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建筑玻璃幕墻設(shè)計方法淺析

文檔作者：王建彪文檔來源：廣州江河幕墻系統(tǒng)工程有限公司		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年03月01日
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建筑玻璃幕墻設(shè)計方法淺析
■王建彪　■廣州江河幕墻系統(tǒng)工程有限公司，廣東　廣州?。担保保常矗?
摘　要：本文介紹了玻璃幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計需注意的一般問題，簡要介紹玻璃幕墻結(jié)
構(gòu)的組成與類別，國內(nèi)外玻璃幕墻設(shè)計方法的研究進(jìn)展，并對今后研究
工作提出若干建議。
關(guān)鍵詞：玻璃幕墻　組成　分類　設(shè)計方法
建筑幕墻是建筑物不承重的外墻維護(hù)結(jié)構(gòu)，除了具有建筑的基本
使用功能（包括采光、承載、保溫等）外，還具有豐富的藝術(shù)性（構(gòu)造精
巧、表現(xiàn)力強(qiáng)、品質(zhì)純凈等），因此，建筑幕墻在我國的使用范圍已經(jīng)從
商業(yè)擴(kuò)展到民宅，幕墻使用的材料也越來越廣泛。然而，玻璃幕墻本身
造價昂貴，且抗風(fēng)，抗震性能較差；能耗較大，容易對周圍環(huán)境形成光污
染，相關(guān)設(shè)計規(guī)范仍不是十分成熟。目前我國玻璃幕墻的設(shè)計方法和
設(shè)計經(jīng)驗(yàn)有待于積累和提高。因此玻璃幕墻設(shè)計方法的分析研究具有
重要的理論意義和現(xiàn)實(shí)意義。本文簡要介紹建筑玻璃幕墻的組成分
類，以及國內(nèi)外的分析研究進(jìn)展情況，介紹了工程實(shí)踐中的幾種實(shí)用設(shè)
計方法，并提出值得研究的若干問題。
１　玻璃幕墻的組成與分類
１．１　玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的組成
玻璃幕墻結(jié)構(gòu)是由玻璃或鋁、鋼等金屬材料組成，并經(jīng)過加工、連
接和安裝組成，可承受風(fēng)荷載、溫度等可能作用，并滿足各項預(yù)定功能
要求的工程構(gòu)筑物。玻璃幕墻結(jié)構(gòu)通?？梢苑譃椴Ａ姘?、支承結(jié)構(gòu)
（含連接件）和基座（結(jié)構(gòu)）三部分。
１．２　玻璃幕墻建筑結(jié)構(gòu)的類別
按玻璃幕墻形式，可分為：（１）明框玻璃幕墻：金屬框架的構(gòu)件顯
露于玻璃面板外表面的框支承玻璃幕墻；（２）隱框玻璃幕墻：金屬框架
的構(gòu)件隱藏于面板內(nèi)表面的框支承玻璃幕墻；（３）半隱框玻璃幕墻：介
于前兩者之間。
按幕墻安裝方法，可分為：（１）構(gòu)件式玻璃幕墻：立柱、橫梁和玻璃
面板均在現(xiàn)場進(jìn)行安裝；（２）單元式玻璃幕墻：將面板和金屬框架（立
柱、橫梁）在工廠組裝為幕墻單元，以單元形式在現(xiàn)場進(jìn)行整體安裝。
按幕墻面板的支承形式可分為：框支承玻璃幕墻、點(diǎn)支承幕墻以及
全玻幕墻。
按玻璃面板是否作為該結(jié)構(gòu)的主要受力部件分為：組合式結(jié)構(gòu)，玻
璃面板與其它板件共同組成統(tǒng)一的結(jié)構(gòu)體系，并相互依存不可缺，否則
結(jié)構(gòu)失效。集合式結(jié)構(gòu)：玻璃面板一般作為附屬結(jié)構(gòu)，支承結(jié)構(gòu)（包括
