玻璃面板对玻璃承重构件的作用

　　按文献，在玻璃承重结构中，玻璃面板与玻璃肋通过结构胶或连接件共同作用协同变形，共同承担外荷载。本文将使用有限元分析软件ABAQUS，对玻璃面板在玻璃柱(梁)中所起的作用进行讨论。首先讨论连接材料(硅酮结构胶、环氧树脂、钢件)不同，是否影响玻璃面板对玻璃梁(柱)的作用;然后讨论对玻璃梁(柱)起作用的玻璃面板宽度，最后提出，考虑玻璃面板作用时，玻璃梁(柱)的优化方案。

　　1 面板对玻璃梁的作用

　　1.1不同连接材料对面板作用的影响

　　玻璃构件均选用SGP夹胶半钢化玻璃，玻璃梁使用了“牺牲层”[3]的保护概念，选用4×10mm厚4层夹胶玻璃，外层玻璃为保护层，即使破碎也不会对结构造成影响，内部2层玻璃为结构核心部分，参与结构验算。面板层计算有效厚度时考虑SGP夹胶片的结构作用[4]。具体玻璃构件数据见表1。

　　为考虑连接材料对面板作用的影响，建立几组模型方案。基准方案为不考虑面板的作用，只对玻璃肋进行建模。方案一连接材料为硅酮结构胶，由于硅酮结构胶需要注在玻璃肋保护层上，为摸拟这一点，在玻璃腹板的顶部添加两边长为10mm的方形，假设当玻璃保护层破碎，保护层边缘的一小段玻璃板依然牢固地与玻璃柱核心部分粘结，能保证结构胶的完整性并能将荷载传递到玻璃柱核心部分。方案二连接材料为环氧树脂[5]。方案三连接材料为钢件，钢连接件端部通过SGP夹层嵌入到玻璃肋中，与玻璃肋连接成共同受力的整体。

　　ABAQUS模型中所有材料截面均使用实体单元，所以单元实体进行不删除边界整体组装，使各材料截面组成一个整体运行分析。

　　经ABAQUS有限元分析，各方案的应力变形图见图2，有关数值见表3。比较模型的分析结果，可得几点结论：

　　当选用硅酮结构胶连接时，玻璃梁的最大应力值只下降了0.4%，最大挠度值只下降了11.1%，这是因为硅酮结构胶的弹性模量只有1.4MPa，远小于玻璃的弹性模量72000MPa，在面板，玻璃肋和结构胶共同作用时，硅酮结构产生的应力值相当小，从而使面板在结构中不起作用。因此，面板对玻璃梁(简支受弯构件)的强度的作用趋向于零，对于刚度的作用稍大，但数值上也非常小，不足以在结构设计中考虑。

　　当选用环氧树脂连接时，考虑面板作用，使玻璃梁的最大应力值下降了46%，最大挠度值下降了72.4%，表明提高连接材料的弹性模量，能使玻璃面板与玻璃肋的变形更加同步，面板对结构的作用提高。在结构设计时考虑面板对结构骨架的作用，可以提高玻璃材料的利用率，减少玻璃截面的尺寸。

　　当选用钢件连接时，面板与玻璃肋的变形基本同位。考虑面板作用，使玻璃梁的最大应力值下降了45.2%，最大挠度值下降了75.1%。可见使用钢件连接与环氧树脂连接时，面板对玻璃梁的作用是相近的，但由于玻璃面板与玻璃肋之间选用环氧树脂连接的方案在国内几乎没有，而钢件连接的方案在国内常见，所以钢件连接方案被推荐。

　　注：比较是指相应方案与基准方案比较，公式为(方案值—基准值)/基准值。

　　1.2 面板的有效宽度

　　1.2.1 环氧树脂胶接时，面板的有效宽度

　　由图3、图4可见，当使用环氧树脂胶接时，T型梁翼缘(面板)的应力分布并不均匀，其挠度最大值出现在翼缘外边缘中点，数值上比腹板挠度最大值大8.7%。可见，结构设计时T型梁翼缘宽度不能直接选取面板的一半跨度，而需要按有效宽度选取。本小节将尝试讨论T型梁翼缘有效宽度的选取办法。

