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摘要：随着建筑技术的不断发展，目前国内好多工程将主体结构至于水下，采用透明材料，已期达到建筑在水下更好的视觉观赏效果。水下透明材料主要有玻璃和亚克力板，玻璃多为钢化夹层复合玻璃，压克力板材为压克力聚甲基丙烯酸甲酯是MMA的均聚物或共聚物。本文就水下透明材料的技术进行讨论。
关键词：水下、透明材料、技术
中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：
一、 水下玻璃技术性能分析
（一）关于水下玻璃相关规范：
JGJ 113-2009《 建筑玻璃应用技术技程》、11J508 《建筑玻璃应用构造》。
（二）水下玻璃相关技术参数、力学性能。
1、水下玻璃承受荷载分析计算
根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2006的要求，水下玻璃上面的主要荷载有均布水荷载10KN/m2（按水深1m计算），水下玻璃顶按不上人屋面考虑均布活荷载标准值0.5KN/m2，雪压值取0.4KN/m2。由此可见玻璃上方的均布水荷载是主要荷载。
永久荷载效应控制组合S=γGSGK+γQiψCiSQik
γG—永久荷载的分项系数，取1.35
SGK—永久荷载标准值GK计算的荷载效应值
γQi—第i个可变荷载分项系数，取1.4
ψCi—可变荷载Qi的组合值系数，取0.7
SQik—按可变荷载标准值Qik计算的荷载效应值
将上述荷载代入公式计算，因屋面均布活荷载不应与雪荷载同时组合，取较大值。S=1.35×10KN/m2+1.4×0.7×0.5KN/m2=14KN/m2=0.014MPa
2、水下玻璃设计计算
根据《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113-2009的要求：
水下用玻璃的设计应满足下式的要求：
σ≤fg
式中σ—水压作用产生的玻璃界面最大弯曲应力设计值，N/mm2；
fg—长期荷载作用下玻璃的强度设计值，按下表采用。
承受水压时，水下用玻璃般的挠度最大值不得大于其跨度的1/200；安装框架的挠度最大值不得超过其跨度的1/500。
从上表得知长期荷载作用下19mm厚的钢化玻璃中部强度设计值fg=36MPa，边缘强度设计值fg=29MPa。
σ—玻璃中部最大弯曲应力设计值，N/mm2;
u—玻璃中部最大挠度，mm；
ρ—水密度1.00×103kg/m3；
H—水深，m；
L—跨度，m；
t—单片玻璃厚度，mm；
n—构成夹层玻璃得单片玻璃数；
按H=1m，19mm單片钢化玻璃，玻璃短边尺寸a=L=1.2m，玻璃长边尺寸b=4.2m，b/a=3.5，β5=7.255，α5=19.52，计算σ、u，
σ=β5×ρ×H×L2/ n×t2=7.255×1.00×103kg/m3×1m×(1.2m)2/(19mm)2=289.4MPa
u=α5×ρ×H×L4/ n×t3=19.52×103×1×1.24/193=6mm
计算结论：
玻璃中部最大弯曲应力设计值σ=289.4MPa>fg=36MPa，不符合要求。
玻璃中部最大挠度u=6mm<其跨度的1/200=4200/200=21mm。
经上述计算结果分析可知，若用水下用玻璃做透明屋顶，应合理控制水深，控制荷载，水深不宜超过0.5m。因为市场常规普通玻璃最厚为19mm，一般以常规普通玻璃为基础进行钢化、复合。若玻璃厚度超过19mm需加工定做，且玻璃厚度超过19mm，其边缘强度、中部强度设计值反而降低，经济上很不合理。若玻璃屋面仍需要较深的水深，那么玻璃尺寸就应变小，视觉观感就会受一定影响。
二、有机玻璃（压克力）技术性能分析
（一）、压克力介绍
压克力板材为压克力聚甲基丙烯酸甲酯是MMA的均聚物或共聚物，简称
PMMA(Poly-methylmethacrylate)，美、英、德、日等国均称之为压克力（AcrylicSheet）,其特殊的物理性能使其可以承载超高水体压力，从而让超大水体成为可能。水族领域压克力板材一直是海洋馆工程、巨型水族箱的唯一选择。也因此压克力鱼缸频繁的出现在宾馆、写字楼、娱乐场所的大堂之中。
1、压克力物理特性
