隨著美國蘋果公司對玻璃結(jié)構(gòu)創(chuàng)造性應(yīng)用，玻璃結(jié)構(gòu)進(jìn)入全球民眾視野。從20世紀(jì)晚期開始，玻璃結(jié)構(gòu)已在國外發(fā)展了30多年，從試探階段進(jìn)入到廣泛應(yīng)用的階段[1,2]，同時國外對玻璃結(jié)構(gòu)的研究也積累了非常豐富的成果[3]。而國內(nèi)，對玻璃承重結(jié)構(gòu)的研究比較有限[4-11]。蘋果公司上海旗艦店有力證明了國內(nèi)的玻璃制造和裝配業(yè)具備制造玻璃結(jié)構(gòu)的能力。但對玻璃結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)研發(fā)，我國還處于試驗(yàn)和探索階段。

　　圖1　 2014年幕墻年展的玻璃梁(作者拍攝)

　　為了探討玻璃結(jié)構(gòu)的承載力驗(yàn)算方法，筆者嘗試運(yùn)用幕墻和鋼結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法對玻璃盒子進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

圖2 玻璃盒子平立面圖(自繪圖片)

　　玻璃盒子為邊長5m的立方體，為簡化方案，忽略門窗的設(shè)計(jì)。每個玻璃面分三格，玻璃面板尺寸為1.67 m寬×5 m高(長)。綜合考慮設(shè)計(jì)強(qiáng)度、剩余強(qiáng)度和耐溫性，本項(xiàng)目玻璃均選用半鋼化SGP夾膠玻璃，玻璃尺寸由結(jié)構(gòu)計(jì)算決定，考慮SGP對結(jié)構(gòu)玻璃的作用 [。

　　玻璃屋面板通過橡膠墊片和硅酮結(jié)構(gòu)膠與相關(guān)構(gòu)件連，將橡膠墊片（詞條“墊片”由行業(yè)大百科提供）視為豎向支座（詞條“支座”由行業(yè)大百科提供），硅酮結(jié)構(gòu)膠視為彈簧支座(其彈簧剛度由結(jié)構(gòu)膠的變型量決定);玻璃墻面板通過酮結(jié)構(gòu)膠與玻璃柱連接，通過螺栓與底部支座連接。

　　玻璃柱的底部為固接，頂部與玻璃梁鉸接。主梁的兩端與玻璃柱鉸接形成主排架。次梁與玻璃柱鉸接形成次排架。次梁與主梁交接處，次梁使用鋼件穿過主梁進(jìn)行等強(qiáng)連接。

圖3 玻璃盒子結(jié)構(gòu)體系(自繪圖片)

圖注：1為中柱，2為主梁，3為次梁，4為角柱，5為邊梁;A為剛接柱腳，B為梁柱間鉸接，C為次梁接長剛接，D為角柱與邊梁的連接;

　　假設(shè)玻璃盒子處于廣州城區(qū)，按50年使用年限進(jìn)行考慮，其基本風(fēng)壓為0.5kPa，粗糙度類別為C類。抗震設(shè)防類別為“丙類”，抗震設(shè)防烈度為7度。

　　玻璃盒子所在地基為尺寸足夠大的C40混凝土（詞條“混凝土”由行業(yè)大百科提供），其抗壓強(qiáng)度：，抗拉強(qiáng)度：。

　　玻璃盒子按建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB5009-2012進(jìn)行荷載取值和組合，玻璃的承載力設(shè)計(jì)值按建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程JGJ113-2009取值。根據(jù)玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范JGJ102-2003和鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB50017-2014對玻璃盒子進(jìn)行強(qiáng)度和撓度（詞條“撓度”由行業(yè)大百科提供）驗(yàn)算。

　　1玻璃盒子各構(gòu)件的承載分析

　　1.1玻璃屋面板的承載分析

　　在風(fēng)荷載作用下，中間位置處的屋面板平面外承受豎向風(fēng)荷載，同時平面內(nèi)承受墻面板傳遞的水平風(fēng)荷載。邊緣處的屋面板，三邊與墻面板連接，均承受墻面板傳遞的風(fēng)荷載。

圖4 屋面板的荷載情況(自繪圖片)

圖中：g為面板自重，q為面板活荷載，W1為豎向風(fēng)荷載，W2為水平風(fēng)荷載，Q為集中活荷載

　　由于硅酮結(jié)構(gòu)膠長度遠(yuǎn)大于寬度，寬度方向?qū)ΣＡУ闹С辛梢院雎裕晕菝姘宓乃街ё谎亟Y(jié)構(gòu)膠的長度方向設(shè)置。