　　为讨论T型梁翼缘有效宽度问题，本节将T型梁翼缘单边宽度设置成以下几个尺寸：828mm、700mm、600mm、500mm、400mm、300mm、200mm、100mm，观察T型梁应力和挠度的变化情况。

　　由表4和图5可见，当使用环氧树脂胶接时，翼缘单边宽度为100mm时，玻璃梁的应力比不考虑翼缘时降低了34.7%，挠度比不考虑翼缘时降低了55%。当翼缘单边宽度为300mm时，玻璃梁各部件的最大应力值与最大挠度下降速度变缓，翼缘自由边处的最大挠度值开始明显大于玻璃梁中心轴处的挠度值，而且随着翼缘单边宽度增大，翼缘自由边处的最大挠度值与玻璃梁中心轴处的挠度值的差距增大。因此，可以认为此T型玻璃梁的有效翼缘单边宽度为300mm，即T型梁的最大应力为14.901MPa，最大挠度为2.497mm;与不考虑面板作用时最大应力为26.009MPa和最大挠度为7.580mm相比，分别下降42.7%和67.1%。

　　a) 玻璃梁的最大应力随翼缘宽度的变化

　　b) 玻璃梁的最大挠度随翼缘宽度的变化

　　图5　玻璃梁的最大应力及最大挠度随翼缘宽度的变化(环氧树脂胶接)

　　1.2.2 钢件连接时，面板的有效宽度

　　注：图形不对称，钢件与玻璃肋偏心连接所致

　　图7 T型梁翼缘的挠度图(钢件连接)

　　由图6、图7可见，当使用钢件连接时，T型梁翼缘(面板)的应力分布并不均匀，其挠度最大值出现在翼缘外边缘中点，数值上比腹板挠度最大值大7.2%。因此，与使用环氧树脂胶接的情况一样，钢件连件时也应考虑T型梁翼缘的有效宽度。将玻璃翼缘(面板)单边宽度设置为：828mm、700mm、600mm、500mm、400mm、300mm、200mm、100mm，以观察T型梁最大应力值和挠度值随翼缘宽度的变化情况。

　　由表5和图8可见，当翼缘单边宽度为200mm时，玻璃梁各部件的最大应力值与最大挠度下降速度变缓，翼缘自由边处的最大挠度值开始明显大于玻璃梁中心轴处的挠度值，而且随着翼缘单边宽度增大，翼缘自由边处的最大挠度值与玻璃梁中心轴处的挠度值的差距增大。因此，可以认为此T型玻璃梁的有效翼缘单边宽度为200mm，即考虑面板作用时，T型玻璃梁中的玻璃的最大应力为16.102MPa，最大挠度为2.534mm;与不考虑面板作用时最大应力为26.009MPa和最大挠度为7.580mm相比，分别下降了38.1%和66.6%.。

　　a) 玻璃梁的最大应力随翼缘宽度的变化

　　b) 玻璃梁的最大挠度随翼缘宽度的变化

图8　 玻璃梁的最大应力及最大挠度随翼缘宽度的变化

　　1.2.3 小结

　　注：利用率是指数值与允许值的比较，下降率考虑面板作用最大应力(挠度)的下降的幅度。

　　经有限元分析，从T型梁翼缘(面板)的应力分布图和挠度分布图可知，翼缘(面板)的应力和变形是不均匀的，随翼缘(面板)宽度增加，其变形变大，而对T型梁的作用减弱，因此在确认T型梁承载力设计值时，需要先确认翼缘(面板)的有效宽度。本节尝试通过观察改变翼缘(面板)的计算宽度对T型梁承载力的影响，确定翼缘(面板)的有效宽度。从表6可知，翼缘(面板)与腹板(玻璃肋)的连接材料不同，翼缘(面板)的有效宽度也不同，对T型梁承载力的作用也略有不同。当翼缘(面板)与腹板(玻璃肋)越同步，翼缘(面板)的作用越大，T型梁的承载能力越高。

