点支承采光顶玻璃面板安全性评估分析研究

孙雨欣，郑燕燕，周庆松，刘俊，高治亚

（1.安徽省建筑科学研究设计院绿色建筑与装配式建造安徽省重点实验室，安徽 合肥 230031；2.安徽省建筑工程质量第二监督检测站，安徽 合肥 230031）

0 前言

既有建筑采光顶的安全性评估一直是建筑行业研究热点，这其中面板承载力和挠度的计算又是整个安全性评估的重要环节。中国建科院万成龙等[1]提出平行拉索式点支承玻璃幕墙玻璃面板安全检测应包括结构校核和现场检查，结构校核可通过有限元软件或规范公式计算校核。上海交通大学刘炘炜等[2]提出夹层玻璃底层玻璃的裂纹模态对夹层玻璃构件的承载方式起着决定性作用，浮法玻璃相比于钢化玻璃所形成的碎片形状能更好地形成传力路径，并显著影响夹层玻璃的开裂后强度。郑州大学李天[3]提出采光顶支承结构中立柱、主梁等主要受力构件对结构的基本周期有影响，次梁、支撑等非主要受力构件截面对竖向地震作用较其他构件影响更大。同济大学张其林等[4]提出点支式夹层玻璃随着荷载的增加，荷载—位移、荷载—应力变化曲线接近于线性。安徽建科院刘俊等[5]提出采用有限元软件近似计算矩形钢立柱抗弯强度和挠度方法是可行的。安徽建科院郑燕燕等[6]将石材幕墙面板槽口数值模拟结果与实验结果和理论分析结果进行对比，结果基本一致，三者相互印证了各自的准确性和有效性，进而提出可以采用有限元软件计算石材面板槽口抗剪性能。现行标准[8]中给出均布荷载作用下四点跨中支承矩形板承载能力和挠度计算公式，但实际工程中有相当一部分采光顶面板采用六点跨中支承方式，对于这类安装方式，规范中的计算公式较难满足计算要求。本文结合某点支承采光顶玻璃面板安全性评估实例，采用有限元分析软件计算玻璃面板承载能力和挠度，研究成果为实际工程中不同类型点支承方式采光顶玻璃面板的安全性能评估分析方法提供了一定的参考价值。

1 工程背景

某点支承采光顶标高为23.45m，所属建筑物地面类别为B 类，抗震设防烈度为7 度，基本雪压S0=0.5kN/m2，基本风压W0=0.35kN/m2。玻璃面板采用（12+1.14pvb+12）mm 厚钢化夹层玻璃，支承结构采用大跨度钢桁架。典型玻璃面板尺寸有Ⅰ类（1500×2000mm）和Ⅱ类（1500×2600mm）两种，Ⅰ类玻璃面板采用四点跨中支承，Ⅱ类玻璃面板采用六点跨中支承，玻璃面板支承点处均采用浮头式活动驳接头与四点X 型驳接爪连接（见图1 所示），相邻板缝内部嵌填密封胶。为了解该采光顶现阶段玻璃面板的承载能力，建设单位委托作者对该采光顶中典型玻璃面板的安全性能进行评估。

图1 玻璃安装节点实物图

2 安全性评估方法

本采光顶玻璃面板安全性评估，按构件外观质量，构件连接节点构造、变形，构件承载能力及刚度（玻璃面板刚度以挠度来表征）四个检验项目分别评定，最终玻璃面板安全性能取上述四个检验项目评定结果中最低级别。

2.1 构件外观质量检查

检测方法：主要通过目视法检查构件及粘接材料外观质量，对部分连接构件拆卸后进行功能性检查。

检测结果：现场抽检的玻璃面板外观无明显裂纹、缺角和脱胶现象；抽检的驳接头、驳接爪及钢底座外观无明显锈蚀现象；抽检的浮头式驳接头旋转无明显卡顿现象；抽检的密封胶注胶均匀，外观无明显老化、开裂现象。

2.2 构件规格尺寸检验

检测方法：现场采用超声波测厚仪和游标卡尺，对抽检的玻璃面板和驳接爪尺寸进行测量。

检测结果：现场抽检的驳接爪尺寸基本满足设计250mm×250mm要求，抽检的钢化夹层玻璃面板单片厚度基本满足设计厚度12.0mm要求。

2.3 构件连接节点构造、变形检查

检测方法：现场采用游标卡尺，并结合目视法对抽检的具有典型代表的Ⅰ类和Ⅱ类玻璃面板安装节点构造及变形进行检查。

2.3.1 Ⅰ类玻璃面板

实际现状：I类玻璃面板采用四点支承方式，钻孔直径约40mm，孔边距≥70mm，面板角部用浮头式驳接头与四点X型驳接爪连接，驳接爪与玻璃面板接触面用1mm厚衬套及垫圈分隔后再用密封胶密封，单个驳接爪安装在直径44mm钢座顶部，钢座底部与主体钢结构围焊连接，连接节点未见明显松动、变形和滑移现象。

