.玻璃幕墙知识介绍结构室胡懿、刘顺一、概述幕墙是建筑物外围护墙的一种形式。幕墙一般不承重，形似挂幕，又称为悬挂幕，即悬吊挂于主体结构外侧的轻质围墙，它是由支承结构体系与面板组成的、可相对主体结构有一定位移能力、不分担主体结构所受作用的建筑外围护结构或装饰性结构。具有装饰效果好、质量轻、安装速度快，是外墙轻型化、装配化较理想的型式，因此在现代大型和高层建筑上得到广泛地采用。玻璃幕墙主要是应用玻璃这种饰面材料做幕墙安装面板。其透光性强，给人以透明、轻巧、明亮的感觉，尤其在蓝天白云的衬映下，晶莹剔透，宛如 “水晶宫”，具有强烈的艺术感染力；同时运用不好也会造成光污染。 图1 幕墙建筑二、玻璃幕墙的分类玻璃幕墙按照其不同的表现形式和不同的安装施工工艺主要可以分为框式玻璃幕墙、单元式玻璃幕墙、点式玻璃幕墙、全玻幕墙这几种常见形式。（一）框式玻璃幕墙：主要分为明框玻璃幕墙、半隐框玻璃幕墙、隐框玻璃幕墙。明框玻璃幕墙（图2）是幕墙金属框架的构件显露于玻璃面板外，玻璃面板采用镶嵌或压扣等机械方式固定在金属框内，金属一般为铝合金。主要特点是玻璃面板镶嵌铝框中，由铝框承受作用在面板上面的风荷载、地震作用和自重，将这些通过横梁和立柱传递到主体结构，其工作性能较可靠，使用寿命较长，且易施工。玻璃和铝框间须留有空隙，以满足温度变化和主体结构位移所需要空间。 图2 明框玻璃幕墙隐框玻璃幕墙（图3）是用结构胶装配安装玻璃的幕墙。玻璃用硅酮结构密封胶缝固定在金属框上，金属框通过机械方式连接在骨料上。玻璃外表面无框料明露。玻璃均用有单向透像特性的镀膜玻璃，从外侧看不到框料，达到隐框效果。 图3 隐框玻璃幕墙（二）单元式玻璃幕墙：单元式幕墙是在工厂将各构件预拼装成一定大小的安装单元然后运到现场进行安装的幕墙。单元组件已具备了这个单元的全部幕墙功能和构造要求。运往工地后可直接固定在主体结构上。每个单元组件上、下（左、右）框对插形成组合杆，完成单元组件间接缝，最终形成整幅幕墙。 图4单元式玻璃幕墙（三）点式玻璃幕墙：主要有玻璃肋点式玻璃幕墙、单柱式、桁架式点式玻璃幕墙、拉索式、拉杆式点式玻璃幕墙、索网式点式玻璃幕墙。玻璃肋点式玻璃幕墙的玻璃面板将外部风压力和吸力传递给起梁作用的玻璃肋。其主要特点是通透性强，构造简洁。 图5 玻璃肋点式玻璃幕墙单柱式支承点支式玻璃幕墙是用单根钢管、工字梁或方柱作为受力支承结构。其主要特点为构造简洁，占地面积小，有建筑韵律感。 图6 单柱式支承点支式玻璃幕墙桁架式支承点支式玻璃幕墙使用各种桁架结构，如平行弦桁架、三角形桁架等作为受力支承结构。其特点是将钢结构的雄浑构造美和玻璃的“透”完美结合。 图7 桁架式支承点支式玻璃幕墙拉杆式支承点支式玻璃幕墙是用圆钢拉杆及悬空连接杆组成空间受力拉杆体系作为受力支承结构，其拉杆受拉，连接杆受压。整个受力结构体系轻盈、飘逸，通透性较好，但安装调试难度较大，造价较高。 图8拉杆式支承点支式玻璃幕墙拉索式支承点支式玻璃幕墙是点支式玻璃幕墙中应用最广的形式，钢铰线和悬空连接杆张拉成空间索桁架。其承载力强，轻盈美观，通透性好，技术难度大。 图9 拉索式支承点支式玻璃幕墙索网支承点支式玻璃幕墙结构体系是对拉索拉杆桁架结构的简化，将拉紧的钢索平行布置在玻璃接缝后面，取消了部分构件，将通透性提高到最大限度。 图10 索网支承点支式玻璃幕墙（四）全玻幕墙是一种全透明、全视野的玻璃幕墙，利用玻璃的透明性，追求建筑物内外空间流通和融合，是由玻璃肋和玻璃面板构成的玻璃幕墙。 图11 全玻璃幕墙三、玻璃幕墙材料玻璃幕墙主要由玻璃面板、铝合金型材、建筑钢材（与钢结构用钢一致）、不锈钢、胶。（一）玻璃玻璃具有抗拉强度低，而抗压强度较高的特点，并且玻璃的弹性模量与铝材的较接近，说明这两种材料在配套使用时可以较好的协调变形。