①承受力强，抗冲击力强，是普通玻璃的十六倍。世界上最高的亚克力水族箱水位超过十层楼高。（19mm厚钢化玻璃制作的水族箱安全水位高度为1.2米）。
②透光性佳，可达95%以上，具有水晶一样晶莹的品质（水族箱内景物变小）。
③耐候及耐酸碱性能好，不会因常年累月的日晒雨淋，而产生泛黄及水解的现象。
④自重轻，比普通玻璃轻一半，建筑物及支架承受的负荷小。
⑤色彩艳丽，高亮度，是其他材料不能比美的。
⑥可塑性强，造型变化大，加工成型容易。
⑦维护方便，易清洁，用肥皂和软布擦洗即可。
⑧绝缘性能优良，适合各种电器设备。
⑨无色透明可以自由着色，表面光泽亮丽。对人体无毒性。
2、压克力产品和技术
压克力可以生产出厚度40毫米—500毫米、长度达12米以内的各种形状的板材。接缝技术采用本体聚合。工艺保证透明度高，粘接强度高。单片一次成型可制作最大观赏面尺寸为12000mm×3300mm×350mm(厚度)特大型超厚压力水族板。
（二）、压克力板有关国家规范
GBT 7134-2008 《浇铸型工业有机玻璃板材》
（三）、压克力板相关技术参数力学性能计算
根据厂家提供的检测报告压克力产品的力学性能材料性能如下：
上述检测报告中送检板材厚度80mm，检测报告中弯曲强度70MPa。参考水下玻璃相关计算方法。
（1）、四边支撑水底矩形压克力计算
σ—压克力板中部最大弯曲应力设计值，N/mm2;
u—压克力板中部最大挠度，mm；
ρ—水密度1.00×103kg/m3；
H—水深，m；
L—跨度，m；
t—压克力板厚度，mm；
按H=1m，80mm厚压克力板，压克力板短边尺寸a=L=4m，压克力板长边尺寸b=4m，b/a=1.0，β5=2.72，α5=6.3，计算σ、u，
σ=β5×ρ×H×L2/ n×t2=2.72×1.00×103kg/m3×1m×(4m)2/(80mm)2=68MPa u=α5×ρ×H×L4/ n×t3=6.3×103×1×44/803=3.15mm<其跨度的1/200=4000/200=20mm，符合要求。
计算结论：
压克力最大弯曲应力设计值σ=68MPa 压克力中部最大挠度u=3.15mm<其跨度的1/200=4000/200=20mm。
（2）、四边支撑矩形压克力侧面计算
按H=3.5m，80mm厚压克力板，压克力板短边尺寸a=L=2.5m，压克力板长边尺寸b=4m，b/a=1.6，H/a=1.4,β1=3.34，α1=8.03，计算σ、u，
σ=β1×ρ×H×L2/ n×t2=3.34×1.00×103kg/m3×3.5m×(2.5m)2/(80mm)2=141.2MPa> fg=70 MPa，不符合要求。
u=α1×ρ×H×L4/ n×t3=6.3×103×1×44/803=2.14mm<其跨度的1/200=2500/200=12.5mm。
计算结论：
水下四边支撑矩形压克力板，当水深3.5m，单块尺寸4m×2.5m ，80mm厚的压克力板无法满足设计要求。将亚克力板厚度升至100mm厚，计算σ=73MPa 压克力板中部最大挠度u=2.14mm<其跨度的1/200=2500/200=12.5mm。
（3）安装节点图
三、 案例介绍
（一）水下玻璃工程实例——国家大剧院水下通廊玻璃
1、工程简介
国家大剧院水下通廊北廊宽25米，长66.6米。支撑玻璃屋面的钢结构工程及玻璃屋面的设计，钢结构为正交的向两个方向延伸的格栅梁，梁的截面为三角形。钢框架通过阻尼减震器连接到外围的混凝土墙上，同时减震器也将玻璃顶边缘部分的荷载传到了混凝土墙上。整个栅格梁支撑一个玻璃屋顶，起水池底面作用，支撑着中部10厘米，边缘15厘米厚的流动水面。在室内虽然看不见天空，但流动的水面产生波纹，阳光经过水波纹的折射照进室内，室内产生波光粼粼的效果，仿佛置身于水下。水廊顶部由每块4200mm×1200mm的复合玻璃组成，复合玻璃为19mm厚钢化玻璃+3.04mm胶片+19mm厚钢化玻璃+20mm空气层+6mm厚钢化玻璃+1.52mm胶片+6mm钢化玻璃，复合玻璃总厚度在74.56mm，一块玻璃的重量达到了520公斤。
水下廊道实景
（二）、压克力工程案例
1、北京动物园海底世界，海底隧道应用直径3m，厚度120mm的亚克力板材。
四、 结论
水下玻璃复合规格形式见下表：
压克力板材规格见下表：
玻璃和压克力比较
