关于大尺寸玻璃幕墙的设计探讨

摘要：近年随着国家城市化建设的进程，在全国各大城市不断出现一些造型新颖、结构复杂的高层及超高层现代建筑，给工程技术上不断带来新的挑战。本文根据JGJ-2003《玻璃幕墙工程技术规范》的相关技术要求，通过一具体项目，对大尺寸玻璃幕墙设计过程中的玻璃板块、硅硐结构密封胶以及大跨度大荷载作用下龙骨的计算进行探讨。

关键词：玻璃幕墙；结构胶；强度设计

引言：当今社会的快速发展，人们对建筑的要求不断提高，不再仅仅满足功能上的需求，对建筑的美观及舒适性有了进一步的追求，由此诞生诸多大板块大开间的建筑。按目前现有的一些传统幕墙做法已很难满足上述要求，因此在幕墙设计当中也必须不断探索，采取相应的措施，做到建筑安全、舒适、美观以及经济性的和谐统一。

1、大尺寸玻璃幕墙的玻璃板块计算。

   以下通过我司2015年设计的某银行厦门金融大厦幕墙工程进行探讨；该工程顶标高139.8米，标准层高3850mm，设计基本风压为0.8KN/m²，场地粗糙度类别为A类，抗震设防烈度: 7度，设计地震基本加速度：0.15g；该建筑立面玻璃宽度由上而下逐渐变宽，为竖明横隐玻璃幕墙，最大玻璃板块为3400X2650，顶层玻璃板块为1800X2650。考虑到近些年在一些高层超高层建筑经常发生钢化玻璃自爆伤人事件，因此本工程所有玻璃均采用钢化夹胶中空双银LOW-E玻璃。

1.1、玻璃板块计算结果见表1：

表1玻璃板块计算结果

通过表1计算结果整理得出，需采用四种不同配置的玻璃面板，分别为：

a、8+1.52PVB+8+12A+8钢化夹胶双银LOW-E中空玻璃

b、8+1.52PVB+8+12A+10钢化夹胶双银LOW-E中空玻璃

c、10+1.52PVB+10+12A+10钢化夹胶双银LOW-E中空玻璃

d、10+1.52PVB+10+12A+12钢化夹胶双银LOW-E中空玻璃

若单从成本上考虑，根据玻璃板块尺寸大小分别选用上述四种不同配置的玻璃；但低辐射LOW-E玻璃有个特点，同样的LOW-E膜系，玻璃配置的厚度不同，立面效果会存在明显的色差，如厦门观音山某商务大楼最后竣工验收时发现墙面区与墙角区玻璃存在明显色差，究其原因就是设计计算时墙角区域的玻璃厚度比墙面区厚导致立面玻璃出现色差问题；最终将墙面区玻璃全部换成与墙角区一致的玻璃，造成比较大的经济损失。根据这些问题，本工程不可能同时应用上述四种玻璃，理论上必须选用配置最厚的玻璃，这个结果不但成本高，而且玻璃板块自重大加工施工安装难度，因此我们必须找出新的途径来解决这个问题。

1.2、解决方法

我们一般用的PVB夹层玻璃强度远小于相同厚度的单片玻璃，其等效厚度大约是同等厚度单片玻璃的60%，如8+1.52PVB+8的夹胶玻璃相当于16X0.6=9.6mm厚的单片玻璃；因此我们引入SGP夹层玻璃，根据美标ASTM E1300－2009a及中国《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102－201x送审稿（即将发布）中的计算，SGP夹层玻璃强度近似相同厚度的单片玻璃，等效厚度达到90%以上，也就是说同样的8+1.52SGP+8的夹胶玻璃相当于16X0.9=14.4mm厚的单片玻璃。但SGP与PVB的价格相差较大，同样1.52mm厚胶层，PVB约80元/m²，SGP约350元/m²。综合考虑成本等因素，本工程局部大板块玻璃选用8+1.52SGP+8+12A+8钢化夹胶双银LOW-E中空玻璃，该玻璃同样在标高34.45米处墙角区3400X2650mm玻璃板块的计算结果见表2：

表2玻璃板块的计算结果

    因此局部大尺寸玻璃采用SGP夹胶可大大降低单片玻璃的厚度，保证整体建筑外片玻璃厚度的一致性（内片玻璃厚度不一致对色差影响较小可忽略不计），且能很好地控制整体造价。（以上关于玻璃板块的计算公式参见JGJ102-2003《玻璃幕墙工程技术规范》第30~33页）

2、大尺寸隐框玻璃幕墙的结构胶计算。

2.1、根据规范要求：

a、硅硐结构密封胶的粘接宽度不应小于7mm，粘接厚度不应小于6mm，粘接宽度宜大于厚度，但不宜大于厚度的2倍，且粘接厚度不应大于12mm。（根据该规定得知结构胶粘接宽度最大不宜超过24mm。）

b、硅硐结构密封胶应根据不同的受力情况进行承载力极限状态验算。在风荷载、水平地震作用下，硅硐结构密封胶的拉应力或剪应力设计值不应大于其强度设计值f1，f1应取0.2N/mm²；在永久荷载作用下，硅硐结构密封胶的拉应力或剪应力设计值不应大于其强度设计值f2，f2 应取0.01N/mm²。

