刍议如何提高钢结构点式玻璃幕墙的设计及施工工艺

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  摘 要:由于社会的不断发展,人们在建筑方面的要求也变得越来越高,开始注重建筑物的美。其中,点式玻璃幕墙的出现是人们追求美的建筑的体现。本文将从点式玻璃幕墙的结构受力特点、材料性能结合施工工艺对该幕墙进行探讨。
  关键词:点式玻璃幕墙;设计;施工
  中图分类号:TU74文献标识码:A 文章编号:
      
  随着人们的审美观念的不断提高、各个城市对城市形象的重视对外立面要求也越来越高,因此玻璃幕墙作为现代建筑外立面的重要表现手段得到了业主单位及建筑师的青睐,特别是一些写字楼、办公楼及公共建筑把玻璃幕墙作为建筑物的外立面的首选,而点式玻璃幕墙作为玻璃幕墙中的一种形式具有空间感强、视觉通透、结构形式简约的特点更是在大型重要的公共建筑、地标建筑中得到广泛应用。然而,现在有一些设计及施工单位对点式玻璃幕墙结构特点认识模糊,对幕墙结构的安全性缺乏正确的认识。因此,出现不重视结构的合理性,安全性、材料以次充好、偷工减料的现象。最后导致工程的出现较大的安全隐患甚至出现安全事故。
  1概述
  点式玻璃幕墙又称点驳接式玻璃幕墙即采用不锈钢金属件与玻璃连接固定后与主体结构进行结构连接的一种幕墙体系,种类有点支式玻璃幕墙、点式无框玻璃幕墙、拉维莱特玻璃幕墙等,是于上世纪六、七十年代在国外开发出来的新型幕墙结构体系,并随着玻璃物理性能和玻璃加工的提高及建筑结构理论的不断发展而完善从而在当今建筑领域得到建筑师的青睐。点式玻璃幕墙利用了简约的结构形式、玻璃通透的特性,使建筑物内外融为一体,扩大了建筑物内部的空间感,同时也从外立面显示了建筑的结构美,在结构上充分利用了玻璃稳定均质及驳接件抗变形的物理性能进一步强化了结构的稳定及抗变形能力。巴黎罗浮宫玻璃金字塔、法国拉维来特科学城以及我国的上海大剧院等建筑堪称点式玻璃幕墙应用的典范。
  
