摘要：点支承玻璃幕墙是玻璃幕墙工程施工中应用较为广泛的一种形式，其设计直接关系到工程整体的质量和性能。本文对点支承玻璃幕墙的设计展开了探讨，分析了水平风荷载、温差变化等对承重索拉力的影响，为相关玻璃幕墙设计提供参考。
关键词：点支承；玻璃幕墙；设计；承重索拉力
随着我国建筑施工技术的快速发展以及城市建设的不断进步，玻璃幕墙以其视野开阔、采光性好、整体美观性强等优点，在建筑工程中的应用越来越广泛。其中，点支承玻璃幕墙是一种较为常用的玻璃幕墙形式，能够满足不同建筑结构性能和装饰效果的需求。因此，对点支承玻璃幕墙的设计展开探讨具有十分重要的意义。
1 承重索截面设计
根据构造要求承重索仅承担玻璃面板自重。为使玻璃面板在与玻璃肋没有连接时保持整体稳定，同时考虑到温度变化会引起一定的伸缩变形、松弛和拉力变化，承重索通常需要施加一定的预应力，预应力沿拉索长度方向呈等值分布，任何工况下承重索上下两端均需处于受拉状态。在工作状态下拉索承受预应力、玻璃面板自重及温度和水平风荷载作用。
玻璃面板安装后，面板自重传递到承重索上，承重索受力呈上大下小分布，由于玻璃面板尺寸远小于索长，面板自重可近似按均布荷载考虑，索力可简化为近似直线分布，预应力拉索自重影响较小，可忽略不计。假定玻璃自重线荷载为qg，幕墙面板总高度为l，则一个分格宽度范围内的玻璃面板总重为qgl。考虑到拉索初始预应力T0，承重索上端拉力为T0+qgl/2；下端拉力为T0–qgl/2；上下端拉力差值即为玻璃面板的自重。在水平风荷载作用下由于拉索协同玻璃肋共同变形，会引起索拉力产生增量ΔT；在温差作用下Tt会引起索力显著变化，具体受力示意如图1所示。
图1 承重索受力示意
（a）①预张拉；（b）②=①+玻璃自重；（c）
③=②+水平荷载；（d）④=③+温度作用
为保持承重索下端一直处于受拉状态，T0–qgl/2应不小于0，考虑到温度作用影响及应预留一定的安全储备，下端最小拉力可取面板自重的一半，即T0–qgl/2=qgl/2，由此可知T0=qgl，则拉索的初始预应力一般可取面板的自重为宜。
由此可知，常态下承重索最大拉力在上端，最大拉力为1.5qgl，考虑2倍的安全储备，拉索破断力T≥3qgl。即承重索截面选择时以破断力不小于面板自重（宜考虑1.35的分项系数）的3倍为宜。
2 水平风荷载对承重索拉力的影响
在正常无风状态下，玻璃肋仅承受自身重量；在水平风荷载作用下，水平力主要由玻璃肋承担，由于承重索水平变形与玻璃肋一致，也会承担一定的水平力。但由于玻璃肋刚度远大于承重索的刚度，跨中合理水平变形为最大跨度的1/400～1/300，变形很小，实际应用中可忽略承重索对水平力的影响。
以实际案例计算来说明承重索对水平风荷载力的影响程度。
某非承重玻璃肋点支承全玻璃幕墙工程，风荷载标准值为Wk=1.2kN/m2，面板分格宽度B=1500mm，分格高度为3000mm，幕墙总高度l=15000mm，面板采用t=（10+1.52PVB+10）mm的超白钢化夹层玻璃，玻璃肋采用（19+1.52PVB+19）mm，高500mm的超白钢化夹层玻璃，玻璃弹性模量Eg=0.72×105MPa。承重索选用不锈钢绞线，弹性模量E=1.4×105MPa，构造采用面板点支承明索形式，玻璃面板自重全部由承重索承担，玻璃肋仅抵抗风荷载，分析确定承重索规格以及初始预应力T0、风荷载作用下引起的承重索拉力增量ΔT和承担的水平风荷载q。
玻璃面板自重标准值Gk=11.52kN，玻璃面板自重设计值G=15.56kN，拉索最小破断力T≥46.68kN，故承重索选用1×19φ8的316（06Cr17Ni12Mo2）不锈钢绞线，截面积A=38.2mm2，最小破断力为47.75kN，预应力T0≥G，实际取T0=16kN。
假定风荷载全部由玻璃肋承担，根据JGJ102—2013《玻璃幕墙工程技术规范》，玻璃肋在风荷载作用下的变形可按式（1）计算：
f=5WkBl4/32Egthr3（1）
代入数据可得f=41mm，则f/l=1/365＜1/200，满足规范设计要求。
在风荷载作用下，玻璃面板及拉索最大变形值与玻璃肋变形一致。根据《悬索结构设计》，单索承受水平风荷载时的变形为悬链线状，变形很小可近似按抛物线来考虑，水平荷载q可利用单索平衡方程来计算。假定拉索初始预应力为T0，变形终态后端部拉力为Ta，初始位移z0，水平力作用下的变位为w，弹
性模量为E，面积为A，则索的变形协调方程为：
（2）
通过求解，索跨中垂度f（最大挠度）与索拉力Ta之间满足以下关系：
f=ql2/8Ta，Ta=ql2/8f