　　1.3 玻璃梁的优化

　　从表6可见，当考虑面板作用，玻璃梁的利用率相对较底(不到60%)，因此需要对玻璃腹板(玻璃肋)进行优化，以减少玻璃用量，增加玻璃结构的使用空间。

　　本小节首先对环氧树脂胶接的情况进行讨论，对只改变腹板(玻璃肋)的高度，和先改变厚度再改变高度两种情况进行建模分析。分析方法是，首翼缘(面板)单边宽度为828时，改变腹板(玻璃肋)的尺寸，使T型梁的承载力的利用率达目标值(90%左右)。然后建立翼缘(面板)单边宽度为：828mm、700mm、600mm、500mm、400mm、300mm、200mm、100mm的分析模型，确定相应的翼缘(面板)的有效宽度，最终确认T型梁优化方案。

　　经试运算，最终获得两个优化方案：优化方案一玻璃肋的核心截面为20mm厚×220mm高，优化方案二玻璃肋的核心截面为16mm厚×245mm高(即改用8mm玻璃原片)。运算结果见表7，当玻璃肋的原片由10mm改为8mm时，优化效果最好。因而使用同样的方法，获得钢件连接时的优化方案，核心截面为16mm厚×250mm高，运算结果见表7。可见，考虑面板作用后，当最大应力相仿的情况下，玻璃肋的截面能减少，其中改变玻璃厚度的方法，能使玻璃肋的截面减少30%以上。由于环氧树脂胶接是线性连接，其节约材料的效果更好。优化后的节点图见图9和图10。

　　注：利用率是数值与允许设计值的比值，应力设计值为28 MPa，挠度设计为25mm。节省率为与不考虑翼缘方案比，优化方案玻璃肋面积减少的比率。

　　2 面板对玻璃柱的作用

　　玻璃柱为悬挑压弯构件，其截面和参数与玻璃梁基本相同，只是面板的有效厚度改为21mm。具体玻璃构件数据见表8。

　　经ABAQUS有限元分析，各方案的应力变形图见图11，有关数值见表9。比较模型的分析结果，可得几点结论：

　　当选用硅酮结构胶连接时，面板对玻璃柱的作用，比对玻璃梁的作用要大，但数值上仍然较小。因此当选用硅酮结构胶连接时，不应考虑面板对玻璃柱的作用。

　　当选用环氧树脂连接时，面板对玻璃柱的作用，没有对玻璃梁的大，最大应力值下降了19%，最大挠度值下降了44%。

　　当选用钢件连接时，面板对玻璃柱的作用比较明显，情况与玻璃梁相似，最大应力值下降了46.5%，最大挠度值下降了76.5%。因此，对于悬挑压弯构件，选用钢件连接是较优方案。

　　注：比较是指相应方案与基准方案比较，公式为(方案值—基准值)/基准值。

　　由图12可见，当环氧树脂胶接或钢件连接时，应变图符合悬挑压弯构件的变形规律，而T型柱的翼缘的应力分布不均匀，靠腹板处应力较大，随跟腹板的距离增加，翼缘的应力明显下降。因此仍然需要考虑翼缘(面板)的有效宽度。

　　由表10可见，当使用环氧树脂胶接玻璃面板与玻璃肋时，面板对玻璃结构的作用非常明显，当翼缘单边宽度为100mm时，玻璃柱的应力比不考虑翼缘时降低了16.9%，挠度比不考虑翼缘时降低了37.7%。当翼缘单边宽度为300mm时，玻璃柱各部件的最大应力值与最大挠度下降速度变缓，翼缘自由边处的最大挠度值开始明显大于玻璃柱中心轴处的挠度值，且随着翼缘单边宽度增大，翼缘自由边处的最大挠度值与玻璃柱中心轴处的挠度值的差距增大。因此，可以认为此T型玻璃柱的有效翼缘单边宽度为300mm，即T型柱的最大应力为26.648MPa，最大挠度为13.405mm;与不考虑面板作用时最大应力为32.784MPa和最大挠度为23.228mm相比，分别下降了18.7%和42.3%。

