浅析幕墙玻璃多余约束分析

2018-03-22  来自: 济南既有幕墙维护有限公司 浏览次数:591

1、概述

  随着社会的发展,高层和超高层建筑的出现是必然趋势,玻璃幕墙作为围护结构是高层和超高层建筑的。

  幕墙作为建筑物的外围护结构,主要承受自重及直接作用于其上的风荷载、地震作用、温度效应,不分担主体结构承受的荷载或地震作用。幕墙的支承结构、玻璃与框架之间,须有一定变形能力,以适应主体结构的位移;当主体结构在外荷载作用下产生位移时,不应使幕墙构件产生过大内力和不能承受的变形。因此支承组件的设计也是幕墙设计的重要组成部分。                     

  近几年来玻璃幕墙玻璃破碎的事件频频发生,高空玻璃的坠落对下面经过的行人和车辆造成伤害,引起了社会各界的关注。

  钢化玻璃其实是一种预应力玻璃,为提高玻璃的强度,通常会对玻璃进行钢化处理,钢化处理后玻璃表面形成均匀压应力,而内部则形成张应力,玻璃承受外力时首先抵消表层应力,从而提高了承载能力,增强玻璃自身抗风压性,冲击性等,其强度的增加相对浮法玻璃提高了3倍。玻璃杂质是玻璃自曝的内因,如硫化镍晶体:已知理论上的NIS在379。C时有一相变过程,从高温状态的a—NIS六方晶系转变为低温状态B—NI三方晶系过程中,伴随出现2.38%的体积膨胀。这种膨胀打破了钢化玻璃内平衡,使离散性的特点充分显现出来,形成玻璃自曝,这是玻璃自曝的内因。

  另建筑幕墙在垂直于幕墙的水平均布荷载作用下,幕墙框格构造体系各框料构件间形成的受荷单元可视为四边铰接的简支板。在各个受荷单元的四角作45°斜线,使其与平行于长边的中线相交,这些线把每个受荷单元分成四块,每块面积所承受的均布荷载传给其相邻的框格构件。每个构件上所承受荷载可近似的简化为简支梁上呈梯形或三角形分布荷载。而在幕墙设计和施工过程中因人为因素造成了实际工况与设计工况不相符将产生多种形式的多余约束,如平面内的约束,集中荷载产生的约束,温度效应产生的能量瞬间释放;风荷载及地震作用下建筑物各层间发生相对位移时;金属框架有足够的随动变形;这种平面内变形一旦产生对玻璃 板块的约束是玻璃自曝的直接外因  。外因造成的玻璃表皮损打破了钢化玻璃的张压应力平衡。致使玻璃产生自曝。设计和施工的规范化将大大降低外因造成的玻璃自曝。 这也是某些工程大面积自曝根本原因。  根据我院多年的设计经验玻璃自曝有能力完全控制在3‰以内  ,今天有幸和大家共同分享倍感荣幸。

2、玻璃强度参数

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3、玻璃挠度计算

  df=ημwka4/D≤df,lim    

  上面公式中:     

  df:玻璃板挠度计算值(mm);     

  η:玻璃挠度的折减系数,按θ=wka4/Et4查表;     

  μ:玻璃挠度系数,按边长比a/b查表6.1.3[JGJ102-2003] ;     

  wk:风荷载标准值(MPa)    

  a:玻璃板块短边尺寸(mm);    

  D:玻璃的弯曲刚度(N·mm);    

  df,lim:许用挠度,取短边长的1/60; 

  其中:    

  D=Et3/(12(1-υ2)) 

  上式中:    

  E:玻璃的弹性模量(MPa);     

  t:玻璃的厚度(mm);     

  υ:玻璃材料泊松比,为0.2;

4、玻璃强度计算

  校核依据:σ≤[fg]    

  θ:玻璃的计算参数;     

  η:玻璃的折减系数;      

  qk:作用在玻璃上的荷载组合标准值(MPa);(风荷载、地震作用)      

  a:分格短边长度(mm);      

  E:玻璃的弹性模量(MPa);      

  t:玻璃厚度(mm);     

  θ=qka4/Et4            

  σ:玻璃在组合荷载作用下的板中应力设计值(MPa);     

  q:作用在板块玻璃上的荷载组合设计值(MPa);    

  a:玻璃短边边长(mm);     

  b:玻璃长边边长(mm);     

  t:玻璃厚度(mm);     

  m:玻璃弯矩系数, 按边长比a/b查表;    

  σ=6mqa2η

  通过上述计算公式玻璃强度计算仅与风荷载和地震作用有关,玻璃挠度仅与风荷载有关。   因此相对于玻璃幕墙平面外除风荷载和地震作用外的其它荷载和作用均为多余荷载,平面内阻碍幕墙板块相对运动的约束均为多余约束。

5、幕墙玻璃多余约束分析

  平面外多余约束:

