本文摘自：《建筑幕墻創(chuàng)新與發(fā)展》未經(jīng)許可不得轉(zhuǎn)載
按文獻(xiàn)，在玻璃承重結(jié)構(gòu)中，玻璃面板與玻璃肋通過結(jié)構(gòu)膠或連接件共同作用協(xié)同變形，共同承擔(dān)外荷載。本文將使用有限元分析軟件ABAQUS，對玻璃面板在玻璃柱(梁)中所起的作用進(jìn)行討論。首先討論連接材料(硅酮結(jié)構(gòu)膠、環(huán)氧樹脂、鋼件)不同，是否影響玻璃面板對玻璃梁(柱)的作用;然后討論對玻璃梁(柱)起作用的玻璃面板寬度，最后提出，考慮玻璃面板作用時(shí)，玻璃梁(柱)的優(yōu)化方案。
1 面板對玻璃梁的作用
1.1不同連接材料對面板作用的影響
玻璃構(gòu)件均選用SGP夾膠半鋼化玻璃，玻璃梁使用了“犧牲層”[3]的保護(hù)概念，選用4×10mm厚4層夾膠玻璃，外層玻璃為保護(hù)層，即使破碎也不會對結(jié)構(gòu)造成影響，內(nèi)部2層玻璃為結(jié)構(gòu)核心部分，參與結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。面板層計(jì)算有效厚度（詞條“有效厚度”由行業(yè)大百科提供）時(shí)考慮SGP夾膠片的結(jié)構(gòu)作用[4]。具體玻璃構(gòu)件數(shù)據(jù)見表1。
為考慮連接材料對面板作用的影響，建立幾組模型方案。基準(zhǔn)方案為不考慮面板的作用，只對玻璃肋進(jìn)行建模。方案一連接材料為硅酮結(jié)構(gòu)膠，由于硅酮結(jié)構(gòu)膠需要注在玻璃肋保護(hù)層上，為摸擬這一點(diǎn)，在玻璃腹板（詞條“腹板”由行業(yè)大百科提供）的頂部添加兩邊長為10mm的方形，假設(shè)當(dāng)玻璃保護(hù)層破碎，保護(hù)層邊緣的一小段玻璃板依然牢固地與玻璃柱核心部分粘結(jié)，能保證結(jié)構(gòu)膠的完整性并能將荷載傳遞到玻璃柱核心部分。方案二連接材料為環(huán)氧樹脂[5]。方案三連接材料為鋼件，鋼連接件端部通過SGP夾層嵌入到玻璃肋中，與玻璃肋連接成共同受力的整體。
圖1 玻璃梁模型截面
ABAQUS模型中所有材料截面均使用實(shí)體單元，所以單元實(shí)體進(jìn)行不刪除邊界整體組裝，使各材料截面組成一個(gè)整體運(yùn)行分析。
圖2 玻璃梁應(yīng)力圖
經(jīng)ABAQUS有限元分析，各方案的應(yīng)力變形圖見圖2，有關(guān)數(shù)值見表3。比較模型的分析結(jié)果，可得幾點(diǎn)結(jié)論：
當(dāng)選用硅酮結(jié)構(gòu)膠連接時(shí)，玻璃梁的最大應(yīng)力值只下降了0.4%，最大撓度值只下降了11.1%，這是因?yàn)楣柰Y(jié)構(gòu)膠的彈性模量只有1.4MPa，遠(yuǎn)小于玻璃的彈性模量72000MPa，在面板，玻璃肋和結(jié)構(gòu)膠共同作用時(shí)，硅酮結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的應(yīng)力值相當(dāng)小，從而使面板在結(jié)構(gòu)中不起作用。因此，面板對玻璃梁(簡支受彎構(gòu)件)的強(qiáng)度（詞條“強(qiáng)度”由行業(yè)大百科提供）的作用趨向于零，對于剛度的作用稍大，但數(shù)值上也非常小，不足以在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮。