2.2、本工程最大尺寸玻璃的结构胶计算

玻璃最大分格尺寸为：3400X2650mm，

玻璃采用：8+1.52SGP+8+12A+8钢化夹胶双银LOW-E中空玻璃

水平荷载组合设计值：ω_组合=3.55KN/M²

竖向荷载设计值：    q_G=25.6X0.024=0.614KN/M²

a、在水平荷载作用下，结构胶粘接宽度Cs

b、在竖向荷载作用下，结构胶粘接宽度Cs

取两者大值，结构胶粘接宽度为46mm>24mm。

2.3、结构胶粘接宽度过大的不利影响

    《规范》规定结构胶粘接宽度不宜超过24mm是我国相关专业机构经过严格的试验结果得出的结论，结构胶粘接宽度过大一方面会影响到结构胶粘接的力学性能，需要更长的养护时间，另一方面必须相应加大幕墙型材的截面尺寸导致幕墙施工成本增加，同时结构胶粘接处黑边过宽也会影响外立面效果。因此我们必须寻求一款高强度结构胶来解决问题。

2.4、解决方案

    根据近年国内某些重大项目的成功经验，本工程设计采用国内某品牌超高性能硅硐结构密封胶，该硅硐结构密封胶的拉伸强度标准值为1.2MPa，是现行国家标准《建筑用硅硐结构密封胶》GB16776规定的拉伸强度标准值0.6MPa的两倍。按照《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003的条文说明5.6.2对结构胶设计强度的取用方法，可将原规范中结构胶的强度设计值f₁、f₂相应提高两倍，即f₁=0.4MPa,f₂=0.02MPa。根据上述结构胶粘接宽度计算：

a、在水平荷载作用下，结构胶粘接宽度Cs

b、在竖向荷载作用下，结构胶粘接宽度Cs

    取两者大值，结构胶粘接宽度为23mm<24mm。

    因此，本工程的大尺寸玻璃的结构胶设计为24X12mm，且在横梁设一通长铝合金托板以承托玻璃自重。

3、大跨度或大荷载作用下玻璃幕墙龙骨计算

3.1、幕墙龙骨的强度计算

我们一般所用的铝合金型材的强度设计值较低，所以在大跨度或大荷载作用下的玻璃幕墙龙骨计算出来的截面往往偏大，一方面由于龙骨截面的增大会影响玻璃幕墙完成面距结构面的距离加大，另一方面也会因加大铝型材用量而增加幕墙的造价。因此在一些大跨度或大荷载作用下龙骨计算中引入钢铝组合型材，充分发挥钢型材强度高造价相对较低的优势，外表面铝型材又能起到很好的装饰效果。如下图：

      图1钢铝组合型材示意图

3.2、钢铝组合型材计算原理

以简支梁为例，其跨中最大挠度计算公式：f_max=5ql⁴/384EI

设组合型材中的钢、铝型材所分配到的荷载分别为q_s、q_a(下标S代表钢型材，a代表铝型材），则

f_s=5q_sl⁴/384E_sI_s           E_s:钢材弹性模量      I_s：钢型材惯性矩

f_a=5q_al⁴/384E_aI_a                E_a:铝材弹性模量      I_a：铝型材惯性矩

钢、铝两个型材受荷后，由于两者有着共同的边界约束条件，因此二者的挠度相同，即f_s = f_a     5q_sl⁴/384E_sI_s= 5q_al⁴/384E_aI_a   

简化为：q_s/ E_sI_s =q_a/ E_aI_a      q_s/ q_a= E_sI_s/ E_aI_a

由上式可知，组合型材的荷载是根据相应的刚度来分配的。因q= q_s+ q_a

故：q_s=q E_sI_s/(E_sI_s+ E_aI_a)     q_a=q E_aI_a/( E_sI_s+E_aI_a) 

由此可对钢铝组合型材进行设计。

3.3、本工程采用钢铝组合龙骨与纯铝龙骨计算对比见表3

表3钢铝组合龙骨与纯铝龙骨计算对比

从上表可看出，采用钢铝组合龙骨不但在成本上较纯铝龙骨有优势，且能大大减小龙骨截面，在幕墙外完成面不变的情况下，增加建筑实际使用面积。

4、结语

    玻璃幕墙作为建筑物重要的外维护结构，越来越多地承担整个建筑的美学及功能要求，以其自重轻、安装制作方便等优点是其它维护结构所不能替代的；在现代化的高层、超高层建筑体系里成为不可或缺的重要组成部分，是材料学科与结构学科的有机组合体。

参考文献：

(1)、玻璃幕墙工程技术规范JGJ102-2003   中国建筑工业出版社  2003

(2)、建筑用硅硐结构密封胶GB16776    国家标准出版社   2005

(3)、  玻璃幕墙钢铝组合截面立柱的设计  湖南理工学院学报 2007