关于承重构件截面的选择

　　随着制造工艺的不断改进，玻璃已经成为一种主承载结构材料，玻璃结构作为一种新现代公共建筑结构，进入全球民众视野。

　　玻璃承重构件主要是指玻璃柱和玻璃梁，一般是玻璃板通过胶接或点式连接组成各种截面，主要的截面型式见图1。图中(1)~(7)为开口截面，(8)~(11)为闭合截面。

　　一般来说，开口截面构件的玻璃板件数目较少，如果选用一样尺寸的板件组合截面，开口截面的面积相对小于闭合截面，其抵抗外力和稳定性较低。玻璃边缘保护相对薄弱，易受横向外力冲激而发生意外破坏，但开口截面构件端部连接较易实现，玻璃板件连接节点较少，易于加工，减少因加工误差而引起的强度降低，对板件间的误差要求较低。因此，易得到建筑师和工程师接受。

　　闭合截面有较高的强度和稳定性，但其有内部空腔，如果使内部空腔与外界空气实现流动，那么细小的粉尘或小昆虫会因空气流动而进入构件的内部空腔，使透明的玻璃柱出现视觉瑕疵，而且几乎没有办法进行清洁。如果封闭所有的缺口，使内部空腔与外界空气完全隔绝，那么温度应力将大大减弱玻璃柱的承载能力。

　　图1(1)为Ⅰ字型截面，实际上就是传统的玻璃肋，不考虑玻璃面板对结构的作用。其主要的受力形式是平面内受弯，国内对此已有一定的研究[1，2]。根据幕墙规范[3]，夹层玻璃的等效截面厚度为多片玻璃厚度之和。

　　图1(2)为Ⅱ字型截面主要出现在意大利设计师Santambrogio的作品中，Ⅱ字型截面之间通过有一定厚度的硬质PVB制品(或其他胶体)连接[4]，成为Santambrogio作品的一种标志性特点。其最大的特点是玻璃构件间连接方式，利用硬质PVB胶片的可塑性和无缝焊接的性能，玻璃构件间的连接变得非常通透和灵活，同时构件间的力的传递比较清晰，构件基本为轴心受力。但在我国建筑玻璃应用中，几乎没有与硬质PVB制品共同使用的经验，因此运用这一技术还需要大量的实验和研发才能应用到现实工程中。

　　图1(3)为T字型截面是指玻璃翼缘平面外受弯，玻璃肋(腹板)平面内受弯的组合型受弯截面型式。一般出现在玻璃楼梯中踢板与踏板组成的T型截面，以及玻璃承重墙中，玻璃面板与玻璃肋共同作用时的截面形式。按翼缘和腹板的连接可分为胶粘连接和连接件连接。对于T字型组合受弯玻璃构件的力学性能分析，我国已经有一些的研究[5~7]。但文献[5]指出当玻璃面板与玻璃肋共同作用时，玻璃面板取有效宽度，按T型截面梁进行计算，但并没有具体指出玻璃面板的有效宽度如何进行取值，也没有相关报告介绍玻璃面板与玻璃肋通过结构胶连接，是如何共同起作用的。或者使用连接件进行连接时，各构件的受力状态是如何的。

　　图1(4)为L字型截面实际是T字型截面的一个特例，一般出现在两互相垂直的玻璃墙面的转角，或玻璃墙面与玻璃层面的连接处。两玻璃面板互为对方的玻璃肋，共同承受两个方向的荷载。玻璃面板以一定有效宽度，按L字型截面梁柱时行计算。

　　图1(5)为工字型截面构件，一般以独立中心柱的形式出现在玻璃结构中，由于其为开口截面，易于进行连接节点设计，同时方便清洁，所以是国外研究人员比较愿意选用的截面型式之一[8]。