當(dāng)選用環(huán)氧樹脂連接時(shí)，考慮面板作用，使玻璃梁的最大應(yīng)力值下降了46%，最大撓度值下降了72.4%，表明提高連接材料的彈性模量，能使玻璃面板與玻璃肋的變形更加同步，面板對結(jié)構(gòu)的作用提高。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)考慮面板對結(jié)構(gòu)骨架的作用，可以提高玻璃材料的利用率，減少玻璃截面的尺寸。
當(dāng)選用鋼件連接時(shí)，面板與玻璃肋的變形基本同位。考慮面板作用，使玻璃梁的最大應(yīng)力值下降了45.2%，最大撓度值下降了75.1%。可見使用鋼件連接與環(huán)氧樹脂連接時(shí)，面板對玻璃梁的作用是相近的，但由于玻璃面板與玻璃肋之間選用環(huán)氧樹脂連接的方案在國內(nèi)幾乎沒有，而鋼件連接的方案在國內(nèi)常見，所以鋼件連接方案被推薦。
注：比較是指相應(yīng)方案與基準(zhǔn)方案比較，公式為(方案值—基準(zhǔn)值)/基準(zhǔn)值。
1.2 面板的有效寬度
1.2.1 環(huán)氧樹脂膠接時(shí)，面板的有效寬度
由圖3、圖4可見，當(dāng)使用環(huán)氧樹脂膠接時(shí)，T型梁翼緣(面板)的應(yīng)力分布并不均勻，其撓度最大值出現(xiàn)在翼緣外邊緣中點(diǎn)，數(shù)值上比腹板撓度最大值大8.7%。可見，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)T型梁翼緣寬度不能直接選取面板的一半跨度，而需要按有效寬度選取。本小節(jié)將嘗試討論T型梁翼緣有效寬度的選取辦法。
圖3 T型梁翼緣的應(yīng)力圖(環(huán)氧樹脂膠接)
圖4 T型梁翼緣的撓度圖(環(huán)氧樹脂膠接)
為討論T型梁翼緣有效寬度問題，本節(jié)將T型梁翼緣單邊寬度設(shè)置成以下幾個(gè)尺寸：828mm、700mm、600mm、500mm、400mm、300mm、200mm、100mm，觀察T型梁應(yīng)力和撓度的變化情況。
由表4和圖5可見，當(dāng)使用環(huán)氧樹脂膠接時(shí)，翼緣單邊寬度為100mm時(shí)，玻璃梁的應(yīng)力比不考慮翼緣時(shí)降低了34.7%，撓度比不考慮翼緣時(shí)降低了55%。當(dāng)翼緣單邊寬度為300mm時(shí)，玻璃梁各部件的最大應(yīng)力值與最大撓度下降速度變緩，翼緣自由邊處的最大撓度值開始明顯大于玻璃梁中心軸處的撓度值，而且隨著翼緣單邊寬度增大，翼緣自由邊處的最大撓度值與玻璃梁中心軸處的撓度值的差距增大。因此，可以認(rèn)為此T型玻璃梁的有效翼緣單邊寬度為300mm，即T型梁的最大應(yīng)力為14.901MPa，最大撓度為2.497mm;與不考慮面板作用時(shí)最大應(yīng)力為26.009MPa和最大撓度為7.580mm相比，分別下降42.7%和67.1%。
a) 玻璃梁的最大應(yīng)力隨翼緣寬度的變化
b) 玻璃梁的最大撓度隨翼緣寬度的變化
圖5 玻璃梁的最大應(yīng)力及最大撓度隨翼緣寬度的變化(環(huán)氧樹脂膠接)
1.2.2 鋼件連接時(shí)，面板的有效寬度
圖6 T型梁翼緣的應(yīng)力圖(鋼件連接)
注：圖形不對稱，鋼件與玻璃肋偏心連接所致
圖7 T型梁翼緣的撓度圖(鋼件連接)
由圖6、圖7可見，當(dāng)使用鋼件連接時(shí)，T型梁翼緣(面板)的應(yīng)力分布并不均勻，其撓度最大值出現(xiàn)在翼緣外邊緣中點(diǎn)，數(shù)值上比腹板撓度最大值大7.2%。因此，與使用環(huán)氧樹脂膠接的情況一樣，鋼件連件時(shí)也應(yīng)考慮T型梁翼緣的有效寬度。將玻璃翼緣(面板)單邊寬度設(shè)置為：828mm、700mm、600mm、500mm、400mm、300mm、200mm、100mm，以觀察T型梁最大應(yīng)力值和撓度值隨翼緣寬度的變化情況。
