強度和撓度是否滿足規(guī)范要求。計算如下：

　?。?）玻璃強度計算

　　風荷載標準值為

　　Wk＝βgZ·μs1·μz·Wo

　?。?.991×1.2×0.74×0.45

　　＝0.796≤1所以取Wk＝1 KN／m2

　　水平分布地震作用標準值為

　　qEk＝βe·αmax·25.6·t·10-3＝5×0.16×25.6×22×10-3＝0.451KN／m2

　　中空玻璃把荷載分配到單片玻璃上分別計算：

　　Wk1=1.1×Wk×t13/(t13+t23)=0.697KN／m2

　　Wk2=Wk×t23/(t13+t23)=0.367KN／m2

　　qEk1=βe·αmax·25.6·t1·10-3=0.246KN／m2

　　qEk2=βe·αmax·25.6·t2·10-3=0.205KN／m2

　?、亠L荷載作用下應力標準值按下式分別在兩個單片玻璃上計算

　　σwk＝6·η·ψ1·Wk·b02/t2

　　式中:σwk風荷載作用下的應力標準值；

　　b0長邊支撐點距離，(mm)；

　　t玻璃的厚度，(mm)；

　　ψ1彎曲系數(shù)，按a0/b0的值查表

　　η折減系數(shù)，查表

　　θ1＝(Wk1＋0.5·qEk1)·b04/(E·t14)

　?。?0.697＋0.5×0.246)×10-3×24004/(0.72×105×124)

　?。?8.22

　　查表取η1＝0.9271

　　θ2＝(Wk2＋0.5·qEk2)·b04/(E·t24)

　　＝(0.367＋0.5×0.205)×10-3×24004/(0.72×105×104)

　?。?1.63

　　查表取η2＝0.9135

　　則σwk1＝6·η1·ψ1·Wk1·b02/t12

　?。?×0.9271×0.1352×0.697×10-3×24002/122

　?。?0.97 N/mm2

　　σwk2＝6·η2·ψ1·Wk2·b02/t22

　?。?×0.9135×0.1352×0.367×10-3×24002/102

　?。?5.66 N/mm2

　?、诘卣鹱饔孟聭藴手蛋聪率椒謩e在兩個單片玻璃上計算

　　σEk＝6·η·ψ1·qEk·b02/t2

　　式中:σEk地震作用下的應力標準值；

　　η取風荷載作用下應力計算時的值

　　則σEk1＝6·η1·ψ1·qEk1·b02/t12

　?。?×0.9271×0.1352×0.246×10-3×24002/122

　?。?.4 N/mm2

　　σEk2＝6·η2·ψ1·qEk2·b02/t22

　?。?×0.9135×0.1352×0.205×10-3×24002/102

　　＝8.75 N/mm2

　?、鄄ＡУ膽M合設計值按下式分別在兩個單片玻璃上計算

　　σ＝ψw·γw·σwk＋ψe·γe·σEk

　　則σ1＝ψw·γw·σwk1＋ψe·γe·σEk1

　　＝1.0×1.4×20.97＋0.5×1.3×7.4

　?。?4.17N/mm2≤fa＝84N/mm2

　　σ2＝ψw·γw·σwk2＋ψe·γe·σEk2

　　＝1.0×1.4×15.66＋0.5×1.3×8.75

　?。?7.61N/mm2≤fa＝84N/mm2，所以玻璃強度滿足要求。

　?。?）玻璃撓度計算

　　風荷載標準值為：Wk＝1 KN/m2

　　玻璃跨中大的撓度為μ＝η·ψ2·Wk·b04／Ｄ

　　玻璃板的彎曲剛度

　?。模剑舤3／(12(1-ν2))＝0.72×105×13.33／(12(1－0.22))

　?。?4703981.3Ｎ·mm

　　式中：ν－泊松比，取ν＝0.2

　?。牛Ａ椥阅Ａ?，取0.72×105Ｎ／mm2

　　t－玻璃等效厚度(mm)

　　t=0.95×(t13+t23)1/3

　　θ＝Wk·b04/Et4＝1×10-3×24004／(0.72×105×13.34)＝14.7

　　查表取η=0.9412

　　則玻璃的撓度

　　μ＝η·ψ2·Wk·b04／Ｄ

　?。?.9412×0.0153×1×10-3×24004／14703981.3＝32.5 mm

　　式中：μ－玻璃跨中大撓度mm

　　ψ2－跨中大撓度系數(shù)，由a0/b0查表

　　qk－玻璃所受荷載組合值(Ｎ／mm2)

