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点式幕墙中玻璃计算方法研究现状 摘要：本文对建筑幕墙业点式玻璃设计计算方法的运用与研究现状给予归纳叙述，对发展的方向给予展望。 关键词：点式玻璃；有限元；耐久；裂纹；随机荷载 1 、引言 点支式玻璃幕墙最初在60年代的英国出现，最早采用的内外金属板补钉式连接方法和近现代少量的夹板式连接方法美观性稍差1，更多采用的是钢爪固定点式支承头的连接方式，但此种连接须玻璃开孔。研究发现开孔后的玻璃板块，在外荷载作用下内部应力复杂，且玻璃强度离散性突出。经过进一步对点式玻璃承载的研究，取得了大量的成果，玻璃幕墙设计技术规范96规范，改为2003规范的过程中已予以采用；近年基于高等理论分析的计算方法的研究已有了相当的进展，本文在查阅大量文献资料的基础上，对业内点式玻璃设计计算方法的运用与研究现状给予归纳叙述，对发展的方向给予展望。 2、现行规范用设计方法 其方法是对玻璃面板采用弹性小挠度计算公式，并考虑与大挠度分析计算结果的差异，将应力与挠度计算值予以折减。弹性小变形理论的适用范围是：挠度不大于玻璃板厚度。而实际工程中往往玻璃板的挠度大于板厚，而且随着挠度与板厚之比加大，按原公式 计算的应力和挠度偏大较多。由于计算的应力比实际大得多，计算结果不能反映玻璃面板的实际受力制条件也失去了意义。为此，应对弹性小变形理论的计算公式，考虑折减系数予以修正。根据Thin Plate Design For Transverse Loading一书中，英国B.Aalami D.G. Williams对于不同边界的矩形板进行的大量系统计算，选择了与挠度直接相关的参量为主要参数制表。参数的量纲就是挠度与厚度之比。按计算结果，数值随下降很快，即按小挠度公式计算的应力和挠度可以折减较多，为安全稳妥，取了较计算结果偏安全的数值。在风荷载的取值上采用阵风系数的表达式统一反映阵风影响和风振影响。对于夹层玻璃采用等挠度的原则进行荷载分配，不考虑玻璃间相对位移，夹层的胶合作用。对中空玻璃考虑其间气体层的影响，将正面玻璃分配荷载加大10%。不考虑玻璃板刚度对结构体系的有利影响。其优点是计算简单，各参数的物理意义显明，且考虑有相当的安全保障，有利于工程中一般幕墙的计算。其欠缺在于其通用性造成对部分构造特殊的超大或超厚（中空夹层）板块的计算过于保守，同时其计算主要考虑玻璃板跨中应力与挠度，对孔边造成破坏的控制不足，对异型的玻璃面板无法计算。 2 、基于高等理论分析的计算方法的研究 采用有限元的方法计算玻璃板跨中应力挠度的方法已较为成熟，其主要步骤3是：给出玻璃的计算简图，把点式玻璃看作均匀分布荷载作用下的多点支承薄板，写出薄板弯曲的微分方程、边界及连续条件，采用有限单元法编制计算程序，计算薄板弯曲的内力和位移。可借鉴使用通用程序SAP93、SAP2000等。 清华大学建筑玻璃与金属结构研究所的一系列研究提出：玻璃板边缘由于切割、打磨的原因，其强度极限和玻璃板中心强度极限是不同的，在玻璃板承载能力计算中应该考虑到点支承处作用有集中荷载，形成奇点，小挠度薄板的挠度微分方程在其附近区域不适用。通过对有限差分方程组在奇点处进行修正，得到了较好的计算结果，为点支承板的解析求解做出了必要的建议，并提供了计算孔边应力的思路。现有规程并未规定对于点支玻璃孔边应力的计算。但通过计算对比发现，四点支玻璃板孔边的集中应力，往往大于板面其他部分的应力，考虑到开孔处强度降低，建议设计时应考虑孔边的集中应 力。通过等效比拟进行局部求解，得出了计算孔边应力的简化公式。使用有限元大型综合软件Ansys拟合研究计算结果。 