超高玻璃肋幕墙计算及设计浅析

　　随着科学技术的不断发展和人们对美的追求，玻璃幕墙在建筑的各个领域得到越来越广泛的应用，其结构形式也发生着日新月异的变化｡其中，由面玻璃及玻璃肋组成的全玻璃系统因其通透､美观，在工程中也得到了众多设计师和业主的青睐｡但是，由于目前对玻璃这种脆性材料的结构性能尚无全面详尽的理论及试验研究，尤其对于超高玻璃肋这种幕墙类型的计算，国内幕墙设计规范对其强度计算和稳定性计算没有明确规定，因此有必要对于超高玻璃肋中的一些计算问题，特别是强度计算和稳定性计算进行深入研究和探讨｡

　　玻璃肋结构通常由面板玻璃和玻璃肋组成，玻璃肋板与面板玻璃一般垂直放置，承受面板玻璃传来的风荷载和地震荷载等水平荷载｡根据JGJ102-2003玻璃幕墙工程技术规范中的规定，通过验算玻璃肋的截面高度和玻璃肋的挠度来校核玻璃肋的强度｡具体的词条解释和公式规范中有规定，本文不再罗列｡

　　由于玻璃肋的厚度较薄，玻璃肋板类似于承受单面均匀荷载的矩形薄板｡玻璃肋在面内荷载的作用下，首先发生平面内弯曲变形｡随着载荷的增加保持平面内弯曲的能力逐渐减小｡在平面内微小挠动下，就有可能发生平面外弯曲并扭转，即称为平面外失稳或者侧向屈曲｡因此，为了防止发生玻璃肋的平面外失稳，对于超高玻璃肋应进行平面外稳定验算｡

　　玻璃幕墙工程技术规范中建议对于“高度大于8m的玻璃肋应考虑平面外的稳定验算；高度大于12m的玻璃肋，应进行平面外稳定验算，必要时应采取防止侧向失稳的构造措施”｡但是规范中没有给出稳定性计算的具体方法，本文在这里进行探讨和验算｡

　　澳大利亚的玻璃规范AS1228-2006Glassin-building给出了多种边界条件下的玻璃肋的整体稳定性验算｡对于超高玻璃肋，可认为玻璃肋的一边有连续的约束，其极限侧向屈曲弯矩可由下式求得：

　　其中，Mcr为极限侧向屈曲弯矩，N·mm；(EI)y为玻璃肋绕弱轴方向的抗弯刚度，N·mm 2；h为玻璃肋高度，mm；hr为玻璃肋截面的高度，mm；GJ为玻璃肋的抗扭刚度，N/mm2；y0为侧向约束与中性轴的距离，mm；yh为载荷作用点与中性轴的距离，mm｡

　　当承受正风压时（载荷向内），yo与yh取异号；当承受负风压时（载荷向外），yo与yh取同号，极限侧向屈曲弯矩较承受正风压时小，这也反映了弯矩的作用使玻璃肋自由边受压而产生更为不利的影响｡

　　根据上述公式以及采用有限元法对玻璃肋的研究分析发现，玻璃肋的极限侧向屈曲弯矩主要与玻璃肋的厚度和高度有关，玻璃肋的宽度对于超高玻璃肋的极限侧向屈曲弯矩的提高作用并不明显｡而玻璃肋的自重对于玻璃肋的整体稳定有一定影响，采用悬挂式玻璃肋要比落地式玻璃肋具有更高的抗侧向屈曲能力，这是由于悬挂系统中的玻璃肋的自重产生了对于抗侧向屈曲有利的拉力作用｡不过，与玻璃肋的厚度和高度相比，自重在其中的影响还是较小的｡

　　上面的计算方法是采用规范中的公式手算屈曲载荷，在设计过程中还可以采用有限元计算软件ANSYS结构屈曲分析的方法计算屈曲载荷｡ANSYS提供两种分析结构屈曲的技术：非线性屈曲分析和特征值屈曲分析（线性屈曲分析）｡

　　在本文中采用特征值屈曲分析的方法｡在计算中，如果施加一个单位荷载，求解得到的特征值就表示临界荷载，当施加非单位荷载时，求解得到的特征值乘以施加的载荷就得到临界载荷｡

　　特征值的提取方法ANSYS主要提供了两种，子空间方法（subspace）和兰索斯分块方法（BlockLanczos），它们都是使用完全矩阵｡在本文中采用了兰索斯分块方法（BlockLanczos），提取第一阶模态进行分析｡

　　北京某工程采用玻璃肋幕墙，幕墙规格为15m×10.8m，计算高度为11m｡采用平齐式连接方式，吊挂玻璃系统｡

　　在某工程中，玻璃面板的分格为2.221m×2.1m，玻璃肋的高度为9.9m，截面宽度为0.6m，采用TP12+1.52PVB+TP12的钢化夹胶玻璃，承受水平风荷载和地震荷载作用｡

　　经过计算，水平荷载的标准值为：

        

　　水平荷载的设计值为：

        

　　玻璃肋的截面高度：

        

　　玻璃肋挠度计算：

　　玻璃肋的截面宽度和挠度计算均符合设计要求｡

　　根据JGJ102-2003玻璃幕墙工程技术规范7.3.7条：高度大于8m的玻璃肋宜考虑平面外的稳定验算，采用有限元软件ANSYS进行玻璃肋的稳定计算，计算时考虑玻璃肋前端的玻璃对其提供的侧向支撑作用｡

　　玻璃肋板的有限元计算模型如图1所示｡

　　施加单位荷载，经过计算，玻璃肋一阶屈曲模态变形图如图2所示｡

　　经过稳定性计算，得到第一阶屈曲模态特征值为：12.075，由于施加的荷载为单位荷载，所以SET项第一阶的屈曲系数12.075即为最小的屈曲载荷｡即玻璃肋发生平面外失稳的临界荷载为12.075N/mm，本工程中玻璃肋受到的荷载为：5.84kN/m<19.495kN/m，则此超高玻璃肋的整体稳定性满足设计要求｡

　　1）目前国内对于玻璃肋的稳定性的设计及计算的理论还比较少，在设计计算时可以参考板壳理论和国外的一些规范｡

　　2）玻璃肋的自重对于其稳定性有一定的影响，但影响作用较小｡玻璃肋的厚度及高度对于玻璃肋的整体稳定有较大影响｡

　　3）可以通过有限元软件ANSYS进行屈曲特征值分析，得到玻璃肋的屈曲荷载｡这种方法简便直观，准确性高｡