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玻璃幕墻的安全問題分析與建議

2017/03/31

      幕墻玻璃的撓曲變形還和玻璃安裝的邊界條件有關。幕墻玻璃安裝在框架槽口內,幕墻的框架是通過連接件組合在一起的,幕墻豎框是單向受彎桿件,只在水平風荷載方向發生撓曲變形,而幕墻橫框是雙向受彎桿件,在重力方向和水平風荷載方向都產生撓曲變形,豎框和橫框在變形后,玻璃面板的邊緣就不會在同一平面內,而是呈扭曲狀態,尤其是在橫框與豎框的連接采用自由度較大的連接方式時(比如鋼銷式連接),橫豎框的相對扭曲會更大,在極端氣候條件下,玻璃面板就會因受力不均而破碎。


  在幕墻玻璃面板保持完整的前提下,幕墻的抗風壓性能最終是由幕墻的框架桿件決定的。只有幕墻桿件剛度足夠,幕墻的抗風壓強度才能滿足要求。


  幕墻結構設計是采用鋼結構設計中的近似概率極限狀態設計法,概率極限狀態設計法是指在設計基準期(一般50年)內,滿足結構的功能要求:即安全性,適用性,耐久性。


  安全性:滿足特定的與建筑物功能相適應的承載力極限狀態


  適用性:保證結構在日常使用中滿足要求


  耐久性:保證結構的承載力的持續時間與環境適應度


  結構的極限狀態包括承載力極限狀態與正常使用極限狀態。承載能力(詞條“承載能力”由行業大百科提供)極限狀態是結構或構件達到最大承載能力或出現不適于繼續承載的變形。整個結構或結構的一部分作為剛體失去平衡,結構構件或連接因超過材料強度而破壞;正常使用極限狀態是結構或構件達到正常使用或耐久性能的某項規定值,影響正常使用或外觀的變形,或者耐久性能的局部損壞。


  承載力極限狀態與正常使用極限狀態相比,前者可能導致人身傷亡和大量的財產損失,而后者對生命的危害則較小,主要是引起人們的不適。


  作為幕墻結構的極限狀態設計應該要求受力構件不超過正常使用極限狀態,也就是說必須要保證足夠的安全度,絕不應該趨近于承載力極限狀態設計。而現實的幕墻施工設計中卻有很多都采用承載力極限值,存在著很多不安全的因素。


  一方面,許多建筑師都在追求大跨度、大分格的立面設計效果,同時又要求幕墻桿件足夠纖細;另一方面,一些開發商采取高成本低造價的中標方式,將幕墻施工單位的利潤空間擠壓殆盡。為了達到建筑師的要求,同時又要獲得微薄的利潤,幕墻施工單位就不得不在幕墻材料上動腦筋——最大程度的減小幕墻龍骨的截面尺寸,撓度最大限度地趨近極限值,應力比趨于最大。幕墻桿件的荷載力多數都接近極限狀態,一旦遇到極限惡劣的天氣,就難免釀成大禍。


  2016年8月7日下午,四川省成都市遭遇了一陣狂風暴雨加冰雹,位于成都高新南區天府大道北段的“環球中心”天堂洲際大飯店的大堂玻璃幕墻遭到破壞,100平方左右玻璃掉落。


  從圖7~9中看到爪件已經扭曲變形,推測應該是瞬間的風荷載超過了爪件的承載力,不銹鋼駁接爪喪失了支撐能力而變形,從而導致玻璃的破碎。


  2016年9月15日凌晨,第14號臺風“莫蘭蒂”在廈門翔安以強臺風級別登陸,登陸時最大陣風17級以上,中心最大風力達15級,48米/秒、中心氣壓945帕,為建國以來廈門遭遇的最強級別臺風。臺風過后行業內專家對廈門的幕墻、門窗受損情況進行了考察,大部分的幕墻、門窗在這次強臺風中表現良好,沒有結構受損情況發生,只有少數門窗幕墻的玻璃出現局部受損現象,極個別項目處于風口位置的落地門窗受損較為嚴重。


  二、須提高安全意識


  在上述兩例事件中,無論是沿海城市廈門還是內陸城市成都,從現場的情況看,幕墻門窗玻璃破碎的原因都是桿件承載力不足以抵抗風荷載,產生變形后導致玻璃破碎掉落。這足以警示我們提高對結構設計安全度的重視。


  結構設計方法經歷了從容許應力法、破壞階段設計法、極限狀態設計法到概率極限狀態設計法的發展過程。建筑幕墻的設計源于鋼結構設計,也是按近似概率理論的極限狀態設計法,設計滿足功能要求的結構,也就是把外界作用對結構的效應與結構本身的抵抗力來加以比較,以達到結構設計既安全又經濟的目的。具體的說也就是在預定的作用及材料性能條件下,確定結構構件按功能要求的截面尺寸和滿足構造要求。但是,極限狀態設計并不意味著幕墻構件的承載力設計都趨于極限值。


  玻璃幕墻作為建筑外圍護結構,應遵守三個基本的原則:安全性、適用性和經濟性。安全是第一位的,適用、合理的結構是必須的。構件的極限狀態不僅包括承載力的極限狀態,而且包括撓度(變形)的極限狀態,這其中就已經包含了安全性和適用性的一些概念。


  安全性即是要求幕墻桿件要在安全的承載力狀態和穩定性,而不是在極限狀態。極限狀態是桿件處于失效狀態的臨界狀態,倘若設計時取用極限承載力狀態,也就把幕墻構件置于危險的邊緣。一旦有短時極端氣候條件出現,風力過大就會導致桿件失穩,扭曲變形從而造成幕墻破損,可能導致人身傷亡和大量的財產損失。


  適用性是指構件在正常使用條件下具有良好的工作性能,對于幕墻而言,應該還包括幕墻構造與主體結構的匹配性。當今的幕墻設計都是根據具體的建筑結構量身定做,一些好的幕墻設計項目在其本身結構上是適合的,用到其他建筑結構上就未必適用,應該根據實際情況具體分析、綜合考慮。


  結構的可靠性是結構的安全性、適用性和耐久性這三者的總稱,我們在幕墻設計中要綜合考慮這三個要素。我們提倡大膽創新,只有創新,才有發展。但是創新不等于蠻干。正如行業內一位老專家所言:建筑設計的創新,要由合乎邏輯的結構設計來成全,大膽不可妄為;經不住自然風暴突襲就大面積散落,絕不等同于意外破碎散落肇事;在安全面前不慎不周的設計與施工,必將釀成難以收拾的災禍。


  結語


  建筑幕墻是建筑的外圍護結構,是屬于建筑設計的一部分,首先也應遵循《建筑結構可靠度設計統一標準》(GBJ68-1984)。作為幕墻設計師要有責任意識,在幕墻設計中要提高安全意識,構件設計必須保留足夠的安全度,以確保在出現極端氣候條件時幕墻構件有足夠的承載力,不因失效而出現安全事故。在追求利潤,降低成本的同時要優先考慮安全,既要大膽創新,更要小心求證;我們不反對借鑒,借鑒也是學習的過程,但是要理性的、有分析、有鑒別的借鑒,選擇適合自身結構特點的構造,絕不可以生搬硬套。要充分兼顧幕墻結構的安全性、適用性和耐久性。


  幕墻結構的可靠度是我們每一個幕墻設計師必需堅守的底線。


  參考文獻


  【1】《玻璃工藝學》趙彥釗、殷海榮主編,化學工業出版社


  【2】《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ102-2003


  【3】《鋼結構-原理與設計》沈德洪,同濟大學


  【4】《建筑結構可靠度設計統一標準》GB50068-2001


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