由表5和圖8可見，當(dāng)翼緣單邊寬度為200mm時(shí)，玻璃梁各部件的最大應(yīng)力值與最大撓度下降速度變緩，翼緣自由邊處的最大撓度值開始明顯大于玻璃梁中心軸處的撓度值，而且隨著翼緣單邊寬度增大，翼緣自由邊處的最大撓度值與玻璃梁中心軸處的撓度值的差距增大。因此，可以認(rèn)為此T型玻璃梁的有效翼緣單邊寬度為200mm，即考慮面板作用時(shí)，T型玻璃梁中的玻璃的最大應(yīng)力為16.102MPa，最大撓度為2.534mm;與不考慮面板作用時(shí)最大應(yīng)力為26.009MPa和最大撓度為7.580mm相比，分別下降了38.1%和66.6%.。
a) 玻璃梁的最大應(yīng)力隨翼緣寬度的變化
b) 玻璃梁的最大撓度隨翼緣寬度的變化
圖8 玻璃梁的最大應(yīng)力及最大撓度隨翼緣寬度的變化
1.2.3 小結(jié)
注：利用率是指數(shù)值與允許值的比較，下降率考慮面板作用最大應(yīng)力(撓度)的下降的幅度。
經(jīng)有限元分析，從T型梁翼緣(面板)的應(yīng)力分布圖和撓度分布圖可知，翼緣(面板)的應(yīng)力和變形是不均勻的，隨翼緣(面板)寬度增加，其變形變大，而對T型梁的作用減弱，因此在確認(rèn)T型梁承載力設(shè)計(jì)值時(shí)，需要先確認(rèn)翼緣(面板)的有效寬度。本節(jié)嘗試通過觀察改變翼緣(面板)的計(jì)算寬度對T型梁承載力的影響，確定翼緣(面板)的有效寬度。從表6可知，翼緣(面板)與腹板(玻璃肋)的連接材料不同，翼緣(面板)的有效寬度也不同，對T型梁承載力的作用也略有不同。當(dāng)翼緣(面板)與腹板(玻璃肋)越同步，翼緣(面板)的作用越大，T型梁的承載能力越高。
1.3 玻璃梁的優(yōu)化
從表6可見，當(dāng)考慮面板作用，玻璃梁的利用率相對較底(不到60%)，因此需要對玻璃腹板(玻璃肋)進(jìn)行優(yōu)化，以減少玻璃用量，增加玻璃結(jié)構(gòu)的使用空間。
本小節(jié)首先對環(huán)氧樹脂膠接的情況進(jìn)行討論，對只改變腹板(玻璃肋)的高度，和先改變厚度再改變高度兩種情況進(jìn)行建模分析。分析方法是，首翼緣(面板)單邊寬度為828時(shí)，改變腹板(玻璃肋)的尺寸，使T型梁的承載力的利用率達(dá)目標(biāo)值(90%左右)。然后建立翼緣(面板)單邊寬度為：828mm、700mm、600mm、500mm、400mm、300mm、200mm、100mm的分析模型，確定相應(yīng)的翼緣(面板)的有效寬度，最終確認(rèn)T型梁優(yōu)化方案。
經(jīng)試運(yùn)算，最終獲得兩個(gè)優(yōu)化方案：優(yōu)化方案一玻璃肋的核心截面為20mm厚×220mm高，優(yōu)化方案二玻璃肋的核心截面為16mm厚×245mm高(即改用8mm玻璃原片)。運(yùn)算結(jié)果見表7，當(dāng)玻璃肋的原片由10mm改為8mm時(shí)，優(yōu)化效果最好。因而使用同樣的方法，獲得鋼件連接時(shí)的優(yōu)化方案，核心截面為16mm厚×250mm高，運(yùn)算結(jié)果見表7。可見，考慮面板作用后，當(dāng)最大應(yīng)力相仿的情況下，玻璃肋的截面能減少，其中改變玻璃厚度的方法，能使玻璃肋的截面減少30%以上。由于環(huán)氧樹脂膠接是線性連接，其節(jié)約材料的效果更好。優(yōu)化后的節(jié)點(diǎn)圖（詞條“節(jié)點(diǎn)圖”由行業(yè)大百科提供）見圖9和圖10。
注：利用率是數(shù)值與允許設(shè)計(jì)值的比值，應(yīng)力設(shè)計(jì)值為28 MPa，撓度設(shè)計(jì)為25mm。節(jié)省率為與不考慮翼緣方案比，優(yōu)化方案玻璃肋面積減少的比率。
圖9 優(yōu)化后玻璃梁的連接圖(環(huán)氧樹脂膠接)