　　图1(6)为槽型截面构件，出现在文献[8]中，但由于非常双轴对称，在工程应用和研究文献中出现不多。

　　图1(7)为十字型截面构件，一般以独立中心柱的形式出现在玻璃结构中，如法国市政大楼方案。十字型截面易于连接，外形比较容易被建筑师接受，因此十字型截面在工程中应用和有关实验或数据研究的文献都有相当的数量。但因十字型截面比较容易发生弯扭屈曲，大大降低截面的承载能力，同时玻璃边缘都是外露的，比较容易发生横向冲激破坏，因此使用十字型截面构件对整体结构有一定的风险。

　　图1(8)为箱型截面构件，可以用作独立中心柱，此截面由四件细长形玻璃面板组成而成，玻璃面板边缘有一定的保护作用，防冲击破坏的能力较十字型截面构件好。

　　图1(9)为双腹板截面构件，是文献[8]中玻璃柱轴压实验选用的截面类型之一。

　　图1(10)为星型截面构件。是文献[8]中玻璃柱轴压实验选用的截面类型之一。

　　图1(11)为圆型截面构件可以由两件或四件弯玻璃组成，如果苹果店中的螺旋形玻璃楼梯的圆形中心柱。但因玻璃构件的弯钢化半径一般要求大于1m，所以圆型构件的截面尺寸相对较大。

　　玻璃承重构件的设计并不是单一的承载性能验算过程，需要考虑构件的连接方式、防火防冲击和其他等多种影响因素。本节将对这些影响因素进行讨论。

　　1玻璃承重构件承载性能

　　玻璃的承载性能主要考虑强度，稳定性及刚度等因素。对于玻璃构件截面的选择，首先要考虑的就是构件抵抗某种内力需要的截面系数。对于玻璃梁，主要考虑抗弯强度、抗剪强度、弯扭屈曲，对应的截面系数有双轴的弯曲截面系数，双轴的惯性矩，以及极惯性矩。对于玻璃柱，主要考虑抗压强度、弯曲屈曲、和扭转屈曲，对应的截面系数有截面面积、双轴的惯性矩、惯性积、极惯性矩和扇性惯性矩。

　　表1为玻璃构件各种截面型式的特性，表中所有构件均用宽度100mm，厚度8mm的板件组合而成，忽略板件间的粘结尺寸。表中Ix和Iy分别为截面两主轴的惯性矩， 为玻璃构件的扭转屈曲临界力，计算时假定计算长度为1000mm。

　　表1各种玻璃构件截面的特性

　　表1从理论值上对玻璃构件的截面力学性能进行简单的了解，可见玻璃板件越多，玻璃的理论强度就越大，闭合截面的临界值会大于开口截面的临界值，无突出边的闭合截面(箱型)的承载值大于有突出边的闭合截面(双腹板，星型)。但从文献[8]的实验结果发现，受压玻璃柱破坏时的极限荷载远小于材料力学计算得到的理论值，其原因如3.1.2节所述，因为玻璃承载力取决于玻璃的裂纹与内部应力。根据文献[8]分析，影响玻璃柱承载力的因素有：玻璃柱端部截面的平整度、玻璃边质量、玻璃缺陷、板件间结构胶的性能和玻璃端部连接。

　　当玻璃截面选用端部承压的方式进行力的传递时，端部截面的平整度的差异对玻璃柱承载力的大小有很大影响。如果玻璃柱中所有板件的端部均处于一个平面上，玻璃柱的受力均匀，压应力起主导作用，玻璃柱的承载值比较大。但如果玻璃柱中的板件端部不在一个平面上，有一定的差距，那么当玻璃柱受压时，会因受力不均匀而产生拉应力，最后因拉应力到达极值而破坏。

　　玻璃边缘的平滑度对玻璃承载力也有一定的影响，玻璃边缘如有凹凸面或其他缺陷，受外荷载时，玻璃边缘的缺陷处会产生较大的集中应力，也是玻璃坏破的一个原因，因此对于玻璃构件材料应做好磨边处理。

　　玻璃表面或内部的缺陷，包括裂纹、气泡或杂质都会降低玻璃承载性能，此问题是不可能避免，也不可预测的。只能选择产品相对稳定的厂家制作玻璃构件，或选用超白玻璃系列产品，使玻璃缺陷带来的影响尽量降低。