圖5 屋面板的支座布置(自繪圖片)

圖中：箭頭方向?yàn)樗街ёO(shè)置方向

　　1.2玻璃墻面板的承載分析

　　玻璃墻面承受的荷載有五種情況，見圖6。

圖6 墻面板的荷載情況(自繪圖片)

　　圖中：a)為自重和活荷載組合，b)為中間墻面板自重和風(fēng)荷載的組合，c)為轉(zhuǎn)角墻面板自重和風(fēng)荷載的組合，d)為中間墻面板自重、風(fēng)荷載和地震作用的組合，e)為轉(zhuǎn)角墻面板自重、風(fēng)荷載和地震作用的組合。

　　Gw為墻面板自重，gr為支承屋面板的重量，q為支承屋面板承受的面活荷載，Q為支承屋面板承受的集中活荷載，w1為支承屋面板的豎直風(fēng)荷載，w2為墻面板直接承受的水平風(fēng)荷載，w3為支承轉(zhuǎn)角墻面板的水平風(fēng)荷載，qEK為墻面板直接承受的地震荷載，qEK1為支承轉(zhuǎn)角墻面板的地震荷載

　　玻璃墻面板的支座布置見圖7，具體的設(shè)置見表1。

圖7 墻面板的支座布置(自繪圖片)

　　1.3玻璃排架的承載分析

圖8 玻璃主排架的荷載情況

　　圖中：a)為自重和活荷載組合，b) 為自重和風(fēng)荷載組合(順風(fēng)向)c) 為自重和風(fēng)荷載組合(側(cè)風(fēng)向)d)為自重、風(fēng)荷載(順風(fēng)向)和地震作用組合e)為自重、風(fēng)荷載(側(cè)風(fēng)向)和地震作用組合

　　玻璃主排架承受荷載的情況有五種，見圖8，其受荷寬度為1666.7mm。由于不了解結(jié)構(gòu)膠與玻璃共同作用的機(jī)理，以及玻璃面板有效寬度的選取辦法，所以本文不考慮玻璃面板對玻璃排架(梁柱)的抗彎作用，只考慮玻璃面板對玻璃柱梁的側(cè)向支撐作用時，玻璃梁不會發(fā)生彎扭失穩(wěn)，玻璃排架不發(fā)生側(cè)向失穩(wěn)。

　　在主排架失效時，次排架會代替主排架，成為主承重骨架，因此次排架的荷載情況與主排架相同。次排架的計(jì)算簡圖如圖9，假設(shè)次梁為三段玻璃構(gòu)件剛接而成的接長梁。

圖9 次排架計(jì)算簡圖

　　2玻璃盒子的承載力驗(yàn)算

　　本文選擇SAP2000對各構(gòu)件進(jìn)行有限元分析，得到各構(gòu)件的最大應(yīng)力最和撓度值。

　　2.1玻璃面板的承載力驗(yàn)算

　　通過SAP2000運(yùn)算，屋面板選用8+1.52(SGP)+8mm厚半鋼化夾膠玻璃(有效厚度（詞條“有效厚度”由行業(yè)大百科提供）為16.05mm)，墻面板10+1.52(SGP)+10mm厚半鋼化夾膠玻璃(有效厚度為21.07mm)，驗(yàn)算結(jié)果見表2，圖10-圖13。

圖10 屋面板的應(yīng)力分布圖

圖11 屋面板的撓度分布圖

　　a) 自重和活荷載組合b) 自重和風(fēng)荷載組合c) 自重、風(fēng)荷載和地震組合

圖12 墻面板的應(yīng)力分布圖

圖13 墻面板的撓度分布圖

　　2.2玻璃排架的承載力驗(yàn)算

　　經(jīng)驗(yàn)算，玻璃梁柱均選用高度為300mm的10mm+1.52mm(SGP)+ 10mm厚夾層半鋼化玻璃，最大應(yīng)力值見表3，彎矩圖見圖14，圖15。最大撓度值見表4，變形圖見圖16，圖17。

圖14　不同荷載組合的主排架的彎矩圖

圖15　不同荷載組合的次排架的彎矩圖

　　表中：a)為自重和活荷載組合，b) 為自重和風(fēng)荷載組合(順風(fēng)向)c) 為自重和風(fēng)荷載組合(側(cè)風(fēng)向)d) 為自重、風(fēng)荷載(順風(fēng)向)和地震作用組合e) 為自重、風(fēng)荷載(側(cè)風(fēng)向)和地震作用組合。軸力欄中正值為拉力值，負(fù)值為壓力值

