肋驳接全玻幕墙设计问题浅析

    点支式玻璃幕墙已被广泛的应用在各类建筑中,其中以玻璃肋为其支承结构的也不乏其例,可称之为肋驳接全玻幕墙。肋驳接全玻幕墙关键是玻璃肋的设计和构造，面玻、驳接头与其它支承结构的点支玻璃幕墙没有多大区别。本文就玻璃肋的设计和构造作初步探讨。

　　一、肋驳接全玻幕墙的现状

    (一) 吊挂方式

　　1.采用钢夹板螺栓吊挂肋玻，吊夹吊挂面玻，详见参考文献2。

　　2.采用吊夹同时吊挂肋玻和面玻。

　　3.采用钢夹板螺栓只吊挂肋玻，驳接爪分层吊挂面玻。

　　4.采用吊夹只吊挂肋玻，驳接爪分层吊挂面玻。

    (二) 肋玻的对接接头

　　 由于肋驳接全玻幕墙高度较大，用整块肋玻一般办不到，所以要设置肋玻的对接接头。做法均采用钢夹板螺栓方案，但螺栓个数的确定原理有不同，故螺栓数量相差较大。

    (三) 肋玻的玻璃种类

　　有单层玻璃和夹胶玻璃之分，亦有钢化玻璃和非钢化玻璃之别。

   (四) 肋玻的计算简图

　　在风载和地震荷载作用下，有简支梁(参考文献1)、两端固定梁(参考文献2)、悬臂梁之别。

    (五) 肋玻强度设计值的取值

　　有取玻璃的面强度设计值(参考文献1)和边缘强度设计值之分。

    (六) 肋玻的侧向稳定

　　高度较大的肋驳接全玻幕墙，有的在肋玻的后侧加水平拉条，以阻止肋玻的侧向变形。

    二、肋玻设计问题的探讨

    (一) 关于吊挂方式

　　无论哪种吊挂方式，风载和地震水平荷载均是通过面玻传给肋玻的，但是重力的传递却是因吊挂方式不同而不同，参考文献2提供的肋驳接全玻幕墙的吊挂方式都是钢夹板螺栓吊挂肋玻，吊夹吊挂面玻，它的重力传递可能有两种情况：一种是面玻的吊挂仅承受最上一块面玻重力，而肋玻的吊挂承受肋玻和其余面玻重力；另一种是面玻的吊挂承受全部面玻重力，肋玻的吊挂仅承受肋面玻重力。如果面玻的吊挂仅仅承受最上面的一块面玻重力，显然是没有必要，若承受全部面玻的重力，实际上不容易实现，原因是爪件下孔为水平长孔,是承受重力孔，爪件上孔为圆大孔，是非承重力孔，要其传力必须将驳接头螺杆在此处扭紧，用摩擦力来抵抗所有下面的面玻重力，所以，在肋驳接全玻幕墙中面玻的吊挂是没有必要的。

    吊夹和钢夹板螺栓方式的吊挂原理和作用是有差别的。吊夹吊挂方式是靠吊夹与玻璃的夹紧摩擦力将玻璃吊挂住的，不能承受肋玻的端弯矩，而钢夹板螺栓吊挂方式有两种机理：一是靠螺栓的抗剪，钢夹板玻璃抗拉，钢夹板孔玻璃孔的抗挤压等将玻璃吊挂住；二是靠螺栓施压，钢夹板与玻璃间涂施树脂胶形成粘结摩擦力将玻璃吊挂住。这种方式做得好，可以达到与玻璃等强，视其为固定端是可以的，而机理一是办不到的。

   (二) 关于肋玻的对接接头

　　目前肋玻的对接接头形式仅有一种──钢夹板螺栓形式(还没有出现，像玻璃家俱中玻璃与玻璃的粘接采用无影胶形式)，这种接头形式显然是从钢木结构的接头形式引用过来的。在钢木结构中可以做到等强接头，原因是钢木的局部抗压强度不低于抗拉压强度，更主要是尽管制作上有容许误差，但因钢木结构有一定的塑性变形性能，各孔可以基本上均匀承力，而玻璃则不同，如按钢夹板螺栓接头第一种机理，玻璃孔的挤压强度取当前规范中的边缘强度，无论如何也设计不出等强接头，而且与等强接头相差甚远，最重要的是玻璃为脆性材料，只要一孔挤压破裂，整个肋就全部破坏，即抗拉(压)只与一个孔的挤压强度直接有关。我们曾为某工程做过粗浅的简单试验，验证了上述的结论。

　　前三组：钢夹板为10mm厚不锈钢。 M16普通螺栓，φ22玻璃孔，精磨，玻璃孔与螺栓间有φ22×3紫铜套管的缓冲硬碰硬。第四组：M16普通螺栓，φ40玻璃孔,玻璃孔与螺栓间有橡胶套管，钢夹板与玻璃间涂有树脂胶。玻璃均为12mm厚钢化白玻。