基座）作為基本結(jié)構(gòu)，二者相對獨(dú)立。
按支承結(jié)構(gòu)剛度分為：剛性支承結(jié)構(gòu)和柔性支承結(jié)構(gòu)。前者組成
結(jié)構(gòu)的基本構(gòu)件，均為剛性桿件，如梁、剛架、桁架、網(wǎng)架等；后者組成結(jié)
構(gòu)的相當(dāng)多的基本構(gòu)件是僅能承受拉力的柔性桿件，而不是剛性桿件，
如張拉索桿結(jié)構(gòu)等。
２　設(shè)計方法概述
２．１　玻璃幕墻主要設(shè)計內(nèi)容
玻璃幕墻的剛度和承載力都較低，強(qiáng)風(fēng)或地震作用容易引起破壞
和脫落，因此必須進(jìn)行風(fēng)荷載、地震作用、溫度應(yīng)力作用下的設(shè)計計算
和變形驗(yàn)收。其主要過程包括：
（１）結(jié)構(gòu)設(shè)計的一般原則和方法。玻璃幕墻屬于建筑的圍護(hù)結(jié)
構(gòu)，不承受主體結(jié)構(gòu)的地震作用，但須保證幕墻及其連接件承載力足
夠，且剛度、相對主體結(jié)構(gòu)的位移能力滿足要求。作為非承重構(gòu)件，幕
墻結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)是小震下保持彈性，故應(yīng)采用彈性計算方法。（２）基
本參數(shù)的選取。現(xiàn)行玻璃幕墻規(guī)范對幕墻結(jié)構(gòu)的荷載與作用取值、材
料的力學(xué)性能取值均有較為詳細(xì)的規(guī)定，此處不予贅述。（３）玻璃應(yīng)
力計算。主要需計算玻璃在風(fēng)荷載作用下的最大應(yīng)力；在年溫度變化
作用下玻璃邊緣與邊框的擠壓應(yīng)力；玻璃中央與玻璃邊緣的溫差應(yīng)力
等。（４）橫梁和立柱的計算。當(dāng)矩形玻璃板材四周均有橫梁／立柱支
承時，荷載可按４５度分角線劃分傳遞到四周支承。橫梁以立柱為支
承，并可按簡支計算。（５）結(jié)構(gòu)膠計算。（６）幕墻與主體結(jié)構(gòu)的連接
等。計算過程中荷載傳遞路徑分析十分重要，而應(yīng)力分析及變形驗(yàn)算
也是重難點(diǎn)。
２．２　國內(nèi)外設(shè)計方法概述
對于玻璃幕墻結(jié)構(gòu)中玻璃的設(shè)計，目前國內(nèi)外有眾多方法，下面介
紹其中典型的三種方法。
最大應(yīng)力理論設(shè)計法：最大應(yīng)力理論法以薄板的大變形理論應(yīng)力
分析（在均布的，靜壓力作用下）為依據(jù)，假定玻璃表面任何一處達(dá)到
極限拉應(yīng)力時即達(dá)破壞，進(jìn)行有限元分析。ＰＰＧ公司進(jìn)行了大量有限
元計算，應(yīng)用其分析結(jié)果，于１９７９年推出了以最大應(yīng)力理論為基礎(chǔ)的
玻璃設(shè)計圖表。此后，沃布蘭及其合作者，利用有限差分法對大變形薄
板玻璃在均布側(cè)向靜壓力作用下的應(yīng)力進(jìn)行了分析，取得了較大的進(jìn)
展，能利用電算快速運(yùn)算并經(jīng)實(shí)驗(yàn)論證，可適用于各種類型玻璃。
斷裂理論設(shè)計法：１９７２年，布朗根據(jù)靜態(tài)疲勞和斷裂力學(xué)理論，給
出了著名的布朗積分公式———玻璃累積損傷破壞的計算公式。該理論
認(rèn)為只要強(qiáng)度累積損傷量值達(dá)到與加載方式無關(guān)的臨界值時，玻璃就
破壞。依據(jù)該理論的設(shè)計方法稱為斷裂理論設(shè)計法。然而，由于斷裂
理論設(shè)計法過于復(fù)雜，難于在實(shí)際工程實(shí)踐中進(jìn)行應(yīng)用。