圖16　不同荷載組合的主排架的變形圖

圖17 不同荷載組合的次排架的變形圖

　　表中：a)為自重和活荷載組合，b) 為自重和風(fēng)荷載組合(順風(fēng)向)c) 為自重和風(fēng)荷載組合(側(cè)風(fēng)向)

　　3玻璃盒子剩余強(qiáng)度分析

　　玻璃結(jié)構(gòu)中，玻璃構(gòu)件的破壞存在不可預(yù)見性、突發(fā)性和不可避免性。所以必需考慮玻璃構(gòu)件破壞后，結(jié)構(gòu)的安全性。除非極端情況，玻璃盒子一般只會產(chǎn)生局部構(gòu)件破壞，所以本文只考慮某一構(gòu)件破壞對玻璃結(jié)構(gòu)的影響。

　　由于玻璃選用SGP的夾膠玻璃，根據(jù)制造商提供的實(shí)驗(yàn)證明[13]，即使玻璃面板破碎，也會保留在原位，玻璃骨架承受荷載沒有改變。只是破碎構(gòu)件不再承受荷載，荷載將傳到其相鄰的玻璃構(gòu)件上。

　　當(dāng)中間面板破壞時，對玻璃結(jié)構(gòu)影響不大。當(dāng)邊角面板破壞時，會影響相鄰玻璃面板，要求進(jìn)行相關(guān)面板的強(qiáng)度復(fù)核。當(dāng)中柱破壞時，與之連接的梁退出工作，與之組成排架的另一中柱成懸挑構(gòu)件，需要進(jìn)行強(qiáng)度復(fù)核。當(dāng)主次梁破壞退出工作時，屋面板的支承情況有改變，但不會引起面板破壞，與之相連的中柱成懸挑構(gòu)件，需要進(jìn)行強(qiáng)度復(fù)核。因此，玻璃盒子的剩余強(qiáng)度驗(yàn)算包括：缺少支撐的玻璃墻面板的強(qiáng)度復(fù)核，和懸挑中柱的強(qiáng)度復(fù)核。由于構(gòu)件破壞后，有臨時支護(hù)才可上屋面檢修，所以剩余強(qiáng)度驗(yàn)算不考慮1kN的屋面檢修集中荷載。

　　3.1玻璃墻面板的剩余強(qiáng)度驗(yàn)算

　　結(jié)構(gòu)膠軸向與面板平行的轉(zhuǎn)角墻面板為不利墻面板，對其進(jìn)行剩余強(qiáng)度驗(yàn)算，自重和風(fēng)荷載組合視為墻面板剩余強(qiáng)度驗(yàn)算時的最不利荷載組合，最大應(yīng)力值見表5。

圖18　不同支承下墻面板的應(yīng)力分布圖

　　3.2玻璃屋面板的剩余強(qiáng)度驗(yàn)算

　　屋面板的支承構(gòu)件破壞情況有五種。圖19a為短邊處墻面板失效，屋面板支承減少，與屋面板和失效墻面板連接的墻面板傳來的荷載增加。圖19b為次梁失效有兩種情況，次梁直接失效，中柱失效導(dǎo)致次梁失效。后一種情況會使屋面板承受墻面?zhèn)鱽淼乃胶奢d增大，作為驗(yàn)算的對象。圖19c為長邊處邊緣墻面板失效，此時，其分析與圖19a情況相似。圖19d為長邊處中間墻面板失效。圖19e為主梁失效。經(jīng)驗(yàn)算，屋面板的最大應(yīng)力值，見表6。

圖19　屋面板剩余強(qiáng)度時的支座情況

　　注：a)為短邊處墻面板失效，b)為次梁失效，c)和d)為長邊處墻面板失效，e)為主梁失效

圖20不同支承下屋面板的應(yīng)力分布圖

　　3.3玻璃排架的剩余強(qiáng)度驗(yàn)算

圖21　玻璃柱破壞可能情況(自繪圖片)

　　玻璃柱破壞有三種可能情況，如圖21。情況一，支承主梁的中柱破壞，相應(yīng)玻璃面板變?yōu)槿呏С校撝髋偶苌系牧硪恢兄暈閼姨魳?gòu)件，玻璃主梁承受的荷載傳遞到玻璃次梁上，次排架變?yōu)橹髋偶艹袚?dān)荷載。情況二，支承次梁的中柱破壞，相應(yīng)玻璃面板變?yōu)槿呏С校摯闻偶苌系牧硪恢兄暈閼姨魳?gòu)件，相應(yīng)的次梁退出工作。情況三，角柱破壞，即面板破壞。