经分析比较水下玻璃适用于水深不太深<0.5m，单块面积不宜太大，价格相对较低，易适用于水深较浅的水下透明屋顶。
压克力板适用水深较深3.5m左右，可以做尺寸较大的单块，价格较高，适用于水下通道透明走廊。
参考文献：1、JGJ 113-2009《 建筑玻璃应用技术技程》。
2、11J508 《建筑玻璃应用构造》。
3、GBT 7134-2008 《浇铸型工业有机玻璃板材》。
关键词：水下、透明材料、技术
中图分类号：K826.16 文献标识码：A 文章编号：
一、 水下玻璃技术性能分析
（一）关于水下玻璃相关规范：
JGJ 113-2009《 建筑玻璃应用技术技程》、11J508 《建筑玻璃应用构造》。
（二）水下玻璃相关技术参数、力学性能。
1、水下玻璃承受荷载分析计算
根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2006的要求，水下玻璃上面的主要荷载有均布水荷载10KN/m2（按水深1m计算），水下玻璃顶按不上人屋面考虑均布活荷载标准值0.5KN/m2，雪压值取0.4KN/m2。由此可见玻璃上方的均布水荷载是主要荷载。
永久荷载效应控制组合S=γGSGK+γQiψCiSQik
γG—永久荷载的分项系数，取1.35
SGK—永久荷载标准值GK计算的荷载效应值
γQi—第i个可变荷载分项系数，取1.4
ψCi—可变荷载Qi的组合值系数，取0.7
SQik—按可变荷载标准值Qik计算的荷载效应值
将上述荷载代入公式计算，因屋面均布活荷载不应与雪荷载同时组合，取较大值。S=1.35×10KN/m2+1.4×0.7×0.5KN/m2=14KN/m2=0.014MPa
2、水下玻璃设计计算
根据《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113-2009的要求：
水下用玻璃的设计应满足下式的要求：
σ≤fg
式中σ—水压作用产生的玻璃界面最大弯曲应力设计值，N/mm2；
fg—长期荷载作用下玻璃的强度设计值，按下表采用。
承受水压时，水下用玻璃般的挠度最大值不得大于其跨度的1/200；安装框架的挠度最大值不得超过其跨度的1/500。
从上表得知长期荷载作用下19mm厚的钢化玻璃中部强度设计值fg=36MPa，边缘强度设计值fg=29MPa。
σ—玻璃中部最大弯曲应力设计值，N/mm2;
u—玻璃中部最大挠度，mm；
ρ—水密度1.00×103kg/m3；
H—水深，m；
L—跨度，m；
t—单片玻璃厚度，mm；
n—构成夹层玻璃得单片玻璃数；
按H=1m，19mm單片钢化玻璃，玻璃短边尺寸a=L=1.2m，玻璃长边尺寸b=4.2m，b/a=3.5，β5=7.255，α5=19.52，计算σ、u，
σ=β5×ρ×H×L2/ n×t2=7.255×1.00×103kg/m3×1m×(1.2m)2/(19mm)2=289.4MPa
u=α5×ρ×H×L4/ n×t3=19.52×103×1×1.24/193=6mm
计算结论：
玻璃中部最大弯曲应力设计值σ=289.4MPa>fg=36MPa，不符合要求。
玻璃中部最大挠度u=6mm<其跨度的1/200=4200/200=21mm。
经上述计算结果分析可知，若用水下用玻璃做透明屋顶，应合理控制水深，控制荷载，水深不宜超过0.5m。因为市场常规普通玻璃最厚为19mm，一般以常规普通玻璃为基础进行钢化、复合。若玻璃厚度超过19mm需加工定做，且玻璃厚度超过19mm，其边缘强度、中部强度设计值反而降低，经济上很不合理。若玻璃屋面仍需要较深的水深，那么玻璃尺寸就应变小，视觉观感就会受一定影响。
二、有机玻璃（压克力）技术性能分析
（一）、压克力介绍
压克力板材为压克力聚甲基丙烯酸甲酯是MMA的均聚物或共聚物，简称
PMMA(Poly-methylmethacrylate)，美、英、德、日等国均称之为压克力（AcrylicSheet）,其特殊的物理性能使其可以承载超高水体压力，从而让超大水体成为可能。水族领域压克力板材一直是海洋馆工程、巨型水族箱的唯一选择。也因此压克力鱼缸频繁的出现在宾馆、写字楼、娱乐场所的大堂之中。
1、压克力物理特性