實(shí)用公式設(shè)計法：由于矩形薄板玻璃在風(fēng)壓作用下的應(yīng)力狀態(tài)計
算十分復(fù)雜，理論結(jié)果與實(shí)驗(yàn)情況也有出入，且目前尚無成熟的計算方
法，因此，日本舍棄建立玻璃容許應(yīng)力與風(fēng)壓之間的關(guān)系式的方法而采
用風(fēng)壓與玻璃安全厚度之間的實(shí)用關(guān)系式。
３　研究中的問題
３．１　設(shè)計管理問題
在目前的工程實(shí)踐中，建筑幕墻工程一般都是由業(yè)主直接承包的，
但是業(yè)主在招標(biāo)的過程中往往因?yàn)闀r間緊迫等原因，投標(biāo)單位沒有足
夠的時間去熟悉圖紙，還有很多設(shè)計圖紙缺乏節(jié)點(diǎn)細(xì)部的詳圖及做法，
過于粗糙，導(dǎo)致中標(biāo)單位在后期施工過程中沒有足夠的依據(jù)指導(dǎo)施工，
影響工程整體的質(zhì)量。因此，我們要加強(qiáng)對于設(shè)計階段的重視程度，避
免設(shè)計圖紙與施工現(xiàn)場的沖突。在設(shè)計階段要保證圖紙設(shè)計的深度與
科學(xué)性，提供節(jié)點(diǎn)細(xì)部的詳圖以及具體做法，設(shè)計中要有防雨水滲漏性
能的措施等，能夠有力地指導(dǎo)現(xiàn)場施工，并且在后續(xù)的施工過程中要有
專門的設(shè)計師在現(xiàn)場指導(dǎo)施工，解決施工過程中的技術(shù)問題。
３．２　設(shè)計風(fēng)荷載取值問題
高層、超高層玻璃幕墻上設(shè)計風(fēng)荷載的取值是非常重要的，它關(guān)系
到幕墻的安全與經(jīng)濟(jì)問題，在我國荷載規(guī)范中，以３０年一遇的１０分鐘
平均風(fēng)速壓力作為風(fēng)荷載的基本風(fēng)壓的，這對主體結(jié)構(gòu)是適用的。然
而，幕墻在瞬時風(fēng)作用下容易損傷破壞，國外一般將３秒平均風(fēng)速壓力
作為瞬時風(fēng)壓，而在同一地點(diǎn)的１０分鐘平均風(fēng)壓與３秒鐘風(fēng)壓相差巨
大，后者將近前者的兩倍，因此按１０分鐘風(fēng)壓為基本風(fēng)壓的風(fēng)荷載進(jìn)
行設(shè)計是非常不安全的。同時在美日等國都做過大量的幕墻風(fēng)洞試
驗(yàn)，并配合理論分析，以求得較嚴(yán)密的風(fēng)壓設(shè)計值供設(shè)計使用。因此，
對于設(shè)計風(fēng)荷載取值的問題，我國還需做大量實(shí)驗(yàn)，并進(jìn)行理論分析，
以期達(dá)到安全可靠的設(shè)計。
３．３　可靠性分析問題
基于可靠度理論的設(shè)計方法是先進(jìn)的設(shè)計方法．在玻璃幕墻設(shè)計
方法上引入可靠性理論，無疑具有重要的理論意義和實(shí)際意義．因此有
必要加大對玻璃幕墻的靜力、動力、時變可靠度研究和分析，這必將大
大推動玻璃幕墻設(shè)計方法發(fā)展。
參考文獻(xiàn)
［１］李創(chuàng)第．高層建筑玻璃幕墻方法評述［Ｊ］．建筑技術(shù)，２０１２，７（３）．
［２］黃本才，陣重早．高層建筑中玻璃幕墻的抗風(fēng)設(shè)計［Ｊ］．建筑結(jié)構(gòu)學(xué)
報，２０１１，１２（３）．
·１１·
２０１４年第１４期（總第１４３期）　　　　　　　　　　　　　江西建材　　　　　　　　　　　　　　　　　　建筑與規(guī)劃設(shè)計

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