  此种构造形式幕墙的自重荷载不能有效传递与幕墙结构(角码螺栓间距不足),在玻璃的自重荷载作用下易造成横梁翻转,横梁的实际工况对玻璃产生了多余作用力。

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  平面内多余约束

  玻璃幕墙平面内变形,是由于建筑物受风荷载或地震作用后,建筑物各层间发生相对位移时,金属框架产生的随动变形,这种平面内变形对玻璃幕墙造成的损害不容忽视。玻璃幕墙平面内变形性能,应区分是否抗震设计,给出不同要求。地震作用时,近似取主体结构在多遇地震作用下弹性层间位移限制的3倍为控制指标。保证玻璃在金属框架随动变形后不受挤压,应对玻璃边缘至框架间的间隙计算确定。

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所列各类结构应进行多遇地震作用下的抗震变形验算,其楼层内的弹性层间位移应符合下式要求:

  Δue≤[θe].h     

  式中:Δue——多遇地震作用标准值产生的楼层内的弹性层间位移;计算时,除以弯曲变形为主的高层建筑外,可不扣除整体弯曲变形;应计入扭转变形,各作用分项系数均应采用1.0;钢筋混凝土结构构件的截面刚度可采用弹性刚度;

  [θe]——弹性层间位移角限值;

  h——计算楼层层高。

  明框幕墙的玻璃边缘至边框槽底的间隙应符合下式要求:

  2c1+2c2(l1/l2)≥μlim     

 式中:μlim——由主体结构层间位移引起的分格框的变形限值(mm);

  l1——矩形玻璃板块竖向边长(mm);

  l2——矩形玻璃板块横向边长(mm);

  c1——玻璃与左、右边框的平均间隙(mm),取值时应考虑1.5mm的施工偏差;

  c2——玻璃与上、下边框的平均间隙(mm),取值时应考虑1.5mm的施工偏差。

  注:非抗震设计时,应根据主体结构弹性层间位移角限值确定;抗震设计时,应根据主体结构弹性层间位移角限值的3倍确定。

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 假定明框玻璃幕墙层高3.5m,玻璃分格高为1800mm、宽1200mm,玻璃与左、右边框的平均间隙c1为5mm,玻璃与上、下边框的平均间隙c2为6mm,考虑施工偏差验算时c1取3.5mm,c2取4.5mm;考虑抗震设计,则:

  2c1+(l1/l2)*2c2=2*3.5+(1800/1200)*2*4.5=20.5mm

  如果该主体结构为钢结构,则层间位移角限值为:

  3500*3/300=35mm

  由层间位移引起的分格框变形限值μlim 为:

  μlim =(1800/3500)*35=18mm<20.5mm

  则幕墙玻璃不会被挤压,因此为避免玻璃平面内的多余约束边缘间隙c1、c2必须经过计算确定。

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  幕墙在平面内应有 一定的活动能力,以适应 主体结构的侧移 。立柱每层设活动接头后,就可以使立柱有上下活动的可能,从而使幕墙在自身平面内能有变形能力。若型材断面选择不合理,对应导电通路的立柱在避雷设计做电路导通连接时螺钉易造成对立柱上下活动的约束,见多余约束点。这种设计极易造成螺钉剪断,在螺钉剪断的瞬间形成能量的快速释放,此状况极易造成外片玻璃形成外因自曝。  

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  隐框玻璃幕墙由结构胶厚度和附框与压件的间隙来满足幕墙平面内变形性能。这种玻璃板块浮动式的设计保证了面板及杆件计算时荷载均匀分布,前后定距压件的设计保证了板块浮动连接,间距300分布保证了幕墙板块的平整度。

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玻璃板块的结构胶缝的厚度适应变形要求

ts≥us/[δ(2+δ)]-2 

ts——硅酮结构密封胶的粘接厚度(mm); 

us——幕墙玻璃的相对于铝合金框的位移(mm),由主体结构侧移产生的相对位移可按us =θ.hg计算,必要时还应考虑温度变化产生的相对位移; 

[θ]——风荷载标准值作用下主体结构的楼层弹性层间位移角限值; 

hg——玻璃面板高度(mm),取其边长a或b; 

δ—硅酮结构密封胶的变位承受能力,取对应于其受拉应力为0.14N/mm2时的伸长率。

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1——玻璃;2——垫条;3——结构硅酮密封胶;4——铝合金框

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   限位块的设置若不合理将使玻璃面板产生多余约束,致使玻璃板块失去了金属框架从动变形后的有效位移空间。

小单元挂钩深度不宜小于10mm和面板浮动的设计,应有防躁胶条使用满足均布荷载计算的工况要求。

   避免无防噪条设计,需强力将玻璃压入沟槽内的做法(易产生集中力)。

玻璃幕墙由面板和金属框架等组成,其变形能力是较小的。在水平地震和风荷载作用下,结构将会产生侧移。由于幕墙构件不能承受过大的位移,只能通过弹性连接件(X、Y向滑移)避免主体结构过大侧移对金属杆件的影响。

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关键词: 幕墙维修公司