玻璃结构研究与工程实践简述

来源:2019年会论文集 查看原文  时间:2019-6-4

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  1 引言

  玻璃因为具有采光、装饰、耐久等特点,在建筑中被大量应用已有多年的历史。但是长期以来,建筑玻璃的应用大多局限在外围护构件以及装饰性构件等次要受力构件,例如门窗、幕墙等。近年来,随着玻璃加工技术、设计技术的提高以及社会经济发展的需要,玻璃在建筑中的应用已不仅仅局限于围护结构,直接承受荷载的玻璃结构成为建筑玻璃应用的最新趋势,一些玻璃结构构件如玻璃梁和玻璃柱等在实际工程中陆续出现,有的建筑甚至全部采用玻璃结构建造,例如美国苹果公司在全球的多数专卖店。玻璃结构建筑通透明亮、充满现代感,受到人们的喜爱,玻璃作为一种独特的结构材料越来越受到建筑业主和建筑师的重视。

  国外从二十世纪晚期开始将玻璃结构领域的研究成果付诸工程实践,建造了一系列知名的地标性建筑。2010年欧洲标准化委员会发布欧洲规范的未来编制任务,计划将玻璃结构纳入欧洲规范,并在2014年欧盟委员会联合研究中心编写了《欧洲玻璃构件结构设计指南》[1],为玻璃结构提供了通用的设计方法,希望通过试用和评估后纳入新的欧洲规范。我国玻璃结构领域的研究与工程实践虽然仍处于起步阶段,但近年来有关科研院所及高校亦已开展了部分构件及节点的研究工作,取得了一系列重要科研成果和关键技术储备,住房城乡建设部曾于2014 年将玻璃结构正式纳入了房屋建筑部分的工程建设标准体系,我国目前已经初步具备了开展玻璃结构工程实践的条件。

  本文首先对国内外玻璃结构领域的重要研究进展进行评述,包括夹层玻璃在面内、面外不同受力情况下的力学性能研究,以及机械连接、结构胶粘接连接、混合连接三种节点的传力机理研究,简要介绍了梵高博物馆新入口大厅、苹果旗舰店等若干具有代表性的玻璃结构工程应用,探讨了未来玻璃结构研究工作仍需关注的关键问题,为从事科研人员与工程技术人员提供参考。

  2 玻璃结构的研究工作

  2.1 构件研究

  由于玻璃本身为脆性材料,为防止玻璃构件突然脆断和碎片坠落伤人,玻璃结构构件一般均采用夹层玻璃。

  国外不晚于20世纪70年代即开始了建筑用夹层玻璃的受力性能研究工作[2],迄今为止已对其在受弯、受剪、承压等基本的受力性能方面进行了较为全面的研究。研究发现了夹层玻璃的受力性能与中间层胶片的受剪性能的相关性,建立了不同受力形式下夹层玻璃构件的分析模型,并提出了相应的设计方法。Wölfel[3]在1987年首次提出了等效厚度的概念,将夹层玻璃转化为具有等效弯曲常量的单片玻璃板,用以分析承受面外荷载的夹层玻璃。近年来Galuppi等[4][5]采用能量变分原理提出了增强等效厚度法,用以对不同边界和荷载条件下的多层夹层玻璃进行分析与设计。Bedon,Amadio[6]基于等效厚度法和数值模拟参数分析研究了四边支承夹层玻璃板面内受剪屈曲行为。Amadio和Bedon[7][8][9]基于Newmark组合梁理论研究了环境温度、受荷时长、初始缺陷等因素对夹层玻璃受弯、承压等方面承载性能的影响,并给出了设计建议。Machado-E-Costa等[10]基于“三明治”模型提出了多层夹层玻璃的等效弯曲刚度和扭转刚度计算公式。Bedon、Belis及Luible[11]根据试验数据对已有夹层玻璃的分析方法进行了比对,包括“三明治”模型、Newmark理论及等效厚度法公式等,发现几种计算方法在给定温度和受荷时长条件下均能得到较为准确的预测值。Bedon等人[12][13]根据钢梁弹性约束侧扭屈曲理论,采用数值模拟研究了弹性约束单片玻璃梁面内受弯的侧扭屈曲行为。

