超高坐地式玻璃肋幕墙系统结构性能和位移能力试验研究

引用文献：

陶照堂惠存李永春罗参锦闫忠云胡峰. 超高坐地式玻璃肋幕墙系统结构性能和位移能力试验研究[J]. 建筑结构，2018，48（22）：112-115 .

Tao Zhaotang Hui Cun Li Yongchun Luo Canjin Yan Zhongyun Hu Feng. Experimental investigation on structural performance and displacement ability of ultra high bottom supported glass fin curtain wall system[J]. Building Structure，2018,48（22）：112-115 .

作者：陶照堂惠存李永春罗参锦闫忠云胡峰

单位：江河创建集团股份有限公司中原工学院建筑工程学院

摘要：澳门某工程的玻璃肋幕墙系统采用高度均为11.6m的坐地式玻璃肋和玻璃面板。针对该超高坐地式玻璃肋幕墙系统进行了大风压作用下的结构性能和位移能力试验研究。研究表明, 该幕墙系统不仅满足3.4kPa风压作用下的结构性能要求和5.1kPa大风压作用下结构的安全性能要求, 而且满足三个方向位移能力的要求。充分说明此11.6m超高坐地式玻璃肋幕墙系统的设计方案是安全可行的, 设计方案和试验结果可为今后实际工程提供支持。

关键词：超高玻璃肋幕墙系统结构性能位移能力坐地式

作者简介：惠存，博士，讲师，Email:hui8cun@163.com。

基金：河南省高等学校重点科研项目(17A560013)；中国博士后科学基金项目(2015M570998)。

0 引言

　　随着社会的发展, 人们对厅堂通透和美观的要求越来越高, 甚至要求达到全透明的效果, 以致于厅堂的层高越来越大, 达到12m或者更高, 如苹果公司在香港尖沙咀广东道的苹果店的玻璃肋和玻璃面板达到了30.5m高。我国《玻璃幕墙工程技术规范》 (JGJ 102—2003) ^[1]限定了坐地式 (下端承重) 全玻幕墙的最大高度, 对于大于规范限值的全玻幕墙应悬挂在主体结构上。美国《Glass in buildings-selection and installation》 (AS 1288) ^[2]指出坐地玻璃肋的高度不宜超过5m。坐地式玻璃肋由于采用下部支撑, 在自重的作用下, 玻璃面板和玻璃肋处于偏心受压状态, 容易失稳且玻璃表面易变, 影响外观效果。而玻璃肋和玻璃面板吊挂设计的计算逐渐规范和完善, 因此在工程中多采用吊挂设计。

　　超高玻璃肋一般指高度超过8m的玻璃肋, 在实际工程中有时因主体结构的限制, 难以实现超高玻璃肋和玻璃面板的吊挂设计, 为了满足建筑立面的效果, 需要设计超高坐地式玻璃肋系统, 玻璃肋和玻璃面板均采用下端支撑重力的形式来满足建筑需求。针对澳门某工程中无侧向支撑的11.6m高坐地式玻璃肋幕墙系统, 由于其高度超出了国内外规范的限值, 为确保该系统设计不发生整体失稳破坏和结构受力破坏, 本文拟对其结构性能进行试验研究和分析, 以保证工程结构安全。

1 工程背景

　　澳门某工程建筑高度为160m, 建成后将成为澳门地标建筑之一。依据澳门当地荷载规范^[3], 设计风压标准值为±3.4kPa。坐地玻璃肋系统主要应用在其裙楼的入口和连桥位置 (图1) 标高6～18.5m的范围内, 使用面积约为800m²。

　　图1 澳门某工程裙楼入口效果图

　　超高坐地式玻璃肋幕墙系统主要由玻璃面板和玻璃肋组成, 玻璃肋的配置为三片超白SGP夹胶钢化玻璃 (FT19mm+SGP2.28mm+T19mm+SGP2.28mm+FT19mm) , 玻璃肋高为11.6m, 深为0.58m。玻璃面板为两片超白SGP夹胶钢化玻璃 (FT15m+SGP2.28mm+FT15mm) , 面板高为11.6m, 宽为2m。

