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迅速发展的玻璃结构

来源:2017-2018分析报告  作者:赵西安  日期:2018-4-12
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  提要: 本文介绍了玻璃作为结构材料在建筑工程中的应用。玻璃同时具备透光、高强、轻质、耐久等四项性能,有别于其他结构材料,受到建筑师的青睐。全玻璃结构和玻璃 - 钢材混合结构,已经得到较多的采用。               
  关键词: 玻璃材料,玻璃结构,夹胶玻璃,钢化玻璃

  1 玻璃的结构性能

  1.1 玻璃是独特的结构材料

  不同于钢材混凝土(词条“混凝土”由行业大百科提供)等传统建筑材料,玻璃本身是透明的;玻璃具有很高的强度,尤其是很高的抗拉强度钢化玻璃的抗拉强度标准值可达到150N/m㎡至200N/m㎡,仅低于钢材;由于强度高,玻璃构件(词条“构件”由行业大百科提供)厚度很小,因而玻璃结构的自重很小,全玻璃墙的自重(包括玻璃面板和玻璃柱)在 80kg/㎡ 至 120kg/㎡ 范围内,只为混凝土墙和砌体墙的1/4至1/8;玻璃是化学稳定的物质,几乎没有能腐蚀玻璃的天然介质。

  由于玻璃同时具备透明、高强、轻质、耐久四大特点,它成为独特的结构材料(表1)。

表1 结构材料的性能

  * 铝材(词条“铝材”由行业大百科提供)耐久性取决于镀膜涂装的质量 ; ** 不锈钢耐腐蚀,钢材的耐久性取决于防锈措施。

  1.2 用于建筑结构的玻璃

  1 钢化玻璃:将平板玻璃加热到玻璃软化点温度,用冷风迅速降温,对玻璃施加预应力,就成为钢化玻璃。

  钢化玻璃的强度可以达到平板玻璃强度的3倍到4倍,可以更好地满足结构受力的要求。此外,如遇意外,钢化玻璃破损时,碎裂为颗粒状钝角小块,避免对人体产生严重伤害(图1)。

  2 夹胶玻璃:夹胶玻璃又称夹层玻璃。用于玻璃结构的玻璃,其厚度为6mm至22mm。为满足结构截面的受力厚度,或者为了提高玻璃破碎后的安全性,常常将几片玻璃用胶片粘结为一个整体。当采用PVB胶片时,夹胶玻璃的承载力刚度(词条“刚度”由行业大百科提供)等于各片玻璃的承载力或刚度之和;采用SGP胶片时,夹胶玻璃的等效厚度可采用各片玻璃的厚度之和,因而其承载力和刚度极大地提高(图2)。

  1.3 超大尺寸玻璃

  目前常用玻璃的长度在8m以内,各国热弯夹胶钢化玻璃的长度一般不超过6m。超过长度的结构构件,用不锈钢板(词条“不锈钢板”由行业大百科提供)和不锈钢螺栓连接而成(图3)。

  2012年,中国已经生产世界最大尺寸的玻璃。目前生产最大的玻璃为18m X 4m,厚度最大为25mm(图4)。并且具备了相应的钢化、热弯、夹胶的能力。中国的超大玻璃已经为国内外的玻璃结构提供了强大的技术支持(图5、图6)。

  2 玻璃结构

  玻璃结构常用于板,包括墙板和承重楼板。此外,用于主要承重结构时,有梁、柱和框架(词条“框架”由行业大百科提供)

  2.1 梁式结构

  玻璃梁通常作为玻璃采光顶支承结构,用于高层建筑的顶部、裙房以及大型公共建筑。为了安全,采光顶的面板和承重梁都必须采用夹胶玻璃。

  玻璃梁通常采用铰支座,按简支梁计算。

  玻璃采光顶夹层玻璃面板可以周边支承,也可以采用点支承。按照其支承条件分别进行计算,通常多采用板的有限元分析软件。

  2.2 玻璃柱

  玻璃柱在受弯平面内截面尺寸很大,可以到800mm或更多;而在受弯平面外,受玻璃厚度所限,通常很小。为提高平面外的稳定性,除高度较小(通常高度6m以下)时可以采用底部支承外,多数情况下采用顶部悬挂的支承方式,使玻璃柱处于拉弯的受力状态。当玻璃柱的高度很大时,常采用多片玻璃夹胶以增大玻璃的厚度,从而加大玻璃柱截面的宽度(图15)。