  2点式玻璃幕墙的结构及构造设计
  点式玻璃幕墙分为三个组成部分,分别是与主体建筑的支撑体系(骨架)、连接用的金属构件和玻璃。点式玻璃幕墙于众多平面框式结构的普通玻璃幕墙相比,它具有造型灵活多样,结构受力明确。特别是现在比较流行的拉维来特式系统,基本结构为在玻璃四角钻孔,用螺栓固定,球铰螺栓可在±10°范围内转动,其转动中心与玻璃板中心一致,这种上结构体系可大大减少连接处的附加弯矩,使整个墙面在风压作用下更趋近一种柔性体系,缓和了风压对幕墙造成的破坏。
  2.1玻璃面板
  构造特点:点式幕墙墙面全部以玻璃板块连接拼装而成。理想的玻璃材料具有较高的温强。但在平板玻璃的实际制造过程中,不可避免地会在其表面或内部出现裂纹、气泡、夹砂等缺陷。玻璃属非金属材料,其屈强比极低,破裂前几乎没有屈服形变,对应力集中敏感。另外,玻璃钻孔在长期自重荷载的作用下会发生蠕变,强度降低1/3甚至更多。所以,点式玻璃幕墙采用的玻璃必须经钢化处理,以提高玻璃的抗蠕变强度和减少应力集中敏感性。
  计算模型:玻璃面板的受力计算通常采用有限元和矩形板四角支承力学模型两种方法。
  有限元法的建模要尽量接近工程实际。采用铰接螺栓,四个角的旋转自由度约束可忽略不计,上面一个支撑点限制X、Y、Z向三个位移自由度,另一个点限制Y、Z向两个位移自由度。下面两个支撑点均限制Y向位移自由度。重力作用应叠加在Y向自由度中同时考虑。
  四角支承矩形板数学模型是一种简化的计算方法,可通过手算很快得出结果,但存在对玻璃四角固定位置的附加应力估计不足;未考虑边缘效应;对一边为金属槽一边为支承点的玻璃安装方式因边界条件不同,计算结果与实际差异较大。
  加工要求:玻璃上、下两面用两只钻头相对同时钻孔,同心度偏差小于0.3mm。玻璃切割和钻孔后,其边缘和孔周角部必须经过机械精磨边及倒角处理,以消除易产生应力集中的微裂纹和缺口。磨边余量应不小于0.3mm,倒角应不小于45度。夹胶钢化玻璃两块玻璃的厚度应尽量一致,且应先钢化后夹胶。
  經过计算分析,在选择玻璃时,应特别注意以下几点:
   最大应力部位均在长边中点,玻璃强度校核要以边缘强度为准。
  最大挠度是随着玻璃长短边比值的变化而变化的,当长短边长度差别不大时,玻璃内应力分布趋于均匀。在确定玻璃尺寸时,以正方形玻璃最为有利,且相对挠度极限应不大于短边的1/100,绝对挠度值应不大30mm。
  玻璃厚度,采用浮头式紧固螺栓时应不小于6mm;采用沉头式紧固螺栓时应不小于10mm。如采用夹胶玻璃,外片玻璃厚度应不小于10mm,内片玻璃厚度应不小于6mm,内外片玻璃厚度不宜相差太大。
  2.2固定螺栓及钢爪,钢爪具备吸收幕墙平面变形的能力,其结构多为平面连杆铰接式,玻璃面板通过螺栓固定在钢爪上,钢爪与后面的支承结构连接,使玻璃的受力通过螺栓、钢爪传递到支承结构上。
  钢爪常用型式有: X型钢爪、H型钢爪、异型可调钢爪,钢板型钢爪等。按钢爪臂分以梅花型、V字型为主,按材质分:不锈钢、碳钢铸造外喷氟碳涂。
  选用型式:根据具体工程选用钢爪型式,即根据主结构、玻璃分片的大小、荷载的大小,另外,还要根据美观、经济、实用为原则选用。
  固定螺栓有沉头式、浮头式及球铰式,均以不锈钢制造,球铰螺栓的球头上镶配有不锈钢和塑料材料质的铰座和衬垫。
  计算模型:
  钢爪的荷载分析:玻璃的自重转换为钢爪的Y轴方向集中力;作用在玻璃上的风荷载可转换为钢爪的X轴方向集中力;幕墙玻璃平面外地震作用转换为钢爪的X轴方向集中力;接驳件的自重可转换为钢爪的Y轴方向集中力一般取0.02~0.03KN;钢爪臂的自重可转换为钢爪Y轴方向集中力。
  钢爪承载力计算。恒载、风载及地震荷载分别按规范进行取值按最不利荷载组合进行计算。
  钢爪臂的计算:钢爪的主要受力是钢爪臂,如果臂根部的承载力和挠度达到设计要求,其余部份也都能达到。
  2.3支承结构
  支承结构有钢结构、玻璃肋及钢筋混凝土结构几大类。
  单杆结构通常用单根钢管或工字钢制造,结构简单,其受力状态不论是横梁还是立柱均处于受弯状态。单杆结构通常用于跨度较小的点式幕墙。
  当空间跨度较大时,通常采用空腹桁架或鱼腹桁架支承结构。空腹桁架通常用钢管焊接而成,支承高度可达10m以上。竖向鱼腹式桁架支承应用较广,最大支承高度可达25m。
   拉索桁架和拉杆桁架的受拉杆件采用高强度钢索或圆钢代替,结构上简单美观又能满足幕墙支承结构的力学要求,在点式玻璃幕墙中也有较广泛的应用。
  玻璃肋支承结构采较厚的钢化玻璃制成肋板,与玻璃面板垂直柔性连接,承受玻璃面传来的外力。因玻璃材料脆性较大,抗弯强度低,因此,只用于高度及跨度较小的点式幕墙中。    
  3施工工艺
  3.1驳接系统的固定与安装
  驳接座的安装:在结构调整结束后按照控制单元所控制的驳接座安装点进行驳接座的安装,对结构偏移所造成的安装点误差可用偏心座和偏心头来校正。
  驳接爪的安装:在驳接座焊接安装结束后开始定位驳接爪,将驳接爪的受力孔向下,并用水平尺校准两横向孔的水平度(两水平孔偏差应小于0.5mm)配钻定位销孔,安装定位销。
  3.2点支式玻璃幕墙钢爪的安装施工应符合下列要求:
  钢爪安装前,应精确定出其安装位置,钢爪的允许偏差应符合设计要求。
  钢爪装入后应能进行三维调整,并应能减少或消除结构平面变形和温差的影响。
  钢爪安装完成后,应对钢爪的位置进行检验。
  3.3驳接头的安装
  驳接头在安装之前要对其螺纹的松紧度、头与胶垫的配合情况进行100%的检查。
  先将驳接头的前部安装在玻璃的固定孔上并销紧,确保每件驳接头内的衬垫齐全,使金属与玻璃隔离,保证玻璃的受力部分为面接触,并保证锁紧环锁紧密封,锁紧扭矩10N.M,在玻璃吊装到位后将驳接头的尾部与驳接爪相互联接并锁紧,同时要注意玻璃的内侧与驳接爪的定位距离在规定范围以内
  3.4玻璃安装及控制
  玻璃到达施工现场后,由现场质检员与安装组长对玻璃的表面质量、公称尺寸进行100%的检测。同时使用玻璃边缘应力仪对玻璃的钢化情况进行全检。玻璃安装顺序可采取先上后下,逐层安装调整。
  玻璃垂直运输:可采用电动葫芦进行垂直提升到安装平台上进行定位、安装。在整个过程中减少尺寸积累误差在每个控制单元内尺寸公差带为±3mm。
  3.5打胶工艺控制与检测
  在玻璃安装调整结束后进行打胶使玻璃的缝隙密封。
  打胶顺序是先上后下,先竖向后横向。
  打胶过程应注意事项:先清洗玻璃,特别是玻璃边部与胶连接处的污迹要清洗擦干,在贴美纹纸后要24小时之内打胶并及时处理,打好的胶不得有外溢、毛刺等现象。
  4质量控制
  4.1玻璃加工质量控制
  玻璃面板孔洞的边缘和板的边缘都应磨边及倒棱,磨边宜用精磨,倒棱宽度宜不小于1mm。
  玻璃边缘至孔中心的距离不应小于2.5d(d为玻璃孔径),也不应小于90mm(如图5.1-1)。
  玻璃板块的周边,必须用磨边机加工,应采用45°倒角,倒角尺寸不应少于1.5mm。角部尖点倒角圆弧半径R应在1~5mm范围内
  中空玻璃开孔后,开孔处应采取多道密封措施;夹层玻璃的钻孔可采用大、小孔相对的方式;
  玻璃板块的允许弯曲度应符合表4-1的要求。
  