圖22　 玻璃梁破壞可能情況(自繪圖片)

　　玻璃梁破壞有三種可能情況，如圖22。情況一，主梁破壞，相應(yīng)玻璃面板荷載由次梁承受，相連的中柱成懸挑構(gòu)件。情況二和情況三，均為次梁破壞，玻璃面板受荷支承減少，但不會引起面板破壞，相連的中柱成懸挑構(gòu)件。因此，排架結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度驗(yàn)算就是玻璃中柱的懸挑驗(yàn)算。

圖23　懸挑柱的荷載情況

　　基于上述分析，懸挑柱的不利荷載情況出現(xiàn)在主排架另一中柱失效，有兩種荷載情況，一是自重和風(fēng)荷載組合(迎風(fēng))，二是自重、風(fēng)荷(迎風(fēng))和地震的組合。經(jīng)驗(yàn)算，最大應(yīng)力值見表7。

圖24　不同荷載組合的次排架的彎矩圖

　　表中：a)為自重和風(fēng)荷載組合(順風(fēng)向)，b)為自重、風(fēng)荷載(順風(fēng)向)和地震作用組合，軸力欄中正值為拉力值，負(fù)值為壓力值。

　　4玻璃盒子連接節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

　　面板的連接和玻璃柱腳的連接設(shè)計(jì)與幕墻相同，此處不再詳述，只對梁柱連接，次梁接長連接進(jìn)行介紹。為保護(hù)玻璃梁柱，在玻璃柱梁的兩面各增加一片玻璃，作為柱梁的保護(hù)層(犧牲層)，因此實(shí)際玻璃梁柱為4×10mm厚SGP夾層半鋼化玻璃。

　　玻璃主排架的梁柱連接構(gòu)造圖見圖25。玻璃梁和玻璃柱做成榫眼和凸榫形式，鍥在一起，通過1顆等級為A4-70的M12不銹鋼豬鼻螺栓固定，玻璃的開孔直徑為25mm，詳見圖26。

圖25　玻璃梁柱連接構(gòu)造圖

圖26　 梁柱連接處的螺栓節(jié)點(diǎn)圖

　　次梁接長構(gòu)造圖，見圖27。次梁遇到主梁時需要斷開，通過鋼連接件穿過主梁(主梁上開∅25×80mm的長圓孔)進(jìn)行接長連接。鋼連接件當(dāng)于次梁的一部分，承受相應(yīng)的段的荷載和內(nèi)力。鋼件通過螺栓與主梁連接，對次梁接長節(jié)點(diǎn)起側(cè)向支撐作用。

圖27　次梁接長構(gòu)造圖

　　5小結(jié)

　　本文運(yùn)用彈性力學(xué)，對玻璃盒子進(jìn)行傳統(tǒng)理論上的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，嘗試探討玻璃結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法。本文按荷載傳遞過程依次對玻璃面板、玻璃排架、玻璃節(jié)點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度和剛度的驗(yàn)算。并且根據(jù)玻璃脆性（詞條“脆性”由行業(yè)大百科提供）的特點(diǎn)，嘗試提出玻璃盒子剩余強(qiáng)度分析的思路和驗(yàn)算方法。玻璃盒子方案圖見圖28-圖32。各構(gòu)件驗(yàn)算結(jié)果見表8。

　　本文玻璃盒子的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)只停留在理論計(jì)算階段，沒有經(jīng)過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行復(fù)核，也不能較全面考慮玻璃結(jié)構(gòu)在實(shí)際工程中可能遇到的問題(如門窗洞、排水、防雷（詞條“防雷”由行業(yè)大百科提供）、備管線布置等)，不一定能真正反映玻璃結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力情況。只能是玻璃結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一種嘗試性的探討，為國內(nèi)玻璃結(jié)構(gòu)的研發(fā)提出一些想法，希望能引起國內(nèi)同行的關(guān)注，使玻璃結(jié)構(gòu)能在國內(nèi)發(fā)展起來。

圖28 　玻璃盒子立面圖

圖29 　玻璃盒子平面圖(地面)

圖30 　玻璃盒子平面圖(梁高)

圖31 玻璃盒子剖面圖(主梁)

圖32 玻璃盒子剖面圖(次梁)

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