  玻璃柱上下端均采用铰支承,承受玻璃面板传来的自重、风荷载和地震力。玻璃面板可以采用边缘支承方式或点支承方式与玻璃柱连结(图16)。

  玻璃柱较高时,可以采用不锈钢板将几段玻璃柱连接为长柱(图17)。

  图18为北京芳草地中心高层办公综合建筑,大面积玻璃墙面用玻璃柱支承,形成通透的室内空间。

  玻璃柱平面外刚度很小,其平面外稳定性问题要有足够的注意。虽然玻璃柱的一侧有玻璃面板作为平面外的支撑,但是另一侧玻璃柱是无约束的,当承受风吸力时,自由边受压,存在失稳的危险。因此·,当玻璃柱的高度大于8m时,应考虑玻璃柱的稳定问题;大于12m时,必须进行平面外稳定性计算。必要时增加平面外的支撑(图19)。

  平面外支撑可以采用水平玻璃梁、水平不锈钢撑杆、水平不锈钢板等。图20为厦国际会议中心玻璃柱的不锈钢板水平梁式支撑,不锈钢梁自重由竖向不锈钢吊杆支承。

  苏州科技园区设计院高层办公楼,整座建筑的各层玻璃外墙均采用玻璃柱支承,大大扩展了玻璃结构的应用领域(图24)。

  2015年,杭州浙商财富中心的全玻璃大堂创造了全世界最高玻璃柱的记录,玻璃柱高度达到28m。玻璃柱分为3段,在现场安装、就位、连接。玻璃柱截面高度850mm,截面厚度104.1mm,采用5片19mm超白钢化玻璃用2.25mm厚的SGP高强胶片夹胶。三段玻璃柱构件用不锈钢板和不锈钢螺栓现场连接。

  柱的上下端均采用不锈钢夹板形成铰支座(图25)。

  2.3 超大尺寸玻璃面板

  我国已有多家玻璃公司可以生产世界最大规格的玻璃平板(18m X 4m X 25mm),并且北京玻璃公司已具有相应的钢化、热弯、夹胶等深加工能力。所以目前世界各地的超大玻璃面板均由中国供应。

  2012年,我国首先生产了12m X 2.6m 热弯、钢化、夹胶玻璃,供应上海苹果店,打破了国外长度不大于6m 的局限。12块弯曲玻璃,每块玻璃价格达到RMB 120万元。从此,更大规格的面板玻璃不断供应客户要求(图26)。

  2.4 无立柱玻璃板(词条“玻璃板”由行业大百科提供)外墙

  2015年,形状如同巨型飞碟的苹果公司总部在美国加州兴建,玻璃外墙采用14m X 3.3m的超大热弯、钢化、中空玻璃(图27),玻璃加工设备(词条“设备”由行业大百科提供)由中国供应。玻璃外墙不设玻璃柱,全部荷载(词条“荷载”由行业大百科提供)由玻璃板单独承担。

  图28为美国华盛顿总部办公楼,外墙全部为一层楼高的热弯玻璃,由上下层楼面结构简支,玻璃尺寸为3.2m X 1.5m。室内向外望非常通透。

  同样的设计也在巴黎的UNIC项目13层住宅中采用,全部外墙为无玻璃柱支承大尺寸玻璃板,连外挑阳台的栏板也全部采用透明玻璃(图29)。

  2.5 玻璃框架

  全玻璃建筑要求采用透明的玻璃框架。玻璃框架的梁柱构件受力很大,要采用夹胶钢化玻璃。框架梁柱节点刚性连接时,可以采用不锈钢板和不锈钢螺栓连接,也有工程采用胶接(图30,图31)。

   图32为2000年建成的第一个苹果店,位于纽约曼哈顿第五大街,由于当时没有超大玻璃,玻璃面板沿高度分为3块,玻璃柱整根,高度9m,5片15mm玻璃夹胶。玻璃框架梁柱用不锈钢螺栓连接,双向布置,顶部成为交叉梁系。