按照不同的玻璃加工制造工艺，主要有以下几种玻璃类型：退火玻璃、钢化玻璃、半钢化玻璃、夹层玻璃、中空玻璃等。其中，退火玻璃是目前应用最为广泛的玻璃类型，目前可以制作具有理想平面厚度在219mm的高质量、高清晰度的玻璃，在加工过程中可以对退火玻璃着色制造有色玻璃，或去色制造白色玻璃。钢化玻璃也称为预应力玻璃。经过热处理的钢化玻璃的机械性能得到了明显提高。它对均匀荷载、热应力和大多数冲击荷载的效应，大约是退火玻璃的4倍。钢化玻璃的抗弯强度比普通平板玻璃大45倍。如图12所示，玻璃的破坏会形成许多碎小玻璃粒。所以，同玻璃裂成尖锐片相比，钢化玻璃造成人员伤害的几率会大大降低。如此，在我国钢化玻璃也称安全玻璃。 图12钢化玻璃的碎裂后状态半钢化玻璃的加工工艺类似于钢化玻璃，但其冷却过程较慢。半钢化玻璃强度的增加约为钢化玻璃的一半，加工厚度可达12mm。夹层玻璃是由两片或多片玻璃，如浮法玻璃、钢化或半钢化玻璃，玻璃间被一层或多层聚乙烯醇缩丁醛树脂（PVB）内夹层粘在一起，单层PVB内夹层厚0.38mm，国内常用夹层玻璃的中间层一般为两层PVB，厚度为0.76mm；如图13所示。在冲击荷载下，玻璃层可能会破碎，但碎片会牢固粘在内夹层里。所以，夹层玻璃是真正的安全玻璃。图13 夹层玻璃中空玻璃由两片，有时三片玻璃，通过边缘处的间隔条和密封胶相互连接而成。第一层的密封位于间隔条和玻璃面板之间，以防止潮气进入面板之间的空间，第二层的密封设置在间隔条之后和玻璃面板之间，同时将间隔条和玻璃面板粘成一体，如图14所示。图14 中空玻璃防火玻璃按结构分类可分为复合防火玻璃（FFB）和单片防火玻璃（DFB）。（二）铝合金材料铝合金是玻璃幕墙的主要材料，尤其是在明框玻璃幕墙、隐框玻璃幕墙、单元式幕墙中。铝具有质轻的特点，但是铝的弹性模量较小，因而，变形和稳定问题显得更为重要。另外，铝对温度变化更敏感，因而，当它不受约束时，会有较大的变形。在设计支承装置时必须加以考虑。（三）胶玻璃幕墙结构中使用的密封胶有结构密封胶、建筑密封胶、防火密封胶等，一般是结构和建筑以及防火密封胶配套使用。它的工作原理主要靠胶接和固化作用。注胶时应注意结构胶是否饱满，并且保证胶面必须平整、光滑及玻璃表面清洁。在胶表面固化前，将注好胶的玻璃板块放于固化区，并应做好注胶记录。四、荷载及效应组合玻璃幕墙的作用荷载主要是自身的重力荷载和风荷载、地震作用和温度作用。幕墙在承受不同的荷载效应组合时，应具有足够的承载能力、刚度、稳定性和相对主体结构的位移能力。（一）荷载分类1.重力荷载对于垂直的玻璃及其幕墙结构，重力荷载只有材料本身的自重，对于斜玻璃及其幕墙结构，重力荷载除了材料自重外，还应考虑施工荷载、雪荷载及雨水荷载等。2.风荷载风荷载是直接作用于玻璃结构上的主要荷载，它垂直作用于玻璃的表面。直接承受风荷载的玻璃及其幕墙是一种薄壁外围护结构，在设计时，既要考虑长期使用过程中，又必须注意到在阵风袭击下不受损坏，避免安全事故。建筑结构荷载规范GB50009规定了垂直于建筑物表面的风荷载标准值，对于幕墙结构其风荷载标准值，应按下式计算：wk=gzszw0对于围护结构，由于其刚性一般较大，在结构效应中可不必考虑其共振分量，此时可仅在平均风压的基础上，近似考虑脉动风瞬时的增大因素，可以通过风压体型系数s和阵风系数gz来计算其风荷载，其中，阵风系数gz，由于玻璃幕墙的面板及其横梁和立柱跨度较小，阵风影响较大。在计算其承载力和变形时应考虑阵风系数，保证玻璃幕墙构件的安全。3.地震作用玻璃幕墙构件抗震设计时应达到下述要求：在多遇烈度地震作用下，玻璃幕墙不能破坏应保持完好；在基本烈度地震作用下，玻璃幕墙不应有严重破损，一般只允许部分面板破碎，经修理后，仍可以使用；在罕遇烈度地震作用下，玻璃幕墙虽严重破坏，但幕墙骨架不得脱落。