由水平力作用下拉索变形引起的索力增量ΔT=q2l2EA/24Ta2，考虑初始预应力T0的影响，则终态总索力为Ta=T0+ΔT，则：
q=8fT0/l2+64f3EA/3l4（3）
经计算得，拉索承担的风荷载标准值线密度q=23.5×10–3kN/m，Ta=16.1kN，水平风荷载引起的承重索拉力增量ΔT=0.1kN，则ΔT/T0=0.6%，每个分格宽度的实际风荷载标准值qk=1.8kN/m，则q/qk=1.3%。
由此可知，水平风力引起的索拉力增量占初始预应力的0.6%，拉索承担的风荷载占总水平荷载的1.3%，实际工程应用中完全可以忽略其影响。
3 温差变化对承重索拉力的影响
承重索一般设置在玻璃面板竖缝位置或室内玻璃面板后，设置在玻璃缝位置时，受室外温度变化影响较大，设置在室内时影响相对较小。
根据GB50009—2012《建筑结构荷载规范》，温度作用应考虑气温变化、太阳辐射等因素，作用在结构上的温度变化用±Δt来表示，不同的地区温差变化可根据当地最大温差统计数据，当承重索位于玻璃缝位置时且应考虑夏季太阳辐射下拉索实际升温会高于最高气温。不锈钢拉索线膨胀系数一般由厂家通过试验测定，无相应数据时可取aT=1.6×10–5/℃。温度变化作用力Tt可按照式（4）计算：
Tt=±ΔtaTEA（4）
若选择φ8的拉索，则当Δt=±40℃时，拉索拉力的增量Tt=±3.422kN；在面板自重、初始预应力及温度作用下拉索上下端的最大、最小拉力分别为：Tmax=27.422kN，Tmin=4.578kN。
由以上数据得知，在升温40℃时，拉索下端仍保持一定的张力，没有发生松弛；在降温40℃时，拉索上端最大张力增加了14%，在控制范围内，拉索截面选择比较合适。
若选择φ14的拉索来做承重索，拉索净截面积A=117mm2，初始预应力T0保持不变，同样在Δt=±40℃温差作用下拉索拉力增量Tt=±10.483kN；在面板自重、初始预应力及温度作用下拉索上下端的最大、最小拉力分别为：Tmax=34.483kN，Tmin=–2.483kN。
由此可知，在升温40℃时，拉索下端拉力为负值，发生松弛现象，拉索上端在降温40℃时拉力增幅明显，占到了原拉力的44%，对主体结构影响较大。
因此对承重索结构而言，温度对索力的影响远大于水平风荷载，拉索截面越大，温度作用影响越大，选择截面时不宜随意增大，在实际设计中不容忽视。
4 玻璃肋稳定性分析
玻璃肋厚度较薄，高度较大，稳定性分析非常重要，必须进行整体稳定性和局部稳定性计算。JGJ102—2013《玻璃幕墙工程技术规范》规定，玻璃肋高度大于8m时宜考虑平面外稳定计算，高度大于12m的玻璃肋应进行平面外验算，但未给出具体计算方法。
玻璃肋整体稳定计算一般参考澳大利亚玻璃幕墙规范的最大稳定弯矩法；局部稳定计算则根据经典板壳力学临界屈曲应力法，即玻璃肋的强度应力应小于最大临界屈曲应力：
σc=[kπ2E/12（1–υ2）]（t/B）（5）
式中：σc为屈曲应力；k为屈曲系数；E为玻璃的弹性模量；υ为玻璃的泊松比，取0.2；t为玻璃肋厚度；B为玻璃肋宽度。
屈曲系数k需要依据玻璃肋的支撑条件确定，常规玻璃肋上下两端可看作简支，面板与玻璃肋采用结构胶连接，可看作简支，则可将玻璃肋看作三边简支、一边自由的支撑条件，屈曲系数k取0.425。
承重索的预应力保证了玻璃面板平面内刚度和自身稳定，而不锈钢驳接件将面板与玻璃肋夹持连成一体，在驳接件夹具连接位置形成了有效的侧向支撑，减少了计算跨度，整体稳定性可以得到保证，一般不再需要单独计算。玻璃肋局部稳定计算分析高度可取上下两夹具的间距，计算跨度大大减小，局部屈曲应力小于强度应力时即可保证局部稳定。
5 结论
综上所述，点支承玻璃幕墙在建筑工程中具有较为广泛的应用，确保其设计的合理性，保障建筑的质量和安全十分必要。因此，在建筑工程点支承玻璃幕墙设计中，设计人员要结合工程的实际情况，合理设计玻璃幕墙，对承重索拉力以及玻璃肋的稳定性进行精密的计算分析，从而确保玻璃幕墙的整体性能和安全，提高工程的经济效益和社会效益。
参考文献
[1]玻璃幕墙设计技术关键要点[J].金永祥，赵文俊.门窗.2016（02）
[2]幕墙设计常见问题分析[J].叶子明.建筑.2013（15）
论文作者:黎伟
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第18期
论文发表时间:2017/12/4
标签：玻璃论文; 荷载论文; 拉力论文; 面板论文; 拉索论文; 预应力论文; 自重论文; 《建筑学研究前沿》2017年第18期论文;