  此后,苹果店大量采用玻璃框架结构。上海浦东苹果店2012年首次采用了12块高度达12.6m的整片超大玻璃,相应布置了12榀12.6m高的玻璃框架,汇交于顶部的玻璃环梁上。其中4榀组成正交的门式框架 。

  2014年建成的北京三里屯苹果店采用L形玻璃框架,梁柱一体,由整块玻璃切割而成(图34)。

  2.6 玻璃楼梯

  在玻璃建筑中,楼梯自然也采用玻璃结构。玻璃楼梯,无论直楼梯还是螺旋楼梯,都以扶手栏板为承重主梁,楼梯踏板安装在栏板上。栏板和踏板都采用夹胶玻璃以保证安全。踏板通常3片玻璃夹胶,面层玻璃常用刻花玻璃防滑(图35、图36)。

  类似于玻璃楼梯,美国洛杉矶国民银行大楼300m高空设置了玻璃滑梯,也是以玻璃栏板作为主梁,32mm厚的夹胶玻璃底板承重(图37)。

  3 玻璃结构设计的一些问题

  玻璃虽然强度高,但毕竟是脆性材料,而且玻璃构件很薄,所以设计时必须进行认真的强度和刚度计算,玻璃柱还应考虑侧向稳定的问题。曾经发生过玻璃结构在强风作用下破坏的事例。如世界上建筑面积最大的单体工程—成都环球中心的玻璃墙,2016年8月7日,12m高的玻璃柱在强风作用下破坏,导致玻璃墙大面积塌落(图38)。

  3.1 玻璃的材料力学性能

  1 强度设计值

  玻璃是脆性材料,一直到临近破坏,应力与应变几乎是直线关系。玻璃的总设计安全系数K一般取为2.5。考虑到主要荷载风力分项系数K1为1.4,所以材料分项系数K2取为1.8。按照《玻璃幕墙工程技术规范》 JGJ 102 的规定,玻璃的强度设计值可按表2的规定采用。表2中端面指玻璃切割后所形成的表面,其宽度等于玻璃的厚度。边缘指临近端面的玻璃表面,因切割产生微裂缝,强度有所降低。

  玻璃存在许多微观裂缝,在持续应力作用下,其后期强度会降低。因此,采光顶的玻璃面板、玻璃梁、长期水压作用下的水族箱板、水池底板等永久性受力的玻璃构件,其强度设计值应按表2数值的50%采用。

  2 其他力学性能(词条“力学性能”由行业大百科提供)

  玻璃的弹性模量E为0.72 X 105 N/m㎡,玻璃的线膨胀系数为1.0 X 10-5

  3.2 内力分析和截面计算

  玻璃可以认为是弹性均质材料,按弹性构件进行内力分析,并采用通行的弹性内力分析软件。

  截面计算可按材料力学方法进行。

  3.3 相关钢结构设计

  与玻璃结构相关的钢结构,包括钢—玻璃混合结构的钢结构部分,按《钢结构设计规范》 GB50017进行。采用不锈钢板连接玻璃构件,连接计算也按钢结构的方法进行。

  4 结语

  对于大多数结构设计人员来说,玻璃是一种尚待熟悉的结构材料,玻璃结构设计经验还较少。近年来建筑师采用玻璃结构逐渐增多,结构设计也开始接触这一领域。新材料、新结构,对于我们将是新的机遇。

  延伸介绍:

  本文出自2017-2018版《中国门窗幕墙主流技术及市场热点分析报告》,本书以幕墙工程、门窗系统产品两大类体系为主线,围绕其产业链上的型材、玻璃、建筑用胶、五金配件隔热(词条“隔热”由行业大百科提供)(词条“隔热”由行业大百科提供)(密封)材料和生产加工设备等刊出各类市场及技术分析论文。全书坚持为广大读者提供前沿的行业资讯,引导企业家,坚持新品研发、技术创新以适应经济新常态发展;旨在为建筑门窗幕墙行业推送最新的产品、工程技术应用信息等。同时还针对近期竣工的超高层、机场等大型幕墙工程,案例进行分析,并邀请多位标准委员会专家,结合最新的标准规范进行了宣贯和解读。