  国内学者对夹层玻璃的研究起步相对较晚,但近年来随着实际工程中夹层玻璃直接受力的案例逐渐增多,对其受力性能的研究也渐成热点。石永久等[14]用有限差分法研究了点支式PVB夹层玻璃板的荷载-位移关系,建议PVB夹层玻璃板的剪切变形在设计中不可忽略。殷永炜等[15]对四点支承的PVB夹层玻璃板进行了室温条件下180天持荷试验。陶志雄等[16]试验研究发现,四边简支的PVB夹层玻璃板的承载能力随温度的升高而降低。庞世红等[17]试验研究发现,四边简支的PVB夹层玻璃板的等效厚度随胶层厚度增加而降低。黄小坤等[18][19][20]试验研究了两端简支PVB、SGP夹层玻璃板在不同温度、受荷时长下的面外弯曲性能,以及四边支承夹层玻璃板弯曲性能,试验发现PVB夹层玻璃板弯曲应力及挠度受温度及持荷时长的影响较大,室温下徐变效应显著,而SGP夹层玻璃板受温度和持荷时长影响较小,指出四边支承PVB夹层玻璃板因受大挠度效应影响荷载-挠度曲线呈非线性变化,而四边支承SGP夹层玻璃板受大挠度效应影响较小且刚度与承载力均随胶层厚度增加而增加。刘强等[21]针对多夹层玻璃柱进行了轴压试验研究,夹层玻璃柱屈曲破坏后均无明显残余承载力,并基于试验和有限元数值分析结果分别建立了夹层退火玻璃柱在短期、长期荷载条件下的设计曲线。

  2.2 连接研究

  玻璃结构中典型的连接方式一般有机械连接、结构胶粘接连接以及将二者同时采用的混合连接等三种方式。其中机械连接一般是通过螺栓进行连接,分为承压型螺栓连接和摩擦型螺栓连接;结构胶粘接连接主要是采用结构胶将玻璃与其他材料进行粘接,形成连接节点;混合连接节点主要是综合机械连接及胶结连接的特点,在连接部位由金属件与结构胶共同形成节点区。

  目前国外学者对玻璃结构中的几种典型连接方式的研究较为全面。Baitinger, Feldmann[22],[23]基于弹性力学理论,研究了承压型螺栓连接节点处玻璃应力分布,并提出一种简化的承压型螺栓节点设计公式。Bernard和Daudeville[24]研究了基于退火玻璃和钢化玻璃的摩擦型螺栓连接的受力性能,发现螺栓扭矩及垫层摩擦系数对节点应力分布及破坏模态有显著影响。Campione等[25]研究了通过角钢与螺栓对接连接夹层玻璃构件的节点受力性能,该节点能实现半刚性连接,但螺栓孔附近存在应力集中易发生脆性破坏。Beils等[26]研究了用以连接夹层玻璃构件的摩擦型螺栓节点受温度、垫圈材料的影响,比较了各因素变化对螺栓预压力的影响,探讨了其对节点处摩擦力值的影响规律。Machalická和Eliášová[27]研究了不同基材、不同结构胶种类、不同胶层厚度、不同表面处理及老化效应等条件对胶接连接的影响规律,发现对玻璃表面磨砂处理能提升粘结强度,粘结强度随胶层厚度增加而降低。Overend等[28]研究了硅酮胶、聚氨酯胶、环氧胶、两组分丙烯酸酯胶、紫外固化丙烯酸酯胶等几种结构胶的刚度、强度等力学性能。Santarsiero等[29][30]研究了考虑温度和应变率时两种高温粘接型(SGP、TSSA)胶材的拉伸性能以及粘接玻璃-不锈钢的节点受剪性能,得到了不同温度、应变速率下胶材的工程应力-应变曲线,并给出了节点的抗剪承载力计算公式。Carvalho等[31]、Puller和Sobek[32]、Zangenberg等[33]研究了夹层玻璃中金属植入型混合连接节点的受力性能,研究的参数包括金属材料类型、胶结材料类型、温度、加载速率、受力方式等。

