1.前言
點支承玻璃幕墻技術是從國外發展起來的,早在上世紀六七十年代國外就開始了點支承玻璃幕墻的應用,其中比較著名的工程有:法國建筑師安德良在紀念法國大革命200周年的十大建筑物之——拉維萊特科學館的立面中所設計的點支承玻璃幕墻i著名的華裔建筑大師貝聿銘在法國盧浮宮改建工程地下廣場的中心部位設計的金字塔形點支玻璃采光頂。我國的點支承玻璃幕墻技術上世紀九十年代由國外引進,其中最具標志性的建筑是1996年由法國夏邦杰建筑師事務所設計的上海大劇院工程。該I程的成功應用引起了國內建筑與幕墻行業的高度關注,點支承玻璃幕墻在中國高速發展起來。經過十多年的發展,中國已成為點支承玻璃幕墻的使用大國和技術強國,各種形式的點支承玻璃幕墻在中國得到了應用和發展。由于支承結構具有通用性,所以在點支承玻璃幕墻中,最能代表其技術發展的就是玻璃面板的點連接方式。布近半個世紀的發展過程中,玻璃面板的連接方式先后有過補丁板式連接系統(圖1)、皮爾金頓平面系統(圖2)、鉸接螺栓系統“(圖3)。存這些基本系統的基礎上,目前已形成現在主流的幾種點支承方式:玻璃開孔點支承(圖4)、玻璃邊點支承(圖5)和玻I離角點支承(圖6),其中玻璃角點支承方式由于承重高、造價低等優點,近年來在行業中的發展最為迅速。玻璃角點支承中的支承裝置行業內通常稱之為夾具(見圖6),它是點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合連接件,其前面槽口用于安裝固定玻璃,槽口內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構。
由于夾具支承玻璃的面積相對于整塊玻璃而言要小得多,所以行業內也將這種方式視為一種點支承方式。點支承方式是一種局部支承方式,所以應力集中問題始終存在,唯—的辦法是盡量減小應力集中的程度。對于四點支承的玻I離面板而言,行業內傳統的觀念認為玻璃面板在面外荷載的作用下,其最大應力不出現在支承點附近,而出現在長邊跨中即認為玻I離面板的應力分布是比較合理的。理論與實踐訂明,這主要取決于支承點對玻璃的轉動約束程度,約束越弱面板應力分布越接近于這種理想狀態;所以點支承玻璃幕墻中常用的駁接頭都設計有球鉸。對于玻璃夾具而言,由于構造不同j不能在上面裝上像駁接頭一樣的球鉸,要實現這種功能只能采取其它的技術措施。目前行業內有兩種做法:主流的做法是在夾具與玻璃之間墊上適當厚度的橡膠墊片,利用橡膠的超彈性來實現對玻璃固定點的鉸接支承(圖7)i另一種做法是在夾具內玻璃角部兩側安裝上半球形墊塊,利用這種物理意義的球鉸裝置來實現對玻璃固定點的鉸接支承(圖8)。從一般的力學常識來判斷的話,這兩種做法都是有道理的,但是在實際的工程應用中,這兩種支承方式能否達到預想的效果?各有什么優缺點?目前在行業中這方面的研究比較少,國外也很少見到關于這方面的技術文獻。
本文利用有限元分析軟件的三維實體分析功能,對圉前點支承玻璃幕墻中常見的這兩種鉸接支承方案做了分析對比,以供設計者參考。目前能夠精確分析這類問題的都是一些大型的有限元分析軟件, 如美國HKS公司ABAQUS軟件, ANSYS公司開發的ANSYS軟件。本文的對比分析采用ANSYS軟件來進行。
2.分析模型及分析說明
2.1分析對象
本文所取的玻璃為12mm厚鋼化玻璃面板分格尺寸為1800mm×2000mm,采用四點支承方式,所選夾具規格為120mm×120mm(圖9)。承受外面均布荷載q=2kN/m2,自重作用忽略。支承方式分別為實際點支承(支承在有限元節點上)、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;導致其發生脆性斷裂破壞的原因是其最大拉應力達到了材料的抗拉強度。因此在校核時適用最大拉應力理論(或稱第一強度理論),本文所顯示的玻璃應力均為第一主應力S1。玻璃在分析時,其彈性模量E=0.72× 105N/mm2, 泊松比v=0.2。
2.2.2球鉸材質
球鉸可選用多種材質制造,本文選用建筑行業中常用的尼龍66(PA66)。尼龍66自勺復合產品較多,參數不一,本文假設其彈4哇模量為3000N/mm2, 泊松比v=0,強度校核采用最大切應力理論(或稱第三強度理論)。本文所顯示的球鉸應力均為VOnMises等效應力。
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