　　a0短邊支撐點距離，(mm)；

　　b0長邊支撐點距離，(mm)；

　　μ/b0＝1/74≤1/60，所以玻璃撓度滿足要求

　　第二步：確定拉索的直徑

　　這一步很關鍵，如果沒有豐富的設計經(jīng)驗很容易走向兩個較端，其一是：施加預緊力太小，選擇非常粗的斷面，計算還不能通過；其二是：施加預緊力太大，已經(jīng)臨近破壞荷載了，這樣一來很小的斷面就能夠滿足受力的要求。這兩種方法都是及其錯誤的。拉索是一種柔性材料，如果不給它施加預緊力，它就沒有剛度，不具有抵抗荷載的能力，如果施加預緊力過大，當有外荷載作用時，就會造成拉索的破段，非常危險，所以計算時這個預緊力施加多少是個關鍵。通常來講，索的初始預緊力施加到破壞荷載的20~30%是合適的。還要重申一點，這一點我在前文中已經(jīng)提到了，當單層索網(wǎng)幕墻兩個方向的尺寸相差非常大時，短方向的那根一定是斷面非常大的索。

　　初步選橫索直徑為φ16mm,豎索直徑為φ24mm，材質均為S316。豎索的長度L=12000mm，橫索的長度H=30000mm。拉索的基本參數(shù)如下表所示：

　　表二拉索參數(shù)設定

　　1）驗算豎索在溫度應力作用下是否松弛：

　　玻璃面材的重力荷載標準值為

　　DL=0.022×2560×10=564N/m2

　　每根豎索所承擔的重力荷載面積為S=1.5×12=18m2

　　每根豎索所承擔的重力荷載設計值

　　G=DL×S=564×1.2×18=12182N；

　　在重力荷載設計值作用下豎索的變形為

　　d1=G×L/(A×E)=12182×12000/（340.69×135000）=3.2mm

　　北京地區(qū)大溫差為T=80oC,在溫差變化下拉索的伸長了

　　D2=T×α×L=80X1.5×10^-5×12000=6.4mm

　　拉索的初始變形為

　　D0=f×L/(A×E)=116040×12000/（340.69×135000）=30.3mm

　　由于d0>d1+d2,因此豎索不會松弛，初始預緊力滿足要求。

　　2）驗算拉索的撓度是否按照規(guī)范要求：

　　通過有限元軟件ANSYS的分析，拉索在風荷載（標準值為WK=1.0KPA）和重力荷載作用下的大撓度為187mm<L/60=12000/60=200mm,因此拉索的撓度滿足規(guī)范要求，變形圖如下圖十六所示。

　　圖十六拉索撓度變形示意圖

　　3）驗算拉索的強度是否滿足要求：

　　通過有限元軟件ANSYS的分析，拉索在風荷載、重力荷載及地震荷載作用下拉索的大拉力為Fj=182.24KN<Fs=214.89KN,因此拉索的強度滿足要求，拉力圖如下圖十七所示。

　　圖十七拉索拉力示意圖

　　第三步：不銹鋼梅花夾的選擇

　　面材和拉索的直徑都確定之后，就可以選擇成品的梅花夾了，我們選用堅朗公司J170A32產(chǎn)品，該產(chǎn)品所能夾持的玻璃大厚度為36mm，而本工程玻璃的厚度為34mm，因此夾持厚度能夠滿足要求。該產(chǎn)品所能容納的大拉索直徑為32mm，而本工程選用的拉索直徑大為24mm，因此拉索的直徑能夠滿足要求。

　　第四步：關鍵節(jié)點的設計

　　根據(jù)前面的三個步驟，可以設計幕墻的典型橫豎剖節(jié)點如下圖十八和圖十九所示。

　　圖十八幕墻橫剖節(jié)點圖

　　圖十九幕墻豎剖節(jié)點圖

　　通過上面四個步驟，單層索網(wǎng)幕墻的基本結構就設計完成了，當然，還有拉索與主體的連接及玻璃周邊與其它幕墻的交接等內容由于文章篇幅的限值并沒有一一介紹，但是，這不是問題，因為我們把幕墻的節(jié)本設計方法已經(jīng)掌握了，無論再遇到什么樣的結構，什么樣的交接都會迎刃而解的。

　　五．結束語

　　本文以上內容介紹了點支式玻璃幕墻在設計中應注意的問題及通過一個幕墻設計實例來介紹點式幕墻。這些經(jīng)驗都是本人通過多年的實踐總結出來的，希望能為幕墻設計人員在設計點支式玻璃幕墻提供一些設計思路和借鑒作用。