 1、  试件的抗拉强度标准值

    试件1、(170－22)×12×84×1.785=266293N

    试件2、(290－22×2)×12×84×1.785=442623N

    试件3、(340－22×2)×12×84×1.785=532587N

    试件4、(290－40×2)×12×84×1.785=377849N

    2、螺栓抗剪强度设计值

    一个螺栓 2×130×π×16×16/4=52276

　　二个螺栓 2×52276=104552N

    3、一个玻璃孔的挤压强度标准值

　　22×(12－2)×58.8×1.785=23091N

　　前三组试件中不论单孔、双孔，还是双孔的距离远近，试件的宽度不同，除三个特异值外，破断力均在20多KN，尽管试件净截面抗拉强度值、螺栓的抗剪强度值均远大于破断力，也就是说只与一个玻璃孔的抗力强度有关，再多的孔都不会提高接头的抗力强度。其实，第三项计算是一种巧合，玻璃的均匀受压强度远远大于玻璃的弯曲抗拉边缘强度，况且玻璃的强度离散性很大。

　　试验虽粗浅，但已足够说明钢木结构的对接接头原理不能很好的实现玻璃板的对接，就是说玻璃的对接接头不能以螺栓和玻璃孔间的挤压

强度来设计和构造。究其原因有三：

　　1、 螺栓孔的间距加工有容许误差，不能同时受力。

　　2、 玻璃钻孔必须从两面相对钻进，孔径的同心度有容许误差，孔壁也不能同时受力。

　　3、 玻璃没有塑性变形性能，是脆性材料。

　　因此，玻璃的对接接头不能完全沿用钢木结构的对接接头的理念，而应有自已的机理。我们采用钢夹板与玻璃间涂树脂胶，用螺栓将钢夹板压紧，保持增加钢夹板与玻璃间的摩擦力，(摩擦力与正压力成正比)使螺栓与玻璃孔壁间没有硬性接触(加橡胶套管)不会因硬碰硬将玻璃挤压破裂，改变钢夹板与玻璃的叠合面积和螺栓扭紧的压力，使粘结摩擦力与玻璃的抗拉压及弯曲强度相等，达到等强接头。螺栓的个数取决于螺栓直径和钢夹板厚度。钢夹板在螺栓的压力作用下基本不变形，保证钢夹板与玻璃间的压力在各处都基本均匀。一般的接头，12mm厚不锈钢板，内侧车磨平，4~8个M16螺栓足够。上面写的"粘结摩擦力"一词是因为没有搞清楚是粘结力为主还是摩擦力为主？这是需要进一步研究的。我们已成功的做成风压设计值3.334KN/平米，面玻璃厚22mm、宽2.233m、 高度为2与3M相间，用吊夹只吊肋玻的，肋玻为12+1.52pvb+12钢化白玻、总高13m的肋玻等强接头的肋驳接全玻幕墙。

    (三) 关于玻璃

　　大玻璃全玻幕墙中的面玻和肋玻均是整块的，因为钢化炉的限制不能钢化，没有自爆问题，由于是整块的，面玻或肋玻哪一个突然破裂，一般不会影响全幕墙的立刻倒塌。对于肋驳接全玻幕墙，面玻不是整块的，肋玻要开孔也要钢化，故要设对接接头。因此，肋玻钢化后一定热浸(引爆)处理，更应采用夹胶玻璃，这样，个别肋玻的突然破裂，自身不会散落，而保持"整体"在幕墙上，给局部维修带来可能。

    (四) 关于计算简图

　　参考文献2附录H，4点式幕墙的计算公式，第三章点式幕墙的主结构计算，表4中给出的肋玻的计算简图及弯矩公式是两端固定梁。而本附录给出的"国内外全玻幕墙设计(机构)几种形式"，肋玻上端均为钢夹板螺栓吊挂，下端注明为阻尼减振盒。如果上端的钢夹板螺栓吊挂方式是按等强机理设计，把它简化为固定端无疑是可以的，但下端的阻尼减振盒也简化为固定端则是不能成立的。或者说把两端都视作有同样抗弯强度是不正确的，何况玻璃还存在伸缩间题。所以，不能笼统的给出表4的公式，是不合理、不安全的。不管大玻璃全玻幕墙还是肋驳接全玻幕墙的玻璃肋一般都宜选取简支梁简图，即参考文献3的5.5.8条规定，上端采用等强机理设计，宜选取一端固结一端铰结梁，或下端没有支点的悬臂梁。

　　肋玻的下端支座是要承受水平荷载作用的支座反力的，除了钢槽与支承结构连接牢固，钢槽端部必须封口，而且应在肋玻侧边和钢槽端部间垫上硬橡胶垫块。

  (五) 关于肋玻的强度设计值

    在肋玻的截面设计中，夹胶玻璃的折算厚度应是两片厚度之和。强度设计值在参考文献3的5.5.8条规定的不明确，在参考文献1的例题中采用的是玻璃大面的强度设计值。尽管边缘强度的含义不十分明确(是指玻璃大面的边缘，还是与玻璃大面垂直的侧边为边缘)，还是应按规范条文说明那样采用玻璃的边缘强度设计值。

    (六)关于肋玻的侧向稳定

　　8、9米高的大玻璃全玻幕墙，如肋高500~900mm，玻璃厚度19~22mm肋的宽高比为26~41，任何钢梁设计都不可能达到如此大的比值。或许因为是拉弯构件，工程实践确实存在着。幕墙再高，肋再长了，有的在肋的后侧设置横向拉条，以求肋的侧向稳定。这是个有待深入研究解决的问题。

    参考文献:

    1、 玻璃幕墙工程技术规范应用手册.

    2、 金属与石材幕墙工程技术规范应用手册.

    3、 玻璃幕墙工程技术规范JGJ102-96.