2 试验概况

2.1 试样设计

　　试验模型与实际工程中所采用的玻璃肋和玻璃面板完全一样。在超高玻璃肋的顶部开孔, 通过转接件将其固定在箱体钢梁上, 顶部连接形式见图2。玻璃肋前侧面沿高度方向按建筑分格开孔, 安装固定玻璃面板的挡板夹具见图3。在玻璃开孔处安装软铝套圈并注环氧树脂胶, 消除多片玻璃开孔带来的叠差, 实现三片玻璃均匀受力, 玻璃肋孔壁做法见图4。装配完成之后的效果见图5。

　　玻璃面板不做任何处理, 直接按工程实际尺寸在工厂生产加工, 之后运往工地现场进行安装。面板的顶部采用悬挂设计, 中间通过挡板夹具与玻璃肋连接, 底部采用入槽坐地设计, 左右相邻玻璃面板之间的间距为15mm, 用密封胶进行密封, 整体仍为底部受压。

　　图2 玻璃肋顶部连接构造

　　图3 玻璃肋与玻璃面板的连接

　　图4 玻璃肋孔壁做法

　　图5 玻璃与玻璃肋连接照片

　　图6 测试样板

2.2 试样安装

　　试验采用由内向外的安装顺序, 依次安装U形槽、转接件、玻璃肋、挡板夹具、玻璃面板, 挡板夹具扣盖等, 左右相邻面板间打密封胶, 测试样板四周与箱体结构间进行密封设置, 试样安装完成后现场见图6。

2.3 测试仪器布置

　　超高坐地式玻璃肋幕墙系统的立面尺寸为6.6m×11.6m, 试样立面四周与箱体结构均进行密封设置, 保证在密封腔内部加载的过程中, 可稳定持续加压。通过供风设备向箱体内部送风, 实现负压加载;当设备从箱体内部抽出空气, 可实现正压加载, 箱体最大压差为±10kPa, 供风设备空气流量为0～1 000m³/h。为测试加载过程中玻璃面板平面外的变形及玻璃肋平面内和平面外的变形, 在相应位置布置了6个位移传感器, 见图7, 图中位移传感器1, 2, 3用于测量玻璃肋的变形, 位移传感器4, 5, 6用于测量玻璃面板中部的变形。

　　图7 幕墙系统立面

3 结构性能试验

　　根据规范^[1,4,5]的要求, 结构性能试验主要包含三个部分:结构性能测试、结构性能循环测试和结构安全性能测试。

3.1 结构性能测试

　　依据规范^[4]的相关要求, 本文中玻璃肋幕墙系统的测试步骤为:1) 检查测试样板安装是否符合工程图纸要求, 按指定位置布置传感器;2) 预加50%的设计荷载, 保持10s, 然后释放压力荷载, 保持空载的时间为1～5min, 之后重新设置传感器的读数;3) 施加50%的测试风压, 保持10s, 记录读数, 然后释放风压, 保持空载的时间为1～5min, 然后重新设置传感器的读数;4) 施加100%的测试风压, 保持10s, 记录读数, 然后释放风压, 保持空载的时间为1～5min, 记录其残余变形。

　　测试基本要求:1) 玻璃未破裂;2) 在100%设计风压作用下, 玻璃肋的变形小于跨度的1/240和20mm二者的较小值, 玻璃面板的变形不超过短边的1/60;3) 锚具、框架、面板、胶条不应出现破坏或永久变形。