  目前国内学者对于玻璃结构节点研究工作较少,主要研究仍限于玻璃幕墙领域,节点形式与胶结材料单一,尚未形成系统的成果。赖卫中[34]针对玻璃肋支撑体系点支式幕墙的硅酮结构胶粘结破坏问题对现有规范设计要求进行了探讨,提出了避免该类隐患的节点设计公式和构造设计方法。黎雪[35]提出了一种玻璃采光顶结构形式,在该结构体系基础上提出了在玻璃间的硅酮结构密封胶中设置钢垫块来传递压力的节点构造形式,减小在节点处传力集中或应力集中现象,采用数值模拟分析了节点传力性能。张冠琦等[36]试验研究了尺寸、养护时间对硅酮结构密封胶拉伸粘结性影响,提出了既有幕墙硅酮结构密封胶性能再粘接试验检测方法,能判断其强度、可靠性及老化程度。王综轶等[37]针对中微子探测器结构设计了一种有机玻璃与不锈钢连接节点,通过试验研究了节点承载力及长期荷载下受力性能。

  3 玻璃结构的工程实践

  目前结构玻璃主要应用于房屋建筑的楼板、屋盖、墙体、楼梯、雨棚等部件以及过街天桥、观光栈道等设施,也有一些全玻璃结构建筑。

  国外在20世纪80年代开始尝试玻璃结构的工程应用,比如1984年由荷兰人Jan benthem和MelsCrouwel建造的承重全玻璃幕墙结构。意大利米兰的建筑与玻璃设计师组合Santambrogio ( Carlo Santambrogio和EnnioArosic)设计的两套全玻璃建筑(图3.1),由玻璃肋与玻璃板组成T型截面柱,玻璃梁与玻璃柱通过螺栓连接形成框架结构体系,建筑内部的玻璃楼梯、玻璃茶几、玻璃柜、玻璃床等,均通过螺栓拼接而成。

  2015年开放的梵高博物馆新入口大厅(图3.2)是由KishoKurokawa建筑事务所、Hans van Heeswijk建筑事务所和Octatube结构设计师合作完成,是目前荷兰最大玻璃结构大厅。入口大厅结构设计是由球形玻璃屋盖、冷弯玻璃幕墙及钢结构组成的混合结构,玻璃楼梯由玻璃拱门支撑。玻璃屋盖由不同尺寸的隔热玻璃及夹层玻璃单元组成,并通过SG多夹层玻璃肋支撑,最大加劲肋长12m,高700mm。玻璃梁与主钢框架胶结连接,为玻璃屋盖提供支撑。弧形幕墙由冷弯隔热玻璃单元组成,通过20个不同的三夹层玻璃加劲肋固定,加劲肋最长尺寸为9.4m,幕墙最小弯曲半径为11.5m[39]。

  François Fontès在2017年设计建造的法国蒙皮利埃医学院外立面采用了玻璃肋约束的玻璃幕墙(图3.3),玻璃板最大尺寸为3.8m×2.8m,玻璃肋高达12.71m,采用钛金属植入式节点连接来保证结构横向屈曲及地震荷载下的稳定性[40]。

