论玻璃幕墙对结构影响的分析

论玻璃幕墙对结构影响的分析

摘要：幕墙在常规的建筑设计中主要起维护与美观的作用，一般不考虑其对整体建筑的结构贡献，认为幕墙结构是一种附属结构，且相对主体结构其自身刚度较弱故可忽略不计。但对于一些特殊工程，当幕墙结构自成体系且自身刚度较大时，必须考虑其与主体结构之间的相互作用及对整个建筑的结构作用。从一实际工程入手，研究了幕墙的结构作用对整体结构受力性能的影响，并发现可以通过调整幕墙结构支座的约束度来调节它对整体结构刚度的贡献。

关键词：玻璃幕墙；结构设计；分析

中图分类号：s611 文献标识码：a 文章编号：

引言

在常规的建筑设计中，玻璃幕墙主要起维护与美观的作用，一般不考虑其对整个建筑的结构作用，主要原因有两点：一是幕墙结构是一附属结构，常依附于主体结构，自身结构的整体性和体系性不强；二是相对主体而占，其结构刚度较小，可忽略不计。因此在一般的工程设计中，幕墙与主体结构的设计是分开的：幕墙设计时，其与主体结构的连接点假定为支座；主体结构设计时，则将幕墙以荷载的形式作用于主体结构上。对于一般的工程结构而言，这样的假定与分析流程是合理的，但是如果幕墙结构自身刚度较大且不能忽略时，就必须对上述方法进行修正。此时，最好的方法是将幕墙

结构与主体结构合在一起，整体来考虑其所受到荷载尤其是动力荷载作用下的受力性能。本文从一工程实例人手，采用联合建模的方法研究了幕墙的结构作用对整体结构受力性能的影响；并通过改变幕墙结构支座约束的强弱，来调节主体结构与幕墙结构之间受力的分配，从而满足原始设计的要求。本文主要从从一实际工程入手，研究了幕墙的结构作用对整体结构受力性能的影响，并发现可以通过调整幕墙结构支座的约束度来调节它对整体结构刚度的贡献。

1 工程概况

该建筑呈喇叭形状，主体结构采用钢筋混凝上及型钢混凝上粱、柱形成的空间框架结构体系，底部半径为19.4m．顾部乍任为40.6m，总高为22.22m，筒体，共计4层；外部幕墙形状与主体结恂相同，结构采用交叉网格钢结构筒体系，底部半径为24 m，顶部半径为41.5m,心高为22.6 m. 玻璃幕墙结构是采用截面为300x30菱形制框和“x”形铸锯件拼接而成的交叉网格结构，从上到下共存22个网格。每个菱形框均用紧固件与相邻的菱形框和铸钢节点连接起来以确保其能进行共同的工作。其示意图如下图1所示：图1 玻璃幕墙结构示意图

2 玻璃面板的计算

2.1 小变形理论

小变形理论（一阶线性分析）通常用于计算外荷载作用下的玻璃面板内力，可采用解析解、表格或有限元方法计算各种矩形、

圆形或三角形的具有不同边界条件的玻璃面板。

2.2 大变形理论

对于大面积的玻璃面板，小变形理论所得结果通常比大位移理论的结果要大，这是因为板因弯曲变形会产生中面的拉应力，小变形理论忽略了中面拉应力对位移和应力的阻止或抵消效应。

《规范》提供了大变形理论计算四边形玻璃应力和位移的公式，对于复杂形状玻璃可采用有限单元法进行计算，但是需要特别注意边界条件的选择是否符合实际情况。不同的边界约束会对玻璃面板的非线性位移和应力产生很大的影响。

2.3 单片玻璃计算

2.3.1 窗框玻璃的计算

（1）基本原则。

规范jgj102-96采用的是容许应力法，新规范jgj102-2003采用了以概率理论为基础的极限状态设计法。

窗框玻璃在垂直面板的均布荷载作用下，受力状态类同四边支承板，可按四边简支板计算其跨中最大弯矩和最大应力。对于单片玻璃，基于传统计算方法的老规范是取四边简支板的计算模型，采用线性的板弯曲理论计算应力，采用安全系数为2.4的容许应力法验算板的强度。分析发现，当采用非线性方法计算玻璃时，玻璃的应力和位移将明显减小，这是由于非线性理论精确考虑了板因弯曲变形产生的中面拉应力的影响。近年来已经修订完成或正在修订的各国规范已经规定了采用非线性方法计算应力，采用极

限状态设计法进行设计。

2.3.2 规范方法。

①应力校核：按照新规范规定，玻璃内力应采用弹性方法进行计算，其截面最大应力设计值不应超过玻璃大面强度设计值。原规范jgj102-96中规定框支承玻璃，在垂直于板面的均布荷载作用下，玻璃最大应力设计值按下式计算：

上式假定玻璃板只产生弯曲变形和弯曲应力，而面内薄膜应力则忽略不计。当挠度不大于玻璃板的厚度时这种弹性小变形理论是适用的。但是当玻璃的挠度大于板厚，按上式计算的应力则要大于实际的应力。由此新规范jgj102-2003对框支承玻璃，在垂直于玻璃平面的均布荷载作用下的计算公式中考虑了几何非线性的

影响，加入了一个折减系数，即按下式计算玻璃面板的应力：上式中的取值可以用如下表来进行参考：

≤5 10 20 40 60 80 100

11.00 0.96 0.92 0.85 0.78 0.73 0.68

120 150 200 250 300 350 ≥400

0.65 0.61 0.57 0.54 0.52 0.51 0.50

②挠度校核：在原规范中没有规定玻璃面板的挠度要求。实际上，与承载力设计一样，幕墙玻璃的变形设计也是幕墙设计的一个重要方面，因此在后来修订的新规范jgj102-2003中对玻璃面板的挠度计算作了补充。单片玻璃在垂直于板面均布荷载作用下的最大

挠度，应符合下列规定：

上式中，df玻璃在风荷载标准值或永久荷载标准值作用下产生的最大挠度值。

新规范规定玻璃板跨中最大挠度也同最大应力值一样考虑了几何非线性的影响，乘以一个折减系数，也按表9-2取用。四边简支单片玻璃面板的挠度最大值按下式进行计算：

③构造厚度要求：框式玻璃幕墙单片玻璃的厚度不应小于6mm，夹层玻璃的单片厚度不宜小于5mm。夹层玻璃和中空玻璃的单片玻璃厚度相差不大于3mm。

2.3.3 数值分析与研究

为了说明四边简支玻璃面板的几何非线性效应，可以采用数值方法计算一个玻璃面板实例。玻璃面板尺寸为1200mm×1500mm×8mm，如下图所示：

下图给出了这样一个玻璃面板的小挠度理论计算结果、考虑两个边界条件的非线性方法计算结果及按规范公式计算所得结果。

比较结果可见，边界条件差异对非线性计算结果的影响较大。新规范计算结果与边界二的非线性分析结果较吻合，且偏于安全。

3 结论

本文以一有独立幕墙结构体系的结构为研究对象，研究了是否考虑幕墙的结构作用对整体结构受力性能的影响。通过对主体结构、幕墙结构和两者联合而成的整体结构三种情况进行建模与分析，发现当幕墙结构能够单独形成体系，且当其体系刚度较大时，