　　由表11可见，当使用钢件连接玻璃面板与玻璃肋时，面板对玻璃结构的作用同样明显。可见，玻璃翼缘(面板)单边的有效宽度应为200mm，相应的T型柱的玻璃的最大应力为19.193MPa，最大挠度为7.016mm;与原方案不考虑面板作用时最大应力为32.784MPa和最大挠度为23.228mm相比，分别下降了41%和70%。

　　由表12可见，当使用环氧树脂胶接时，T型玻璃柱的利用仅为67%。当使用钢件连接时，T型玻璃柱的利用仅为48%。因此建议对腹板进行优化。

　　注：利用率是指数值与允许值的比较，下降率考虑面板作用最大应力(挠度)的下降的幅度。

　　注：利用率是数值与允许设计值的比值，应力设计值为40 MPa，挠度设计为25mm。节省率为与不考虑翼缘方案比，优化方案玻璃肋面积减少的比率。

　　运用玻璃梁的优化方法对玻璃柱进行优化，获得环氧树脂胶接时只改变高度的优化方案一，核心截面为20mm厚×265mm高。环氧树脂胶接时只改变厚度的优化方案二，核心截面为16mm厚×300mm高。以及钢件连接时的优化方案三，核心截面为16mm厚×245mm高。具体数据见表13。可见，改变截面的厚度比高度更能节省材料，对于T型玻璃柱，钢件连接比环氧树脂胶接更能节省材料。优化后的方案节点图见图13和图14。

　　3 本文小结

　　经分析，面板对玻璃梁(简支梁)和玻璃柱(悬挑压弯构件)的作用，取决于其连接材料弹性模量，面板与玻璃肋的协同变形情况。因而当硅酮结构胶胶接时，由于硅酮结构胶弹性模量过于小，导致面板在梁柱应力分析基本不起作用。当改为弹性模量较高的双组份环氧树脂结构胶连接时，面板在梁柱应力分析中作用明显，能有效的降低梁柱的应力值。当使用钢件连接时，面板的作用同样明显。对于玻璃柱，钢件连接时的应力应变值比环氧树脂结构胶连接时更显优势。

　　尽管按国外文献[5]和上述分析，使用双组份环氧树脂结构胶连接，可以发挥面板对主体玻璃结构的作用，并能节省玻璃材料，但国内对双组份环氧树脂结构胶在建筑玻璃中尚无应用，即没有相关的操作经验，也没有指导规程，更不了解氧树脂结构胶接节点的受力情况、传力机理以及使用寿命。因此，双组份环氧树脂结构胶在玻璃结构中的应用还需要更多的实验分析和数据研究，目前还不能直接应用到实际工程中。

　　相反，钢件弹性模量高，安生可靠性高，材料质量能保证，施工因素影响小，能保证玻璃面板与玻璃肋在荷载作用下，具有相同的变形情况。在全玻璃幕墙领域中，钢件连接(包括点式和夹具式)的研发和应用已经比较成熟，可以把相关的经验应用到玻璃承重结构当中，所以钢件连接是玻璃结构发展的重要方向。

　　参考文献

　　[1] 王元清, 张恒秋, 石永久. 玻璃承重结构的工程应用及其设计分析[J]. 工业建筑, 2005, 35(2): 6-10

　　[2] 王元清, 张恒秋, 石永久. 玻璃承重结构的设计计算方法分析[J]. 建筑科学, 2005, 21(6): 26-30

　　[3] 邱岩. 玻璃及其层合材料表面与界面性能评价技术研究 [D]. 北京: 中国建筑材料科学研究总院, 2008.

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　　[7] JGJ102-2003, 玻璃幕墙工程技术规范[S]. 北京: 中华人民共和国行业标准, 2003.

　　[8] 王元清, 石永久, 吴丽丽. 点支式玻璃建筑应用技术研究[M]. 北京: 科学出版社, 2009

　　[9] JGJ113-2009, 建筑玻璃应用技术规程[S]. 北京: 中华人民共和国行业标准, 2009.