（注：原设计I 类玻璃面板采用四点支承方式，面板端部用浮头式驳接头与四点X 型驳接爪连接，单个驳接爪安装在钢座顶部，钢座底部与主体钢结构焊接。）

Ⅰ类玻璃面板安装节点构造及变形基本满足设计要求。

2.3.2 Ⅱ类玻璃面板

实际现状：Ⅱ类玻璃面板采用六点支承方式，钻孔直径约40mm，孔边距≥70mm，面板端部和跨中用浮头式驳接头分别与四点X 型和二点I型驳接爪连接，驳接爪与玻璃面板接触面用1mm厚衬套及垫圈分隔后，再用密封胶密封，单个驳接爪安装在直径44mm钢座顶部，钢座底部与主体钢结构围焊连接，连接节点未见明显松动、变形和滑移现象。

（注：原设计Ⅱ类玻璃面板采用六点支承方式，面板端部和跨中用浮头式驳接头分别与四点X 型和二点I 型驳接爪连接，单个驳接爪安装在钢座顶部，钢座底部与主体钢结构焊接。）

Ⅱ类玻璃面板安装节点构造及变形基本满足设计要求。

综合上述检查结果，抽查的点支承采光顶玻璃面板构件规格尺寸基本符合设计要求，构件外质量满足相关规范要求，面板支承节点安装方式、构造及变形情况基本满足设计和规范要求。

3 荷载分析计算

参考文献[8～10]计算得到面板正负风压设计值W±=±0.001917N/mm²；雪荷载设计值S=0.00075N/mm²；活荷载设计值Q=0.00075N/mm²。内、外片玻璃自重标准值GAK1=GAK2=0.000307N/mm2，自重设计值GA1=GA2=0.000368N/mm2。内、外片玻璃风荷载标准值WK1=WK2=0.000639N/mm2，风荷载设计值W1=W2=0.000958N/mm2。内、外片玻璃雪荷载标准值SK1=SK2=0.00025N/mm2，雪荷载设计值S1=S2=0.000375N/mm2。内、外片玻璃活荷载标准值QK1=QK2=0.00025N/mm2，活荷载设计值S1=S2=0.000375N/mm2。荷载组合标准值qk1=0.001121N/mm2，设 计 值 q1=0.001588N/mm2。

有限元分析与公式计算结果对比 表2

4 有限元建模分析

4.1 模型建立

采用有限元软件中静力学分析板块，采用考虑了有限的膜应变和任意大转动的单元，建立单片玻璃面板分析模型，分析模型采用自由技术进行划分网格，模型相关参数详见表1所示。

有限元模型相关参数 表1

玻璃面板点支承部位施加x、y、z 三个方向的位移约束，同时释放x、y、z 三个方向转动约束。在面板1 和面板3 的面法线方向施加均布荷载q=0.001588N/mm2，在面板2 和面板4 的面法线方向施加均布荷载q=0.001121N/mm2，荷载和边界条件如图2 和图4 所示，网格划分如图3 和图5 所示。中支承和六点跨中支承玻璃面板，分析结果显示最大应力均出现在支承点附近，且数值均满足强度设计值42N/mm2要求；最大挠度计算值均满足挠度限值df,lim=l/60 要求。对比计算结果可知，六点跨中支承面板挠度分析值相较于四点跨中支承面板大大减小。实际工程中采用单块四点支承玻璃面板的挠度超限时，可以考虑将相邻两块面板改用一块六点跨中支承面板代替，并重新进行承载能力和挠度计算。

图2 Ⅰ类板荷载和边界条件图

图3 Ⅰ类板网格划分

图4 Ⅱ类板荷载和边界条件图

图5 Ⅱ类板网格划分

4.2 分析结果

图6 面板1应力图

图7 面板2变形图

图8 面板3应力图

图9 面板4变形图

5 结论

本文对采光顶玻璃面板按构件外观质量，构件连接节点构造、变形，构件承载能力及刚度四个检验项目分别评定，得出下列主要结论：

①玻璃面板外观质量，构件连接节点构造、变形满足设计和规范要求；

②有限元分析结果显示四点和六点跨中支承玻璃面板最大应力部位均在支承点附近，且应力计算结果均满足强度设计值要求；最大挠度计算值均满足挠度限值要求；

③实际工程中采用单块四点支承玻璃面板的挠度超限时，可以考虑将相邻两块面板改用一块六点跨中支承面板代替，并进行承载能力和挠度计算；

④本文研究结果为实际工程中，不同点支承方式采光顶玻璃面板的承载力和挠度计算分析方法提供了一定的参考价值。