大跨度玻璃幕墙结构设计分析

李岩

迈进外墙建筑设计咨询（上海）有限公司 上海 200235

引言

玻璃作为脆性材料，不适宜作为结构构件，随着PVB胶片的应用，特别是SGP胶片的技术采用，夹胶玻璃可以作为玻璃结构广泛应用在建筑幕墙工程上。本项目根据建筑立项及效果要求，采用大跨度玻璃幕墙，特别是尽量减小横竖向龙骨的尺寸，所以采用了大跨度自承重互为玻璃肋结构体系，每块玻璃面板作为相邻玻璃面板的玻璃肋，玻璃面板之间互相传力及支撑，通过构造设计与计算分析，最后确定了本受力构造满足项目的各项要求。本项目设计理论可以广泛应用类似案例设计，在相对尺寸偏小的工况下，可以采用更加优化的配置，即节约造价，同时创新的幕墙设计为项目效果增加特点。

1 项目概况

2018年6月北京城市副中心绿心图书馆项目立项，该项目位于北京市城市副中心绿心森林公园旁，项目地上建筑面积约5万m2，建筑高度22m。建筑设计对外幕墙要求采用玻璃结构，尽量空透减少横竖向龙骨构件，幕墙竖向跨度21m，水平分割为2.5～3m宽度范围。

2 难点分析

主体结构为钢框架结构形式，屋面为大跨度钢结构支撑形式，钢立柱截面约为500mm宽，600mm长，在地震和风荷载等水平荷载作用下最大水平位移约为45mm。为了凸显玻璃幕墙空透性，考虑采用超大尺寸玻璃结构设计。为了满足建筑设计要求及保证结构安全性等方面因素，在设计过程中采用哪种幕墙结构适用于本项目构造是设计阶段重点考虑及研究的工作内容。

由于主体屋面结构厚度受一定限制，无法采用空间钢桁架结构，屋面钢横梁无法支撑玻璃自重荷载，所以结构体系首先考虑为自承重龙骨体系，玻璃分割尺寸较大，在2.5m～3m之间，玻璃横向及竖向结构构件尺寸较大，不符合构件纤细的设计要求。受苹果店项目建筑玻璃结构系统启发，本项目采用超大玻璃板块设计，考虑到国内玻璃生产尺寸限制，从地面标高5米到屋顶主体结构设置通长玻璃板块，玻璃面板之间形成一定夹角，以形成玻璃板块之间互相支撑及传递水平荷载的受力体系。

其他考虑方向为在玻璃接缝位置设计竖向钢构件或玻璃肋：由于钢构件竖向跨度较大，应采用500mm截面的龙骨，对玻璃的空透性设计有一定影响；玻璃肋构件尺寸约1000mm，对室内使用空间有一定影响，且玻璃肋由于尺寸大，水平仅有一个方向约束，平面外稳定性不好，所以也不作为推荐方案。最后采用自承重互为玻璃肋的支撑结构[1]。

3 结构设计主要参数

3.1 结构设计荷载及工况组合

恒载：幕墙恒荷载为2.95kN/m2主要为玻璃自重及玻璃上下入槽构造钢靴构件重量。

风荷载：根据《建筑结构荷载规范》，同时参考本工程风洞试验报告最大值1.5kN/m2，北京地区重现期为50年的基本风压w0=0.45kN/m2，地面粗糙度B类。

温度荷载：比较根据《建筑结构荷载规范》与《民用建筑热工规范》中北京市最低气温为-13℃和最高温度36.3℃，并考虑特殊天气情况，最大温差取为60℃。

地震作用：本工程所在地区抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.2g，按设防烈度地震计算地震荷载。

设计荷载组合工况按照GB50009—2012《建筑结构荷载规范》及GB50011—2010《建筑抗震设计规范》设计。

风荷载作为主控设计荷载值组合为：

地震荷载作为主控设计荷载值组合为：

式中：S——作用效应组合的设计值；

qwk——风荷载效应标准值；

qek——地震荷载效应标准值；

通过荷载组合计算可以勘查风荷载组合工况作为主控组合值。

3.2 玻璃材料特性

弹性模量：72000MPa

材料重力密度：25.6 kN/m3

线膨胀系数：0.8×10-5/℃～1.0x10-5/℃

泊松比：0.2

4 结构计算与分析

本项目玻璃板块之间相互支撑，传递荷载，玻璃与玻璃板块之间填充硅酮结构胶，结构胶的特性与承载力也至关重要，所以将玻璃与结构胶整体建模分析，同时采用Stand7和Sap2000有限元软件进行弹性静力及动态模拟计算。