圖10 優(yōu)化后玻璃梁的連接構(gòu)造圖(鋼件連接)
2 面板對玻璃柱的作用
玻璃柱為懸挑壓彎構(gòu)件，其截面和參數(shù)與玻璃梁基本相同，只是面板的有效厚度改為21mm。具體玻璃構(gòu)件數(shù)據(jù)見表8。
經(jīng)ABAQUS有限元分析，各方案的應(yīng)力變形圖見圖11，有關(guān)數(shù)值見表9。比較模型的分析結(jié)果，可得幾點(diǎn)結(jié)論：
當(dāng)選用硅酮結(jié)構(gòu)膠連接時(shí)，面板對玻璃柱的作用，比對玻璃梁的作用要大，但數(shù)值上仍然較小。因此當(dāng)選用硅酮結(jié)構(gòu)膠連接時(shí)，不應(yīng)考慮面板對玻璃柱的作用。
當(dāng)選用環(huán)氧樹脂連接時(shí)，面板對玻璃柱的作用，沒有對玻璃梁的大，最大應(yīng)力值下降了19%，最大撓度值下降了44%。
當(dāng)選用鋼件連接時(shí)，面板對玻璃柱的作用比較明顯，情況與玻璃梁相似，最大應(yīng)力值下降了46.5%，最大撓度值下降了76.5%。因此，對于懸挑壓彎構(gòu)件，選用鋼件連接是較優(yōu)方案。
圖11 玻璃柱應(yīng)力圖
注：比較是指相應(yīng)方案與基準(zhǔn)方案比較，公式為(方案值—基準(zhǔn)值)/基準(zhǔn)值。
圖12 T型柱的應(yīng)力與應(yīng)變圖
由圖12可見，當(dāng)環(huán)氧樹脂膠接或鋼件連接時(shí)，應(yīng)變圖符合懸挑壓彎構(gòu)件的變形規(guī)律，而T型柱的翼緣的應(yīng)力分布不均勻，靠腹板處應(yīng)力較大，隨跟腹板的距離增加，翼緣的應(yīng)力明顯下降。因此仍然需要考慮翼緣(面板)的有效寬度。
由表10可見，當(dāng)使用環(huán)氧樹脂膠接玻璃面板與玻璃肋時(shí)，面板對玻璃結(jié)構(gòu)的作用非常明顯，當(dāng)翼緣單邊寬度為100mm時(shí)，玻璃柱的應(yīng)力比不考慮翼緣時(shí)降低了16.9%，撓度比不考慮翼緣時(shí)降低了37.7%。當(dāng)翼緣單邊寬度為300mm時(shí)，玻璃柱各部件的最大應(yīng)力值與最大撓度下降速度變緩，翼緣自由邊處的最大撓度值開始明顯大于玻璃柱中心軸處的撓度值，且隨著翼緣單邊寬度增大，翼緣自由邊處的最大撓度值與玻璃柱中心軸處的撓度值的差距增大。因此，可以認(rèn)為此T型玻璃柱的有效翼緣單邊寬度為300mm，即T型柱的最大應(yīng)力為26.648MPa，最大撓度為13.405mm;與不考慮面板作用時(shí)最大應(yīng)力為32.784MPa和最大撓度為23.228mm相比，分別下降了18.7%和42.3%。
由表11可見，當(dāng)使用鋼件連接玻璃面板與玻璃肋時(shí)，面板對玻璃結(jié)構(gòu)的作用同樣明顯。可見，玻璃翼緣(面板)單邊的有效寬度應(yīng)為200mm，相應(yīng)的T型柱的玻璃的最大應(yīng)力為19.193MPa，最大撓度為7.016mm;與原方案不考慮面板作用時(shí)最大應(yīng)力為32.784MPa和最大撓度為23.228mm相比，分別下降了41%和70%。
由表12可見，當(dāng)使用環(huán)氧樹脂膠接時(shí)，T型玻璃柱的利用僅為67%。當(dāng)使用鋼件連接時(shí)，T型玻璃柱的利用僅為48%。因此建議對腹板進(jìn)行優(yōu)化。
注：利用率是指數(shù)值與允許值的比較，下降率考慮面板作用最大應(yīng)力(撓度)的下降的幅度。
注：利用率是數(shù)值與允許設(shè)計(jì)值的比值，應(yīng)力設(shè)計(jì)值為40 MPa，撓度設(shè)計(jì)為25mm。節(jié)省率為與不考慮翼緣方案比，優(yōu)化方案玻璃肋面積減少的比率。