　　根据文献[8]实验结果，使用结构胶连接的轴压玻璃板件，结构胶可使玻璃构件在受力到较大时，出现应力重分配，从而玻璃构件的承载力有一定的提高，而且低弹性模量的结构胶这一效果明显优于高弹性模量的结构胶。

　　玻璃构件的端部选用结构胶与支座连接，通过剪力方式传递外荷载，其承载力将会大大高于端部承压构件的承载力。可见玻璃构件端部垫片传力和螺栓传力都将降低玻璃构件的承载能力。

　　2玻璃承重构件连接方式

　　玻璃承重构件的连接包括两种，一是组成玻璃构件的板件间的连接，二是玻璃构件端部与其他结构的连接。前者是玻璃构件的内部连接，后者是玻璃构件与其他结构力传递的方式。

　　目前的生产工艺，玻璃之间或玻璃与其他材料的连接主要有三种方式，机械连接(包括线形边框连接、局部边连接，局部点式连接)、胶粘结连接和焊接。、

　　线形边框连接主要为玻璃平面外受力的玻璃结构。局部边连接是指对边连接或三边连接，是相对于线形边框的连接可以获得更多的通透感。

　　局部点式连接一般是指通过点式连接件进行的连接。。按连接件的材质可分为，不锈钢件连接、钛合金件连接和PVB硬胶片连接。其中不锈钢件是主要的连接材料，绝大多数的玻璃结构选用不锈钢件作为连接件。钛合金件连接主要在苹果专卖店的玻璃结构中使用，其工艺和设计技术基本掌握到英国结构设计工作室Eckersley O’Callaghan手里。PVB硬胶片连接则主要出现在意大利玻璃设计师Santambrogio的玻璃作品[4]。按连接件与玻璃连接的关系，可以分为螺栓连接，嵌入式连接，背栓连接。螺栓连接是玻璃构件之间通过螺栓和金属件连接，是目前最常用的连接方式。这种方式要求在玻璃上开孔，会在玻璃开孔处产生较大的集中应力，使玻璃破坏，同时开孔质量是决定玻璃承载力大少的一个关键因素。在我国由于点式玻璃幕墙的广泛使用，此连接方式的研究最为深入[9]。

　　嵌入式连接是将金属件预埋到夹层玻璃之中，在现场进行金属件连接的连接方式。这种连接方式需要在夹层玻璃的中间层玻璃开相应的凹槽，在玻璃进行夹层加工时，将金属件放入玻璃构件中，金属件主要通过玻璃夹胶片粘结固定和荷载传递。在现场将各玻璃构件中的金属件连接起来，从而实现玻璃构件间的连接。这种连接方式是英国结构设计工作室Eckersley O’Callaghan研发的，此方式避免了玻璃开孔而产生集中应力和玻璃缺陷问题，同时将金属件的尺寸做到了最小。但是这种连接要求玻璃的加工精度非常高。另外，金属件与玻璃夹胶片的连接性能是怎么样的，目前缺乏此方式的研究数据。

　　背栓连接是通过特制的背栓件将玻璃构件连接起来的方式，主要特点是玻璃孔没有完全穿透玻璃，玻璃的外表面保持平整和通透。目前德国慧鱼集团提供多款玻璃背栓件，及其相应的力学数据和加工方法。

　　结构胶连接是通过结构胶将玻璃或玻璃与其他材料连接起来的连接方式，是通过剪力或摩擦力实现力的传递。这种连接方式首先由英国结构设计事务所Dewhurst Macfarlance设计和应用。主要代表作品为上述的英国金斯威德玻璃博物馆扩建工程。结构胶连接的强度不仅由胶体本身确定，还与胶的粘结性和与基材的连接性有关。同时胶粘结的好坏还受注胶(词条“注胶”由行业大百科提供)环境、基材平整性和清洁度、操作工的技术及固化过程等因素的影响。结构胶的选用需考虑固化要求、粘结性、防水性、防UV性、耐温性、合适的抗剪强度、表面硬度等因素，其中表面硬度需要与玻璃表面硬度相近，从而可以保护玻璃边缘免受损坏。