  
  表4-1玻璃板块允许弯曲度
  
  
  玻璃钻孔的允许偏差为:直孔直径:0~+0.5mm;锥孔直径:0~+0.5mm;夹层玻璃两孔同轴度为2.5mm图
  玻璃钻孔直径不应小于5mm,且不小于玻璃厚度t;孔径不大于玻璃短边边长度的1/3;孔边缘与玻璃边缘的距离不小于2t,且不小于孔径;孔边缘至玻璃面板角部尖点的距离不小于4t。
  4.2连接机构的质量控制
  在支承爪件的四个安装孔中高度定位孔应装在玻璃的上部,二维可调孔装在玻璃的下部。
  爪件在幕墙平面内不得承受幕墙自重以外的其他荷载。
   金属与玻璃连接处应加弹性耐候衬垫和衬套,厚度不宜小于1.0mm。
  4.3支承钢结构及构件安装施工时应符合表4-2的要求。
  表4-2
  
  
  
  4.4幕墙安装质量应符合表4-3的规定
  表4-3 点支承幕墙安装允许偏差
  
  
  5应注意的问题
  硅酮结构胶、硅酮耐候胶在使用时应提供与接触材料的相容性试验合格报告和抗拉力实验合格报告以及保质年限的质量证明文件。
  幕墙结构用的金属材料应具有耐候性,不锈钢材料应使用奥氏体不锈钢,使用钢材前要对材质做化学分析,钢材应进行表面防腐处理,其耐候性能应符合设计要求。
  钢索在使用前必须提供预张拉试验报告、破断力试验报告,其性能必须符合相关技术标准。
  工程验收时,应按要求进行隐蔽验收,必要时可对隐蔽节点拆开检查。
  工程验收时应对每幅幕墙进行全面感观检查,并符合下列要求:
  玻璃接缝及外露边框、封口应横平竖直,宽度适宜均匀。
  材料不应有变色、变形、镀膜脱落、污垢或伤痕等现象。
  玻璃应安装牢固,方向正确无误,钢化玻璃的表面不得有傷痕,隐蔽节点封装应整齐美观。
  封口安装可靠,按缝粘结牢固,不得有渗漏。
  玻璃胶缝应横平竖直、宽度一致,胶缝表面平整、光滑。
  参考文献:
  [1]成 刚. 点式玻璃幕墙的施工技术研究[J],安徽建筑,2011,第三期
  [2]张 辉. 点式玻璃幕墙的工程应用和性能分析[J],中国科技信息,2008
  [3]文湘君. 浅谈点式玻璃幕墙及其应用[J],科协论坛,2008
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