①承受力强，抗冲击力强，是普通玻璃的十六倍。世界上最高的亚克力水族箱水位超过十层楼高。（19mm厚钢化玻璃制作的水族箱安全水位高度为1.2米）。
②透光性佳，可达95%以上，具有水晶一样晶莹的品质（水族箱内景物变小）。
③耐候及耐酸碱性能好，不会因常年累月的日晒雨淋，而产生泛黄及水解的现象。
④自重轻，比普通玻璃轻一半，建筑物及支架承受的负荷小。
⑤色彩艳丽，高亮度，是其他材料不能比美的。
⑥可塑性强，造型变化大，加工成型容易。
⑦维护方便，易清洁，用肥皂和软布擦洗即可。
⑧绝缘性能优良，适合各种电器设备。
⑨无色透明可以自由着色，表面光泽亮丽。对人体无毒性。
2、压克力产品和技术
压克力可以生产出厚度40毫米—500毫米、长度达12米以内的各种形状的板材。接缝技术采用本体聚合。工艺保证透明度高，粘接强度高。单片一次成型可制作最大观赏面尺寸为12000mm×3300mm×350mm(厚度)特大型超厚压力水族板。
（二）、压克力板有关国家规范
GBT 7134-2008 《浇铸型工业有机玻璃板材》
（三）、压克力板相关技术参数力学性能计算
根据厂家提供的检测报告压克力产品的力学性能材料性能如下：
上述检测报告中送检板材厚度80mm，检测报告中弯曲强度70MPa。参考水下玻璃相关计算方法。
（1）、四边支撑水底矩形压克力计算
σ—压克力板中部最大弯曲应力设计值，N/mm2;
u—压克力板中部最大挠度，mm；
ρ—水密度1.00×103kg/m3；
H—水深，m；
L—跨度，m；
t—压克力板厚度，mm；
按H=1m，80mm厚压克力板，压克力板短边尺寸a=L=4m，压克力板长边尺寸b=4m，b/a=1.0，β5=2.72，α5=6.3，计算σ、u，
σ=β5×ρ×H×L2/ n×t2=2.72×1.00×103kg/m3×1m×(4m)2/(80mm)2=68MPa
计算结论：
压克力最大弯曲应力设计值σ=68MPa
（2）、四边支撑矩形压克力侧面计算
按H=3.5m，80mm厚压克力板，压克力板短边尺寸a=L=2.5m，压克力板长边尺寸b=4m，b/a=1.6，H/a=1.4,β1=3.34，α1=8.03，计算σ、u，
σ=β1×ρ×H×L2/ n×t2=3.34×1.00×103kg/m3×3.5m×(2.5m)2/(80mm)2=141.2MPa> fg=70 MPa，不符合要求。
u=α1×ρ×H×L4/ n×t3=6.3×103×1×44/803=2.14mm<其跨度的1/200=2500/200=12.5mm。
计算结论：
水下四边支撑矩形压克力板，当水深3.5m，单块尺寸4m×2.5m ，80mm厚的压克力板无法满足设计要求。将亚克力板厚度升至100mm厚，计算σ=73MPa
（3）安装节点图
三、 案例介绍
（一）水下玻璃工程实例——国家大剧院水下通廊玻璃
1、工程简介
国家大剧院水下通廊北廊宽25米，长66.6米。支撑玻璃屋面的钢结构工程及玻璃屋面的设计，钢结构为正交的向两个方向延伸的格栅梁，梁的截面为三角形。钢框架通过阻尼减震器连接到外围的混凝土墙上，同时减震器也将玻璃顶边缘部分的荷载传到了混凝土墙上。整个栅格梁支撑一个玻璃屋顶，起水池底面作用，支撑着中部10厘米，边缘15厘米厚的流动水面。在室内虽然看不见天空，但流动的水面产生波纹，阳光经过水波纹的折射照进室内，室内产生波光粼粼的效果，仿佛置身于水下。水廊顶部由每块4200mm×1200mm的复合玻璃组成，复合玻璃为19mm厚钢化玻璃+3.04mm胶片+19mm厚钢化玻璃+20mm空气层+6mm厚钢化玻璃+1.52mm胶片+6mm钢化玻璃，复合玻璃总厚度在74.56mm，一块玻璃的重量达到了520公斤。
水下廊道实景
（二）、压克力工程案例
1、北京动物园海底世界，海底隧道应用直径3m，厚度120mm的亚克力板材。
四、 结论
水下玻璃复合规格形式见下表：
压克力板材规格见下表：
玻璃和压克力比较
经分析比较水下玻璃适用于水深不太深<0.5m，单块面积不宜太大，价格相对较低，易适用于水深较浅的水下透明屋顶。
压克力板适用水深较深3.5m左右，可以做尺寸较大的单块，价格较高，适用于水下通道透明走廊。
参考文献：1、JGJ 113-2009《 建筑玻璃应用技术技程》。
2、11J508 《建筑玻璃应用构造》。
3、GBT 7134-2008 《浇铸型工业有机玻璃板材》。