龙文志用线弹性断裂力学的分析方法，详细说明了孔边微裂纹造成点式玻璃承载力下降和实际强度不稳定以及耐久性问题的原因，推荐玻璃结构应力强度因子K的算式，给出断裂韧度及断裂判据，对玻璃疲劳寿命做了一些半定量的估算。文献7 中根据风荷载每年的循环次数，估算玻璃的疲劳寿命，通过估算的结果，可以清楚的看到，算例中玻璃板块孔边应力小于大面玻璃强度70%的情况下，随裂纹深度的变化，玻璃预测疲劳寿命由100年降至趋向0年。当此裂纹深度玻璃使用于工程，虽然设计计算满足要求，但随即会出现玻璃正常使用数年，甚至一两年就大量损坏的耐久性问题。其采用的是常幅加载时的疲劳裂纹扩展寿命预测的方法，但未充分考虑风荷载的随机性。陈志伟等8提出实际构件受载往往是变幅加载或随机加载，对于变幅加载的扩展寿命预测，其步骤大致为：首先根据常幅载荷下的da/dN与K关系给出裂纹扩展表达式；给出对应于特定载荷序列的变幅载荷下的da/dF与K关系曲线，根据载荷谱下da/dF与K关系，利用数值积分法求出裂纹扩展寿命。但情况较为复杂，计算也相当繁琐，无法直接用于幕墙点式玻璃耐久性的预测。 汤伟方等9的研究考虑到，工程结构中存在着各种各样不确定性的因素,如结构的物理性质、几何参数等结构本身的属性和结构所承受的风荷载等,由于人们认识的局限性和他们本身的不确定性,这些因素被描述为空间或时间的随机场或随机过程,致使结构的行为也表现为随机的场函数和时间函数，综合各个变量的不确定性来评价结构的承载能力。采用非统计方法摄动随机有限元法（摄动随机有限元法是在传统的确定性有限元法基础上发展起来的数值分析方法。在确定性的有限元法基础上,引入表征任意不定参数的随机变量,利用摄动方法显式处理这些不定参数,并定量地描述对所求物理量的影响）。针对工程设计中几乎全是偏安全地把夹层玻璃板当作两块叠加的单层玻璃来考虑,这一不合实际的现状，对于整体很薄、夹心比表板更薄的夹层玻璃板进行结构可靠性分析。 3 、展望 总的来说幕墙玻璃设计将丛概率论为基础的极限状态设计方法向将强度、稳定相统一的高等分析理论为基础的直接设计方法发展。计算将从类比法（参考已有的设计或经验数据，选择有限的几种方案进行计算，进行分析对比，最后根据设计要求确定一组较好的设计参数。）发展为模型设计的方法（根据设计目的建立计算模型，通过计算机的分析平台，完成设计计算。）。玻璃低应力脆断的理论分析贴切地解释了玻璃强度所表现的不稳定性，幕墙行业中采用疲劳破坏的概念计算玻璃强度及耐久性已有研究。点式幕墙可靠度、耐久性分析中，玻璃的疲劳破坏、疲劳寿命预测估算将是发展的方向之一。疲劳破坏过程大致综合为两个阶段11，也就是疲劳裂纹形成阶段和疲劳裂纹扩展阶段，而由于玻璃构件都不可避免的含有缺陷，疲劳寿命主要在于裂纹的扩展阶段，因此根据断裂力学的相关理论所建立的疲劳裂纹扩展寿命的相关预测方法在玻璃耐久性以及幕墙设计研究中会具有越来越重要的地位。 4 、结论 规范的计算方法满足一般的需要，对特殊情况的研究已有了相当的成果，由微裂纹造成的玻璃强度所表现的离散性，可以通过玻璃疲劳寿命来解释，玻璃结构可靠度耐久性的问题，及其受荷载随机的影响将会受到更多的关注。 参考文献： 1赵西安.点支式玻璃幕墙设计.建筑技术1999(9)610-613 2JGJ 1022003玻璃幕墙工程技术规范. 3吴奕生，陈海，郭金基.点式玻璃幕墙有限元法的计算,机电工程技术2003(4)48-49. 4杨威,王元清,石永久,李少甫.玻璃建筑中带孔点式支承玻璃承载性能研究工业建筑2000年（10）11-14. 5马赢,石永久,王元清.四点支承单层开孔玻璃承载性能的 有限差分法分析工程力学2005（2）67-72. 6王元清,杨威,梁宇钒,石永久.点式玻璃建筑中四点支承玻璃板的受弯分析工程力学2002(6)63-66. 7龙文志.玻璃结构初论铝门窗幕墙技术论文集2003. 8陈志伟,王智.不