1.前言
點(diǎn)支承玻璃幕墻技術(shù)是從國(guó)外發(fā)展起來(lái)的,早在上世紀(jì)六七十年代國(guó)外就開(kāi)始了點(diǎn)支承玻璃幕墻的應(yīng)用,其中比較著名的工程有:法國(guó)建筑師安德良在紀(jì)念法國(guó)大革命200周年的十大建筑物之——拉維萊特科學(xué)館的立面中所設(shè)計(jì)的點(diǎn)支承玻璃幕墻i著名的華裔建筑大師貝聿銘在法國(guó)盧浮宮改建工程地下廣場(chǎng)的中心部位設(shè)計(jì)的金字塔形點(diǎn)支玻璃采光頂。我國(guó)的點(diǎn)支承玻璃幕墻技術(shù)上世紀(jì)九十年代由國(guó)外引進(jìn),其中最具標(biāo)志性的建筑是1996年由法國(guó)夏邦杰建筑師事務(wù)所設(shè)計(jì)的上海大劇院工程。該I程的成功應(yīng)用引起了國(guó)內(nèi)建筑與幕墻行業(yè)的高度關(guān)注,點(diǎn)支承玻璃幕墻在中國(guó)高速發(fā)展起來(lái)。經(jīng)過(guò)十多年的發(fā)展,中國(guó)已成為點(diǎn)支承玻璃幕墻的使用大國(guó)和技術(shù)強(qiáng)國(guó),各種形式的點(diǎn)支承玻璃幕墻在中國(guó)得到了應(yīng)用和發(fā)展。由于支承結(jié)構(gòu)具有通用性,所以在點(diǎn)支承玻璃幕墻中,最能代表其技術(shù)發(fā)展的就是玻璃面板的點(diǎn)連接方式。布近半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展過(guò)程中,玻璃面板的連接方式先后有過(guò)補(bǔ)丁板式連接系統(tǒng)(圖1)、皮爾金頓平面系統(tǒng)(圖2)、鉸接螺栓系統(tǒng)“(圖3)。存這些基本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,目前已形成現(xiàn)在主流的幾種點(diǎn)支承方式:玻璃開(kāi)孔點(diǎn)支承(圖4)、玻璃邊點(diǎn)支承(圖5)和玻I離角點(diǎn)支承(圖6),其中玻璃角點(diǎn)支承方式由于承重高、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn),近年來(lái)在行業(yè)中的發(fā)展最為迅速。玻璃角點(diǎn)支承中的支承裝置行業(yè)內(nèi)通常稱(chēng)之為夾具(見(jiàn)圖6),它是點(diǎn)支承玻璃幕墻工程中集合了駁接頭和駁接爪功能與一體的一種復(fù)合連接件,其前面槽口用于安裝固定玻璃,槽口內(nèi)部的玻璃與金屬部件之間襯有柔性墊片,后面部分相連支承結(jié)構(gòu)。
由于夾具支承玻璃的面積相對(duì)于整塊玻璃而言要小得多,所以行業(yè)內(nèi)也將這種方式視為一種點(diǎn)支承方式。點(diǎn)支承方式是一種局部支承方式,所以應(yīng)力集中問(wèn)題始終存在,唯—的辦法是盡量減小應(yīng)力集中的程度。對(duì)于四點(diǎn)支承的玻I離面板而言,行業(yè)內(nèi)傳統(tǒng)的觀念認(rèn)為玻璃面板在面外荷載的作用下,其最大應(yīng)力不出現(xiàn)在支承點(diǎn)附近,而出現(xiàn)在長(zhǎng)邊跨中即認(rèn)為玻I離面板的應(yīng)力分布是比較合理的。理論與實(shí)踐訂明,這主要取決于支承點(diǎn)對(duì)玻璃的轉(zhuǎn)動(dòng)約束程度,約束越弱面板應(yīng)力分布越接近于這種理想狀態(tài);所以點(diǎn)支承玻璃幕墻中常用的駁接頭都設(shè)計(jì)有球鉸。對(duì)于玻璃夾具而言,由于構(gòu)造不同j不能在上面裝上像駁接頭一樣的球鉸,要實(shí)現(xiàn)這種功能只能采取其它的技術(shù)措施。目前行業(yè)內(nèi)有兩種做法:主流的做法是在夾具與玻璃之間墊上適當(dāng)厚度的橡膠墊片,利用橡膠的超彈性來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃固定點(diǎn)的鉸接支承(圖7)i另一種做法是在夾具內(nèi)玻璃角部?jī)蓚?cè)安裝上半球形墊塊,利用這種物理意義的球鉸裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃固定點(diǎn)的鉸接支承(圖8)。從一般的力學(xué)常識(shí)來(lái)判斷的話,這兩種做法都是有道理的,但是在實(shí)際的工程應(yīng)用中,這兩種支承方式能否達(dá)到預(yù)想的效果?各有什么優(yōu)缺點(diǎn)?目前在行業(yè)中這方面的研究比較少,國(guó)外也很少見(jiàn)到關(guān)于這方面的技術(shù)文獻(xiàn)。
本文利用有限元分析軟件的三維實(shí)體分析功能,對(duì)圉前點(diǎn)支承玻璃幕墻中常見(jiàn)的這兩種鉸接支承方案做了分析對(duì)比,以供設(shè)計(jì)者參考。目前能夠精確分析這類(lèi)問(wèn)題的都是一些大型的有限元分析軟件, 如美國(guó)HKS公司ABAQUS軟件, ANSYS公司開(kāi)發(fā)的ANSYS軟件。本文的對(duì)比分析采用ANSYS軟件來(lái)進(jìn)行。
2.分析模型及分析說(shuō)明
2.1分析對(duì)象
本文所取的玻璃為12mm厚鋼化玻璃面板分格尺寸為1800mm×2000mm,采用四點(diǎn)支承方式,所選夾具規(guī)格為120mm×120mm(圖9)。承受外面均布荷載q=2kN/m2,自重作用忽略。支承方式分別為實(shí)際點(diǎn)支承(支承在有限元節(jié)點(diǎn)上)、橡膠墊片支承(圖10)`球鉸支承(圖11)。
2.2材料特性
2.2.1玻璃
玻璃是一種典型的脆性材料;導(dǎo)致其發(fā)生脆性斷裂破壞的原因是其最大拉應(yīng)力達(dá)到了材料的抗拉強(qiáng)度。因此在校核時(shí)適用最大拉應(yīng)力理論(或稱(chēng)第一強(qiáng)度理論),本文所顯示的玻璃應(yīng)力均為第一主應(yīng)力S1。玻璃在分析時(shí),其彈性模量E=0.72× 105N/mm2, 泊松比v=0.2。
2.2.2球鉸材質(zhì)
球鉸可選用多種材質(zhì)制造,本文選用建筑行業(yè)中常用的尼龍66(PA66)。尼龍66自勺復(fù)合產(chǎn)品較多,參數(shù)不一,本文假設(shè)其彈4哇模量為3000N/mm2, 泊松比v=0,強(qiáng)度校核采用最大切應(yīng)力理論(或稱(chēng)第三強(qiáng)度理論)。本文所顯示的球鉸應(yīng)力均為VOnMises等效應(yīng)力。
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