大跨度全玻幕墙系统技术分析

朱江

摘 要：大跨度全玻幕墙系统是以夹胶钢化玻璃为面板，以金属杆件、玻璃肋及横竖向稳定锁为组合支撑系统，通过支撑组合系统将力传递到主体结构上的建筑幕墙。本文通过我司承建的项目实例，分析了较为复杂受力情况下，大跨度全玻幕墙的设计要点。

关键词：夹胶钢化玻璃；不锈钢吊夹；稳定拉锁

一、大跨度全玻幕墙案列分析

我司承建的大跨度全玻幕墙系统用于宴会厅外立面，竖向高度为12m，宽度为2.5m。面板玻璃采用15mm超白钢化+2.28PVB+12mm超白钢化夹胶彩釉玻璃，玻璃肋采用19 +1.52PVB+19超白钢化夹胶玻璃。

在前期方案讨论阶段，有以下三种方案：

1.玻璃面层采用整块玻璃，即单片玻璃为宽度2.5m，高度12m，该方案结构形式单一，设计相对简单，受力模型较为明确。但是咨询玻璃厂家后，这种超常规的玻璃面板供货周期长、成本高，施工中运输、安装都存在较大的风险，包括后期的玻璃破损更换成本都是要高出普通玻璃几倍。综合考虑成本及安装风险等因素，该方案未被采用。

2.玻璃面板采用两片拼接，即单片玻璃宽度为2.5m，高度为6m，上下两片玻璃通过钢板拼接成一块，所有重力传到顶部的吊挂构件上。该方案材料及安装成本相对而言，稍低于第1种方案，但是上下两片玻璃的拼接构件较为复杂，存在安全隐患，故该方案未被采用。

3.综合考虑前两种方案的优缺点，最终采用两片玻璃各自受力的形式，上片玻璃吊挂，下片玻璃落地的设计思路，既可以解决大玻璃板块的高成本，也可以达到合理受力的目的。

本工程面板规格（面板宽度2.5m，高度6m）、自重（面板重1036kg，肋玻璃重263kg）较大，并且是上、下两片玻璃拼接的大跨度全玻幕墙，总竖向跨度12m，受力较大且复杂，在综合分析该幕墙受力后，在传统的单片全玻幕墙的受力模型基础上，进行优化。传统的落地式，上片玻璃自重需要传递到下片玻璃，上、下片玻璃拼接处连接较为复杂，受力稳定性也不理想；如果采用吊挂式，上端的吊夹受力增大一倍，下片玻璃传力至上片玻璃的构造也存在风险，另外当上片玻璃自爆后，下片玻璃将失去支撑，存在较大的安全隐患。综上，本工程采用上片玻璃吊挂，下片玻璃落地的设计理念，大样详见下图：

上端连接构造分析：

上片玻璃面板及玻璃肋均采用吊挂式，使上片玻璃自重由上端吊夹支撑，后端玻璃肋承担水平力，上端吊挂由双面不锈钢夹板、无纺布加环氧树脂专用结构胶、不锈钢螺栓组合件配合使用。结构胶使玻璃与不锈钢吊夹充分粘结，并且避免了玻璃与不锈钢板的刚性接触，螺栓穿过玻璃与钢板，主要承担玻璃的自重。该设计使玻璃自重在结构胶与吊夹结构作用下，存在着双保险的效果。整个吊夹隐藏在铝板吊顶内，复杂的受力构件完全不影响外观效果，巧妙地增加了整个全玻幕墙的通透与整洁。

中间连接构造分析：

中间支撑根据建筑师的要求，尽可能的弱化该部分的可视性能，以满足受力要求而不影响外观效果为主要设计思路。基于此，中部支撑构件采用特制细长不锈钢杆件，前端夹住上、下片玻璃，后端焊接于主体钢结构上。该杆件不承受玻璃自重，主要承担玻璃的水平力。