　　按照上述测试方法和步骤, 对本文幕墙系统进行试验研究, 未出现玻璃破裂或其他可见破坏, 各加载阶段玻璃肋的变形值均小于规范限值, 满足上述测试要求。

3.2 结构性能循环测试

　　依据规范^[5]的相关要求, 应对该玻璃肋幕墙系统进行循环荷载作用下的变形性能进行测试。根据设计要求, 试验风压设计参数见表1。

　　 风压参数表1

参数	P₁/kPa	P₂/kPa	P₃/kPa
正风压	1.7	3.4	4.25
负风压	-1.7	-3.4	-4.25

　　试验测试步骤为:1) 检查测试样板安装是否符合工程图纸要求, 按指定位置布置传感器;2) 预压力循环测试:0→P₁→0→P₁→0, 分别进行正风压测试和负风压测试;3) 结构循环测试:0→P₂→0→P₂→0→P₂→0→P₂→0→P₂→0, 分别进行正风压测试和负风压测试;4) 安全性循环测试:0→P₃→0, 分别进行正风压测试和负风压测试, 风压卸载后15min记录其残余变形。

　　试验要求:1) 玻璃未破裂;2) 在100%设计风压作用下, 玻璃肋的变形小于跨度的1/240和20mm二者的较小值, 玻璃面板的变形不超过短边的1/60;3) 在125%设计风压卸载后15min记录其残余变形, 计算出结构的变形恢复不小于95%;4) 荷载从一个值到另一个值的加载时间不小于1s, 在峰值荷载处的持续时间至少3s, 便于记录读数。

　　通过试验可知, 玻璃未破裂且未见其他可见破坏, 其变形和残余变形值满足规范限值的要求。

3.3 结构安全性能测试

　　依据规范^[4]的相关要求, 应对该玻璃肋幕墙系统进行结构安全性能测试。测试步骤为:1) 检查测试样板安装是否符合工程图纸要求, 按指定位置布置传感器;2) 预加75%的设计风压, 持续10s, 然后卸载, 保持空载的时间为1～5min, 之后重新设置传感器的读数;3) 施加100%的设计风压, 持续10s, 记录读数, 然后卸载, 保持空载的时间为1～5min, 仍需重新设置传感器的读数;4) 施加150%的设计风压, 持续10s, 记录读数, 然后卸载, 保持空载的时间为1～5min, 记录残余变形读数。正风压作用下的结构安全性能测试完毕后进行负风压作用下的结构安全性能测试。由3.2节和3.3节中的测试得到玻璃肋变形随荷载变化的曲线见图8, 玻璃面板变形随荷载变化的曲线见图9。玻璃肋残余变形结果见表2。

　　图8 玻璃肋荷载-变形曲线

　　图9 玻璃面板荷载-变形曲线

　　 玻璃肋变形值和残余变形值表2

荷载值/kPa		3.4	4.25	5.1
变形/mm	正风向	16.15	21.18	24.36
变形/mm	负风向	16.88	21.32	25.29
残余变形/mm	正风向	0.11	0.24	0.41
残余变形/mm	负风向	0.14	0.27	0.47
恢复比例/%	正风向	99.32	98.87	98.32
恢复比例/%	负风向	99.17	98.73	98.14

　　试验要求:1) 净残余变形不超过跨度的1/1 000;2) 锚具、框架、面板、胶条没有破坏和永久变形;3) 玻璃边缘的结构胶不应出现粘结破坏。

　　由图8, 9和表2可知:

　　 (1) 当荷载值小于125%设计风压时, 玻璃肋和玻璃面板在正、负风压作用下的荷载-变形曲线均呈线性变化, 且玻璃肋和玻璃面板在负风压作用下的变形值均略大于正风压作用下的变形值。

　　 (2) 当荷载值大于125%设计风压时, 玻璃肋在负风作用下和玻璃面板在正风压作用下的变形均显著增大, 不再线性变化。

　　 (3) 加载至100%设计风压时, 正、负风压作用下玻璃肋变形值分别为16.15mm和16.88mm, 满足玻璃肋变形限值要求 (小于跨度的1/240和20mm二者的较小值) , 玻璃的变形亦满足限值要求 (小于玻璃短边跨度的1/60) ;加载至125%设计风压时, 正、负风压作用下玻璃肋变形值分别为21.18mm和21.32mm;加载至150%设计风压时, 正、负风压作用下玻璃肋变形值分别为24.36mm和25.29mm。