2017-2018版《中国门幕墙主流技术及市场热点分析报告》

  本书可用于房地产开发商、设计院、咨询顾问公司以及广大门窗幕墙上、下游企业,管理、市场、技术等人士的参考工具书,也可作为门窗幕墙相关从业人员的专业技能培训教材。

  如需要2017-2018版《中国门窗幕墙主流技术及市场热点分析报告》》的读者,敬请联系:QQ:712050366  黄玲

  2017-2018版《中国门窗幕墙主流技术及市场热点分析报告》目录

  序——郝际平

  第一部分行业政策解读

  我国铝合金门窗建筑幕墙行业发展分析——黄圻

  关注绿色、持续发展——2017年门窗幕墙委员会工作报告——董红

  中国建筑幕墙标准化现状和新规范介绍——顾泰昌

  工程质量保险制度简介——张仁瑜

  第二部分主流技术介绍

  双层幕墙(词条“双层幕墙”由行业大百科提供)构造与性能——刘忠伟

  “既有建筑外立面改造”的思考和研究——陈勇

  BIM技术在阿布扎比国际机场项目中的应用——陶伟章绍玉

  玻璃幕墙室内侧耐撞击性能设计及计算——闭思廉 刘晓烽 林伟艺

  玻璃幕墙结构(词条“玻璃幕墙结构”由行业大百科提供)设计的安全风险评价概述——陈峻

  建筑新材及应用——杜继予

  超高层建筑空间曲面幕墙工程设计分析——陈清辉花定兴

  基于BIM技术的建筑幕墙设计下料——曾晓武

  金属屋面及斜面幕墙的排水(词条“排水”由行业大百科提供)防水(词条“防水”由行业大百科提供)构造特点分析 ——王德勤

  建筑幕墙设计新理念与实践——孟根宝力高

  主被动巧妙结合的多功能光伏幕墙——罗多

  倾斜式竖向单拉索点支式幕墙设计与施工——刘长龙洪源晁晓刚

  装配式建筑密封胶及施工操作性要求的研究——窦锦兵 刘延林

  浅谈幕墙开启窗的设计规程——刘晓烽闭思廉

  三维激光扫描技术与精密测量在复杂幕墙工程中的应用研究——陶伟肖飞

  超低能耗绿色建筑铝合金门窗解决方案——李进刘军

  第三部分市场热点分析

  迅速发展的玻璃结构——赵西安

  促进我国房地产与门窗幕墙企业的合作共赢——黄圻

  浅析工程门窗与家装门窗市场现状与发展趋势——吴智勇

  国内幕墙咨询行业发展现状——赵志刚

  2017年建筑用密封胶产品质量国家监督抽查结果报告——朱德明

  种植绿色幕墙对现代建筑及环境的影响——刘玉琦

  建筑门窗幕墙用密封胶条材料特性及发展趋势——庄澎 赵本军

  太阳能光伏阳光房的市场应用与前景分析——龚怡林

  破局:论我国中小型门窗企业发展瓶颈的解决之道 ——赵观新

  装配式建筑节能窗研发与产业化浅析——张国峰

  新规范下的防火玻璃应用——郦江东徐松辉杨永华

  “互联网+”驱动铝型材加工行业转型升级——卢文荣

  “四大因素”引爆门窗幕墙原材料涨价 ——曾毅、黄玲

  密封胶企业致:甲方、工程商的一封信《107胶硅油涨得太凶了》——黄玲

  划重点!“十九大”和“建筑有关的哪些事儿” ——杨伶

  第四部分行业调查报告

  2017-2018年度中国门窗幕墙行业市场研究报告——雷鸣

  2017年度建筑幕墙顾问行业“分析报告” ——曾毅

  中国最牛的“超级幕墙工程”展播——兰燕

  盘点:中国门窗幕墙行业的2017年——黄玲、杨伶

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专家介绍

 赵西安

铝门窗幕墙委员会专家组

工作单位:中国建筑科学研究院

技术职称:研究员

专业:建筑结构,建筑幕墙

专长:建筑结构,建筑幕墙

原文地址:http://www.52mqw.com/info/2018-4-12/44577-1.htm
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