图1 玻璃应力云图（单位MPa）

通过有限元建模计算，玻璃采用5X15+20A+2X15的玻璃配置，玻璃夹胶胶片选择1.52mm厚SGP胶片，SGP胶片为离子性中间膜增加玻璃刚度及安全耐久性，经验算玻璃最大应力19MPa，远小于规范规定的端面强度51MPa限值。

经计算玻璃面板在水平荷载的作用下，玻璃面板最大位移5mm，远小于规范规定的2500/60=41.6mm限值。

按照建筑设计的平面布置图，玻璃面板之间的夹角不是取值一致，且个别角度较大，对不同面板夹角进行建模分析，得出不同的玻璃面板之间夹角对玻璃强度及变形影响较大，当角度超过140度以后，玻璃的应力及变形增加较多，具体如下图所示：

图2 不同角度的玻璃强度及变形对应图（应力单位MPa，变形单位mm）

从数据分析，选择角度越大，对位移及强度影响越大，所以保留140度以内夹角的平面设计类型，超过此范围的夹角进行调整，以保证整体结构的安全一致性。

在对玻璃面板稳定性计算的过程中，考虑到玻璃为自承重结构，玻璃的稳定计算尤为重要，由于目前规范没有对玻璃结构曲屈因子规定具体数值，建议取值范围在1.5-2.5区间，具体与结构模型及结构重要性有关，结合本项目建筑及幕墙复杂性，曲屈因子取值为2.0。

5 玻璃结构构造设计特点

考虑风荷载及地震荷载及各种工况组合，屋面钢结构位移较大，为避免屋面结构的各方向位移产生额外玻璃应力而导致玻璃破损，玻璃上下的支撑形式尤为重要。

玻璃面板上下边采用不锈钢槽作为玻璃嵌固构造措施，一方面可以在生产及运输过程中对玻璃进行保护，同时作为玻璃受力的转换构件。上槽采用铰接构造与顶部钢结构连接，但需要采用竖向长圆孔构造，以释放竖向的约束，本项目结合屋面位移数值设计了100mm的变位能力，做到玻璃自重不能传递给屋顶钢结构，同时，屋面结构在恒荷载及活荷载作用下的位移不会对玻璃结构产生额外作用，但是玻璃面板所承受的水平荷载传递给屋面结构以提供水平约束；底部钢槽与底部钢结构采用点式盆式结构，盆式结构设置在玻璃底部中间位置，构件之间相互作用可以对玻璃面板在平面内外均形成水平约束作用。一方面要验算此构造应承受较大的玻璃自重荷载，承重构件及玻璃局部的设计强度均在承载能力以内；另一方面，本项目屋面水平位移按照120mm范围设计，按此数值模型以底部铰支座为圆心，在水平各个方向的转动，均可以适应主体结构水平大变形位移，避免由此产品额外玻璃应力而破坏。

此构造系统可以满足同时作为玻璃面板的水平限位构件，以传递各玻璃之间的面内水平荷载。嵌固上下玻璃槽的两边钢构件均采用聚四氟乙烯垫块，以保证构件之间连接的耐久性及弹性接触。

6 结束语

本设计构造符合建筑设计概念要求，运用自然生态设计理念，屋面仿生树冠设计，四面幕墙无任何非透光材料，以实现视线空透，形成与自然景观融为一体的建筑设计，给予建筑超乎想象的外观效果及室内的舒适感观体验。作为本项目的关键技术特点，超大玻璃幕墙设计经充分的设计及分析，具备进一步开展深化的条件。

此方案经深化后，通过业主组织的几轮专家论证会，在论证过程中，很好地吸取了各权威专家的建议，最后将此方案落实到施工图设计，现在正在安排四性试验，以论证结构合理性及完善性。

目前，在国内已完工的玻璃自承重体系项目均在12m高度范围以内，本项目设计尺寸开创了超大尺寸设计先例，在结构设计、结构分析、生产工艺及运输安装等各个方面为幕墙专业人员提供了非常宝贵的技术经验。