1 概述
自玻璃誕生之日起,這種無色透明的物質(zhì)便與建筑結(jié)下了不解之緣。隨著“蘋果店”的火熱,通透、純凈的全玻結(jié)構(gòu)系統(tǒng)使玻璃的材料特性發(fā)揮到了極致。當(dāng)我們樂見于越來越大的玻璃幅面、越來越高的幕墻跨度時,全玻結(jié)構(gòu)所具有的設(shè)計、施工問題也日漸凸顯。因此,只有充分認識玻璃的特性,了解全玻結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工的要點,才能在建筑師不斷挑戰(zhàn)技術(shù)極限的考驗中,從容應(yīng)對。
2 玻璃特性分析
玻璃的原子排列為非結(jié)晶的整齊物質(zhì),規(guī)則性低,這是玻璃高透質(zhì)脆的原因。不同于鋼材經(jīng)由彈性到塑性的破壞形式,玻璃的應(yīng)力、應(yīng)變幾乎呈線性關(guān)系,沒有明顯的塑性發(fā)展能力,破壞強度值高度離散。玻璃板的抗拉強度與玻璃表面的裂紋深度、形狀及分布高度關(guān)聯(lián)(見圖1)。當(dāng)作用有外荷載時,裂紋尖端會產(chǎn)生極高的應(yīng)力峰值,與其他材料相比,這樣的應(yīng)力峰值不會因塑性變形而減少。同時,承受長期荷載和發(fā)生不良化學(xué)反應(yīng)都會引發(fā)此裂紋的擴展,造成玻璃承載力下降,圖2顯示了玻璃強度和荷載作用時間的關(guān)系。由于鋼化玻璃表面存在約占其總厚度1/6的受壓區(qū),使其機械性能得到明顯提升,但一旦玻璃表面裂紋擴展到受拉區(qū),玻璃固有的應(yīng)變能將迅速釋放,鋼化玻璃將立即碎裂。

3 玻璃肋幕墻的構(gòu)造設(shè)計
作為全玻結(jié)構(gòu),玻璃肋駁接系統(tǒng)運用最為廣泛,在廣泛運用的同時也暴露了一些技術(shù)問題。為傳力所需,往往一塊玻璃肋板需要開十多個孔,受力的復(fù)雜性及鉆孔帶來的損傷,使得玻璃肋板極易發(fā)生爆裂現(xiàn)象,引發(fā)安全風(fēng)險。鑒于此,肋駁接幕墻的構(gòu)造設(shè)計必須充分適應(yīng)其材料特質(zhì)及結(jié)構(gòu)特點。
3.1駁接件的設(shè)計
從前述的玻璃特性不難看出,在實際工程應(yīng)用中,應(yīng)避免玻璃承受長期荷載,且當(dāng)玻璃作為結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用時,需采取一定的構(gòu)造措施以應(yīng)對玻璃突然破裂而造成的安全風(fēng)險。按照常規(guī)的肋駁接系統(tǒng),面板的自重需通過駁接件傳遞至肋板,由于面板重心與肋板連接件間存在一定間距,面板自重會對肋板產(chǎn)生附加彎矩,影響玻璃肋的承載力。借鑒張拉索桿體系幕墻的構(gòu)造特點,肋駁接幕墻系統(tǒng)可通過在肋板前端設(shè)置不銹鋼索的方式,化解重力、附加彎矩等長期荷載對玻璃肋的不利影響。如圖3所示,不銹鋼索隱藏于面板拼縫處,與面板中心基本重合,通過設(shè)于幕墻橫縫的鎖緊螺釘將肋駁接件鎖定于不銹鋼索上,用以固定幕墻面板。隱索的設(shè)置不僅可提高玻璃肋的承載力,更可在玻璃肋爆裂時,承托玻璃面板,避免幕墻整體垮塌,增加幕墻整體的安全度。設(shè)置重力索后,玻璃肋僅需承擔(dān)面板傳遞的水平荷載及自重,傳力更為直接,但為防止因隱索與玻璃肋變位不協(xié)調(diào)而帶來的附加力,面板駁接件與玻璃肋的連接宜為單孔鉸接方式,通過鉸孔轉(zhuǎn)動,釋放附加彎矩的不利影響。

3.2拼接節(jié)點的設(shè)計
為適應(yīng)大跨度建筑造型,玻璃肋需要通過拼接才能成為整體,其所受的彎矩與肋的跨度平方成正比,跨度越大,拼接處的彎矩及剪力也越大。為減少拼接處內(nèi)力,拼接位置應(yīng)盡量靠近支座處。由于玻璃無塑性發(fā)展能力,拼接節(jié)點無法采用鋼結(jié)構(gòu)的等強連接方式,設(shè)置再多的連接螺栓也不能提高拼接接頭的連接強度。為此,業(yè)內(nèi)常采用膠粘方式,即通過涂刷在玻璃與不銹鋼板間的膠水來傳遞彎矩及剪力,形成等強連接。這種方法有效避免了栓接方式孔邊應(yīng)力集中所帶來的連接節(jié)點承載力低下問題,但在具體的構(gòu)造上還存在一些值得深入分析的要點。
3.2. 1粘接劑的選擇
由于連接節(jié)點需要通過粘結(jié)劑傳遞內(nèi)力,因此粘結(jié)劑必須具有足夠的粘結(jié)強度。環(huán)氧類結(jié)構(gòu)膠抗剪及抗拉強度大,膠接接頭能長期承受振動、疲勞及沖擊荷載,且具有較高的耐熱性和耐候性。通常鋼-鋼室溫抗剪強度>25MPa,抗拉強度≥33MPa。曾利用圖4所示的液壓式萬能試驗機進行某類環(huán)氧結(jié)構(gòu)膠不銹鋼—玻璃的抗剪試驗,抗剪強度可達17Mpa。同時,試驗結(jié)果顯示環(huán)氧膠層厚度的均勻度對粘結(jié)強度影響甚微,膠水流動性適中,便于施膠。此點可有效解決實際工程中因鋼化玻璃、不銹鋼板表面不平整而造成的膠層厚薄不均,影響粘接強度問題。

不銹鋼與玻璃的線脹系數(shù)不同,除考慮傳遞內(nèi)力外,粘接面還應(yīng)考慮兩種材質(zhì)之間的相對溫差位移。圖5模擬了不銹鋼與玻璃在40°C溫差作用下粘接面的溫差應(yīng)力,計算結(jié)果顯示,粘接邊緣應(yīng)力已達80.8861Mpa,遠大于鋼化玻璃邊緣強度。因此,粘結(jié)劑的選擇除了滿足抗剪強度外,還必須具有一定的變位能力,以化解或降低玻璃表面溫差應(yīng)力。通常,粘結(jié)劑的變位能力與粘接強度成反比,粘接強度越高,變位能力越弱,兩者需綜合考慮。

3.2. 2拼接方式設(shè)計
圖7顯示了常規(guī)的膠粘方式,粘接部位采用整塊不銹鋼板連接上下玻璃肋板。當(dāng)遇大跨度玻璃肋施工時,按此方法拼裝成型的玻璃肋整體吊裝需配備大量的人力及機具。若為簡化吊裝,采用高空對接方式,則現(xiàn)場的施工環(huán)境又不利于粘接質(zhì)量。此外,粘接用環(huán)氧類膠十分穩(wěn)定,一旦粘接成型,只有通過高溫或者機械切除的方式進行分離。因此,采用此種膠粘方式連接的玻璃肋,即使只是其中一段發(fā)生破損也必須全部更換,維修成本高昂。
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