運(yùn)用玻璃梁的優(yōu)化方法對玻璃柱進(jìn)行優(yōu)化，獲得環(huán)氧樹脂膠接時(shí)只改變高度的優(yōu)化方案一，核心截面為20mm厚×265mm高。環(huán)氧樹脂膠接時(shí)只改變厚度的優(yōu)化方案二，核心截面為16mm厚×300mm高。以及鋼件連接時(shí)的優(yōu)化方案三，核心截面為16mm厚×245mm高。具體數(shù)據(jù)見表13。可見，改變截面的厚度比高度更能節(jié)省材料，對于T型玻璃柱，鋼件連接比環(huán)氧樹脂膠接更能節(jié)省材料。優(yōu)化后的方案節(jié)點(diǎn)圖見圖13和圖14。
圖13 優(yōu)化后玻璃柱的連接圖(環(huán)氧樹脂膠接)
圖14 優(yōu)化后玻璃柱的連接構(gòu)造圖
3 本文小結(jié)
經(jīng)分析，面板對玻璃梁(簡支梁)和玻璃柱(懸挑壓彎構(gòu)件)的作用，取決于其連接材料彈性模量，面板與玻璃肋的協(xié)同變形情況。因而當(dāng)硅酮結(jié)構(gòu)膠膠接時(shí)，由于硅酮結(jié)構(gòu)膠彈性模量過于小，導(dǎo)致面板在梁柱應(yīng)力分析基本不起作用。當(dāng)改為彈性模量較高的雙組份環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠連接時(shí)，面板在梁柱應(yīng)力分析中作用明顯，能有效的降低梁柱的應(yīng)力值。當(dāng)使用鋼件連接時(shí)，面板的作用同樣明顯。對于玻璃柱，鋼件連接時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變值比環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠連接時(shí)更顯優(yōu)勢。
盡管按國外文獻(xiàn)[5]和上述分析，使用雙組份環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠連接，可以發(fā)揮面板對主體玻璃結(jié)構(gòu)的作用，并能節(jié)省玻璃材料，但國內(nèi)對雙組份環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠在建筑玻璃（詞條“建筑玻璃”由行業(yè)大百科提供）中尚無應(yīng)用，即沒有相關(guān)的操作經(jīng)驗(yàn)，也沒有指導(dǎo)規(guī)程，更不了解氧樹脂結(jié)構(gòu)膠接節(jié)點(diǎn)的受力情況、傳力機(jī)理以及使用壽命。因此，雙組份環(huán)氧樹脂結(jié)構(gòu)膠在玻璃結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用還需要更多的實(shí)驗(yàn)分析和數(shù)據(jù)研究，目前還不能直接應(yīng)用到實(shí)際工程中。
相反，鋼件彈性模量高，安生可靠性高，材料質(zhì)量能保證，施工因素影響小，能保證玻璃面板與玻璃肋在荷載作用下，具有相同的變形情況。在全玻璃幕墻領(lǐng)域中，鋼件連接(包括點(diǎn)式和夾具式)的研發(fā)和應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，可以把相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)應(yīng)用到玻璃承重結(jié)構(gòu)當(dāng)中，所以鋼件連接是玻璃結(jié)構(gòu)發(fā)展的重要方向。
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