  苹果公司在全球范围建造了一系列玻璃结构作品(图3.4)。2006年开业的美国纽约第五大道苹果旗舰店的入口大厅为边长10m的纯玻璃立方体,由多夹层玻璃肋和玻璃墙通过金属植入式节点连接共同承重。2014年开业的土耳其伊斯坦布尔佐鲁中心苹果旗舰店,布置有一个全玻璃墙承重建筑,由四个宽10m、高3m的SGP多夹层钢化玻璃利用结构硅酮胶连接构成。2017年开业的昆明苹果旗舰店由8组5.4米高的U型SGP多夹层玻璃柱承重,支撑着直径20.9米的碳纤维增强聚合物屋顶。2017年开放的美国苹果总部大楼的乔布斯剧院,直径47m的碳纤维屋顶由高7m的弯曲玻璃板组成的圆柱体支撑,是目前世界上最大的玻璃支撑结构,考虑到抗震设计,玻璃板通过结构硅酮胶固定在传递地震能量的钢槽中,使玻璃能适应地震引起的位移,从而保证整体结构的完整性和鲁棒性[41]。

  4 展望

  近年来玻璃结构相关研究在国内外取得了很多重要进展,结构设计方法日益丰富和完善,但玻璃结构体系在工程应用中仍存在诸多问题,在未来的研究工作中,还需关注以下问题:

  (1) 玻璃节点承载力及延性性能提升技术。单一玻璃板开裂前承载能力以及开裂后残余承载能力均较低,因此对多材料组合截面、多板件组合截面等新型构件形式的研究成为必然。

  (2) 玻璃结构性能受环境和荷载耦合作用的劣化机理研究。玻璃结构中使用的高分子有机胶材易在环境和荷载耦合作用下发生劣化,导致相关构件和节点的力学性能和破坏模态发生变化,因此相应的耐久性评估、改善方法和构造措施还需进一步研究。

  (3) 玻璃结构的抗震、防灾减灾相关机理及设计方法。该领域是建筑结构设计的必要环节,但目前玻璃结构相关的研究工作非常匮乏,无法形成系统的指导工程设计的系统方法,因此是未来研究所需关注的重点。