　　 (4) 在125%设计风压循环测试和150%设计风压结构安全性能测试时, 玻璃肋残余变形最大值仅为0.47mm, 卸载后结构变形恢复比例最小为98.14%, 均大于95%的规范限值要求。

　　 (5) 在150%设计风压作用下未出现玻璃肋失稳和玻璃面板及玻璃肋的破坏现象, 说明该设计满足规范要求, 可用于实际工程中。

4 位移能力测试

　　为了模拟楼板在活荷载作用下、柱在长期荷载作用下的变形以及地震作用的位移等情况, 依据规范^[6]的相关要求, 应对该玻璃肋幕墙系统在三个方向的位移能力进行测试:

　　 (1) 竖向位移能力测试, 先进行竖直向上10mm的位移测试, 然后进行竖直向下的15mm的位移测试, 重复进行三组。

　　 (2) 前后位移能力测试, 垂直于立面面板方向分别进行前后+12mm和-12mm的位移能力测试, 顺序不作要求, 重复进行三组。

　　 (3) 左右位移能力测试, 平行于里面面板方向分别进行左右+12mm和-12mm的位移能力测试, 顺序不作要求, 重复进行三组。

　　经过三个方向位移能力测试之后, 均未发现玻璃面板和玻璃肋的破坏情况, 而且固定玻璃面板的夹具以及固定玻璃肋的连接件均完好无损, 玻璃面板边缘的结构胶和试验样板周边的密封胶、胶条均

　　未破坏。满足工程安全性要求。

5 结语

　　通过对超高坐地式玻璃肋幕墙系统的结构性能和位移能力测试, 在+5.1kPa和-5.1kPa风压作用下未出现破坏和失稳现象, 验证了超高坐地式玻璃肋幕墙系统设计方案是安全可行的。此次试验超出了规范关于坐地式玻璃肋高度限值的要求, 试验数据和结果为今后超高坐地式玻璃肋幕墙系统的设计提供一定的经验和依据, 单块超高钢化玻璃的应用也推动了玻璃生产加工行业的发展。

参考文献[1] 玻璃幕墙工程技术规范:JGJ 102—2003[S]. 北京: 中国建筑工业出版社, 2003.
[2] Glass in buildings-selection and installation:AS 1288[S]. Sydney: Standards Australia, 2006.
[3] Macau structure loading & safety:M 56/96[S]. Macau: Government Printing Bureau, 1996.
[4] Standard test method for structural performance of exterior windows, doors, skylights and curtain walls by uniform static air pressure difference:ASTM E330-02[S]. West Conshohocken: ASTM International, 2000.
[5] Standards commonly used for the design & construction of curtain wall, window and window wall systems acceptable to the building authority:PNAP APP-37[S]. Hong Kong: Building Department, 2012.
[6] Recommended dynamic test method for determining the seismic drift causing glass fallout from a wall system:AAMA501.6-01[S]. Schaumburg: American Architectural Manufacturers Association, 2001.

Experimental investigation on structural performance and displacement ability of ultra high bottom supported glass fin curtain wall system

Tao Zhaotang Hui Cun Li Yongchun Luo Canjin Yan Zhongyun Hu Feng

(Jangho Group Co., Ltd. School of Architecture and Civil Engineering, Zhongyuan University of Technology)

Abstract: The 11.6 m high glass fin and glass panel were bottom supported in the glass fin curtain wall system of a project in Macau. The experiments investigation on structural performance and displacement ability of the ultra high bottom supported glass fin curtain wall system were carried out. The test results show that the curtain wall system not only can meet the structural performance requirement under 3.4 kPa wind pressure and the structural safety requirement under 5.1 kPa wind pressure, but also can satisfy the displacement ability in three directions. It can strongly explain that the design proposal of 11.6 m height bottom supported glass fin curtain wall system is safe and feasible. The design proposal and experimental results can give adequacy support for the further use in the actual engineering.

Keywords: ultra high glass fin; curtain wall system; structural performance; displacement ability; bottom supported

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