可以看出幕墙抗震设计也应遵循“小震不坏、中震可修、大震不倒”的原则。作用于玻璃幕墙平面外的分布水平地震作用标准值可按下式计算：qEk=EmaxGk/A注意：对于竖直玻璃幕墙（与水平面倾角为90度），qEk是垂直于幕墙的分布荷载。对于斜玻璃幕墙（倾角大于等于75度），可将水平荷载直接作用于幕墙；也可将水平向的分解到垂直于幕墙的地震作用分布荷载，忽略平行幕墙的分量。对于倾角小于75度的其他玻璃结构，地震作用效应的计算应另行考虑。平行于玻璃幕墙平面的集中水平地震作用标准值可按下式计算：PEk=EmaxGk玻璃幕墙的支承结构以及连接件、锚固件所承受的地震作用标准值，应包括玻璃幕墙构件传来和其自身重力荷载标准值产生的地震作用标准值。4.温度作用在玻璃结构中，温度变化能够使玻璃面板、胶缝和支承结构产生附加应力和变形。在设计中，温度作用的影响一般通过建筑或结构构造措施解决。四、玻璃幕墙设计玻璃幕墙的设计包含承载力验算和挠度验算。非抗震设计的玻璃幕墙，应计算重力荷载、风荷载。S=g SGk+ ww Swk抗震设计的玻璃幕墙，应考虑重力荷载、风荷载和地震作用效应。S=g SGk+ ww Swk+EE SEk根据玻璃幕墙构件的受力和变形特征，正常使用状态下，其构件的变形或挠度验算时，一般不考虑作用效应的组合。由于地震作用一般不会对变形起控制作用，一般不必单独进行地震作用下结构的变形验算。风荷载或永久荷载标准值作用下，幕墙构件的挠度应符合挠度限值要求（一）全玻幕墙的设计与计算1.计算模型全玻幕墙由玻璃面板和玻璃肋组成。由于玻璃面板与玻璃肋之间连接材料的抗剪刚度有限，可偏于安全地认为玻璃面板搁置于玻璃肋上，将自身所承受的外部荷载传递到玻璃肋上。设计时，面板取支承于玻璃肋的单向简支板模型，玻璃肋取简支梁模型，如图15所示。 图15全玻幕墙计算简图2.玻璃面板计算在垂直板面均布荷载作用下，玻璃最大应力设计值按下式计算：m-弯距系数，对全玻璃幕墙面板，支承型式常为两边简支型，m取0.125。3.玻璃肋计算。1）强度计算全玻幕墙玻璃肋按两端简支梁进行设计，根据简支梁计算模式，玻璃单肋的最大弯曲应力应满足下式要求：则可知，玻璃肋的截面高度应按式下式计算：2）刚度计算根据两端简支梁挠度的计算公式，全玻幕墙玻璃肋在风荷载标准值作用下的跨度可按下式计算：上式中，玻璃肋的挠度限值df,lim宜取其计算跨度的1/200。3）稳定性验算对于下端支承高度大于12m的玻璃肋，应进行平面外的稳定验算，目前规范没有给出相关的计算公式，主要通过有限元分析软件进行验算。4）构造要求全玻璃幕墙玻璃肋的截面厚度不应小于12mm，截面高度不应小于100mm。5）胶缝计算图16 胶缝构造示意图如图所示，当玻璃面板与玻璃肋平齐或突出连接时，胶缝承载力按下式计算：当玻璃面板与玻璃肋后置或骑缝连接时，胶缝承载力按下式计算：（二）框式幕墙支承体系的设计玻璃面板周边由金属框架支承的玻璃幕墙称为框式玻璃幕墙。对框架支承的立柱、横梁及预埋件的计算是此类玻璃幕墙设计的重点。1.构件的设计1）立柱的设计立柱支撑点按铰支考虑，通常按单跨简支梁计算。如果每层由两个支撑点，也可以按双跨梁计算。立柱也可按连续梁计算，此时要在立柱接头要做构造处理，立柱要作为连续，能传递弯矩，应满足：芯柱插入上下柱的不少于2hc，hc为立柱截面高度；芯柱的惯性矩不小于立柱的惯性矩。立柱是偏心受拉构件，若立柱在下面支撑，有可能出现偏心受压。立柱应采用上端悬挂支柱，避免下端支撑，构件刚度较小，受压易丧失稳定。幕墙立柱每层有一处连接件与主体结构连接，每层立柱在连接处向上悬挑一段，上一层立柱下