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专家介绍

黄小坤
铝门窗幕墙委员会专家组
工作单位:中国建筑科学研究院建筑结构研究所
技术职称:硕士研究生导师
专业:1.高层建筑结构研究、工程咨询服务;混凝土结构基本理论研究;《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3修订副主编。 2.建筑幕墙结构研究、工程技术咨询服务;《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102和《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133修订主编。 一、主编、参编的主要国家标准和行业标准: 1、《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002(副主编) 2、《住宅建筑规范》GB50368-2005(参编人) 3、《混凝土结构设计规范》GB50010-2002(修订,主要参编人) 4、《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003(主编) 5、《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133-2001(修订主编) 6、《既有建筑幕墙可靠性鉴定与加固规程》(制定,副主编) 7、《建筑门窗及幕墙工程检测技术规范》(制订,参编人) 8、《装配式混凝土结构技术规程》(修订,主编) 9、《采光顶与金属屋面工程技术规程》(制订,参编人) 10、建设部标准定额司《工程建设标准体系》(修订,主要参编人) 11、工程建设标准强制性条文(房屋建筑部分)2002版、2009版参编人 二、主要在研课题 1、“十一五”科技支撑项目《高强钢筋与高性能混凝土应用关键技术研究》(2008~2011) 2、院重点课题“复合受力钢筋混凝土构件承载力的协调计算模式”(2004~2009) 3、院自筹基金课题“低、多层房屋混凝土墙体结构性能研究”(2007~2010) 三、主要获奖项目(省部级) 1、“大底盘大空间高层建筑剪力墙结构研究” 获建设部1989科技进步三等奖 2、“多塔楼及错层高层建筑结构计算分析及程序研制”获建设部1996科技进步三等奖 3、“复杂高层建筑结构研究应用” 获2004华夏建设科学技术奖一等奖 4、“《高层建筑混凝土结构技术规程》JGJ3-2002”获2004华夏建设科学技术奖一等奖 5、“超高层建筑结构的抗震设计理论”获2005华夏建设科学技术奖二等奖 6、“住宅建筑规范GB50368-2005”获2007年华夏建设科学技术奖二等奖 四、主要社会兼职 建设部工程建设标准强制性条文咨询委员会委员;中国工程建设标准化协会理事;中国工程建设标准化协会混凝土结构专业委员会副主任委员;全国混凝土标准化技术委员会(SAC/TC458)副秘书长;全国建筑幕墙门窗标准化技术委员会(SAC/TC448)副主任委员;全国建筑构配件标准化技术委员会(SAC/TC454)秘书长;中国建筑学会高层建筑结构专业委员会委员;全国工程建设标准设计专家委员会委员;中国建筑金属结构协会铝门窗幕墙专业委员会专家组成员;建设部建筑构配件标准化技术委员会委员;《建筑结构》编委等。 五、主要论文、著作情况 论文、著作约20篇(部)。主要列举如下: 1、专题研究组,大底盘大空间高层建筑剪力墙结构设计建议,建筑科学,1989年第1期。 2、郝锐坤、黄小坤等,大底盘大空间高层建筑剪力墙结构计算与试验研究,建筑科学,1989年第2期。 3、黄小坤、赵西安,《高层建筑结构考虑楼板面内变形的时程分析》,建筑科学,1992年第2期。 4、徐培福、郝锐坤主编,钢筋混凝土高层建筑结构设计手册,(参加第八章编写),中国建筑工业出版社,1996年12月,北京。 5、黄小坤、郝锐坤,《高层建筑混凝土结构技术规程》简介,建筑结构,31卷第11期,2001.11。 6、徐培福、黄小坤,《高层建筑混凝土结构技术规程》修订简介,建筑科学,18卷第1期,2002.2。 7、黄小坤,高层建筑混凝土结构技术规程主要修订内容,工程建设标准化,2002年6月 8、徐培福、黄小坤主编,高层建筑混凝土结构技术规程理解与应用,中国建筑工业出版社,2003年3月 9、黄小坤,剪力墙连梁纵向钢筋构造配筋率探讨,建筑结构,2004年1月 10、工程建设标准强制性条文(房屋建筑部分)咨询委员会,工程建设标准强制性条文(房屋建筑部分)实施导则,中国建筑工业出版社,2004年2月 11、黄小坤,《高层建筑混凝土结构技术规程》(JGJ3-2002)若干问题解说,土木工程学报,第37卷第3期,2004年3月 12、黄小坤等,陶板幕墙抗震性能试验研究,中国建筑金属结构,2004年8月 13、黄小坤、林祥等,高层建筑箱形转换层结构设计探讨,工程抗震与加固改造,2004年第5期,2004年10月 14、廖宇飚、黄小坤,高层建筑结构侧向刚度变化及其控制方法研究(上),工程抗震与加固改造,27卷5期,2005年10月 15、廖宇飚、黄小坤,高层建筑结构侧向刚度变化及其控制方法研究(下),工程抗震与加固改造,27卷6期,2005年12月 16、住宅建筑规范实施指南,《住宅建筑规范》编制组编,中国建筑工业出版社,2006年5月,第一版 17、黄小坤、林祥、黄拥军,陶板幕墙模拟地震振动台试验研究,建筑结构,36卷第10期,pp95-97,2006年10月 18、黄小坤、刘智,北京金地国际花园A区A座模型振动台试验研究,建筑结构,第36卷增刊,pp6-1~6-7,2006年6月。 19、黄小坤、刘立渠、陶学康.考虑纵筋率及加载面边长比影响的板受冲切承载力试验研究[J].土木工程学报,2008,41(7):21-26 20、刘立渠、黄小坤、陶学康.考虑纵筋率及加载面边长比影响的板受冲切承载力计算分析[J].土木工程学报,2008,41(7):27-32 21、黄小坤. 玻璃幕墙及采光顶结构设计若干问题探讨[J].建筑结构,2009,第39卷第1期:88-92
专长:从事高层建筑结构、混凝土结构以及建筑幕墙结构的研究、结构分析软件开发、工程技术咨询、有关规范编制和管理工作

  作者:黄小坤 段树坤 刘强 崔明哲 韩伟涛 周一航
来源:2019年会论文集
 
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