中间支撑杆件设计的巧妙构思主要有以下三点：

1.经结构计算，只承担水平力的情况下，该不锈钢板高度只需要150mm，细长圆杆为直径60mm，远小于最初构思的1500mm高度，尺寸了缩小了近10倍。

2.横、竖向稳定拉索通过构件中的圆孔夹紧，横向φ10拉索与水平玻璃缝隙同一高度，竖向φ10拉索与玻璃竖向缝隙等分格设置，即所有拉索都设置在玻璃缝隙后面，不会打断玻璃的整体性外观。

3.杆件喷涂成浅色系，透过玻璃观看，基本不影响建筑外观的通透性；整体效果得到了建筑师的充分肯定。

下端连接构造分析：

下片玻璃采用落地式设计，让玻璃自重直接落在钢槽内，上端用不锈钢支撑杆件支撑，后端用玻璃肋承受水平力，整个支撑构造都隐藏于铝板面层内。

二、玻璃面板与连接件结合处设计要点分析

本工程玻璃面板与不锈钢连接件之间的连接采用的是双保险设计，即螺栓可承受玻璃面板的重力，环氧树脂胶也可承受玻璃面板的重力。钢化夹胶玻璃面板用两片不锈钢连接件夹住，结合面设置无纺布和环氧树脂胶，用三组M20的螺栓夹紧不锈钢板和玻璃面板，螺栓穿过的玻璃孔内需要设置尼龙套，尼龙套与玻璃面板之间、尼龙套与螺栓之间灌注环氧树脂胶，避免玻璃孔的应力集中。在单独验算螺栓承受重力、单独验算环氧树脂胶承受重力均能够满足要求的前提下，通过玻璃与不锈钢板间粘接环氧树脂胶、三组M20的螺栓共同受力，承担玻璃的重力，可预防螺栓与玻璃孔位置不均匀受力、环氧树脂胶失效的风险。

环氧树脂胶单独承受玻璃面板重力时，胶剪切力的验算：

本工程采用的是强力环氧胶，根据厂家的技术报告，此类产品的剪切强度在20MPa（2x107N/m2）左右。

本工程中面板产生的剪切力 =G/4A

式中

G——单块玻璃的重量（N）

A——單个不锈钢连接件与玻璃的接触面积（m2）

G=69.12Kg/m2X2.5mX6mX10N/Kg=10360N

A=4x350x130x10-6m2=0.182m2

=10360N/0.182m2=5.7x104N/m2<2x107N/m2

由计算可知，环氧树脂胶满足承载玻璃面板重力的要求。

螺栓单独承受玻璃面板重力时，玻璃孔局部受力验算：

面板钢连接件承受玻璃自重，因此面板玻璃开孔处，玻璃与螺栓接触面上的局部支承应力可以采用下式验算（单个钢件螺栓数设置3个，但考虑两点决定一条直线的原理，计算时取2个，即每块玻璃面板重力由4个M20螺栓共同承担）：

G=G/4bt≤[fgb]

式中

G——玻璃与螺栓接触面上的局部支撑应力（N/mm2）；

G——单块玻璃的重量（N）；

b——玻璃孔径；

t——玻璃厚度；

[fgb]——面板玻璃的边缘强度设计值（N/mm2）。

G=69.12Kg/m2X2.5mX6mX10N/Kg=10360N

G=10360/（4x30x27）=3.2N/mm2≤41.3N/mm2

由计算可知，螺栓连接满足承载玻璃面板重力的要求。

三、结语

大跨度全玻幕墙系统广泛应用于实际工程，设计方案也是千变万化，相关的规范和标准也对该类型幕墙系统的设计有着很好的指导作用。但是结构安全与建筑美学的实现需要合理的构造设计，上吊挂式、下落地式的设计思路可有效解决部分大跨度全玻幕墙的难题。

参考文献

[1] 建筑结构荷载规范.广东：中国建筑工业出版社，2014.

[2] 建筑玻璃应用技术规程.北京：中国建筑工业出版社，2015.

（作者单位：深圳中航幕墙工程有限公司）