　　表2 按弹性模量分类的结构胶

　　虽然焊接技术已经广泛用于玻璃艺术品中，但这种技术对温度控制要求非常高，而且会大大降低玻璃强度，所以还无法用于大尺寸建筑玻璃中。

　　三种连接方法相比，线性金属连接方式比较安全可靠，但有影响视觉的金属边，点式金属连接方式相对线性金属连接视觉上效果要好些，但会因集中应力、加工缺陷和误差等问题直接降低玻璃承载性能。胶粘结连接施工技术要求较高，但基本不影响玻璃通透性，而且受力传递更为均匀，因此胶粘结连接在国外被认为是较好的连接方式。

　　在玻璃构件间板件的连接选择结构胶连接时，文献[8]实验证明，玻璃构件在受力过程中有可能出现内力重分布现象，可有效增加玻璃构件的承载力。在轴压构件中，低弹性模量的结构胶提高玻璃构件承载力的效果要优于高弹性模量的结构胶。

　　对于轴压玻璃构件端部的连接，文献[8]做了多个实验进行比较，包括有端部通过垫片传递压力的、与钢板件胶接将压力转换成剪力的、选用钢套筒预埋玻璃构件的等方式。其实验结果发现，与钢板件胶接将压力转换成剪力的端部连接方式使玻璃构件得到最大的承载力，其次是端部垫片传压的方式，最低的是选用钢套筒埋置方式。由于闭合截面难以实现钢板件胶接的连接方式，会大大影响闭合截面实际的承载力。

　　另外，玻璃端部的连接的方式不同，会影响玻璃构件的计算长度，对玻璃构件的稳定性有一定的影响。

　　但是在我国，由于点式金属连接力的传递更为简单和明确，使人觉得金属连接更为可靠和安全耐久。对于化学粘结剂的连接，玻璃与粘结胶如何共同作用并不了解，并对化学粘结剂的耐久性和相溶性产生疑问，在使用前还需要更多的实验研究。

　　3玻璃承重构件的防火、防冲击

　　防火对任一构件性材料都是必须考虑的，玻璃材料虽为A级不燃建筑材料(词条“建筑材料”由行业大百科提供)，但它会因遇火灾温度升高而降低或失去承载能力，使整个建筑处理不安全状态。因此在玻璃结构建筑中应避免堆放可燃材料，做好消防措施。对于开口型截面，火灾产生的高温对玻璃构件相对均匀加热，在玻璃能承受的温度下(耐温性因玻璃各种不同而不同)，玻璃构件是安全的。但对于闭合截面，环境温度只对玻璃构件外表面加温，玻璃构件空腔内温度相对较低，使玻璃内外表面形成温度差，从而形成较大的温度应力，这个温度应力对玻璃构件的伤害要大于玻璃绝对温度产生的伤害，使闭合截面构件更早失效。

　　横向冲击对玻璃构件会是一种致命的破坏。尤其是针对玻璃边缘的横向冲击，可能使玻璃瞬间成为碎片而失去承载力能。对于玻璃边均受到保护的无突出边的闭合截面(尤其是圆型截面)，横向冲击的伤害相对较少。对于有突出边的截面，必须采取措施对突出边进行保护，如果加防撞软胶，或加设栏河等避免外物冲击的措施。如文献[8]玻璃柱设计中，特意在工字型玻璃柱外部加设夹胶玻璃组成的箱型截面做保护。

　　防火是结构材料必须考虑的一个问题。在国外文献[8]中介绍，当遇到火情时，在玻璃结构中的所以有人能够全部安全撤离的时间内，玻璃结构没有发生倒塌，那么说明玻璃结构是安全的。这个时间取决于玻璃的种类、玻璃结构的面积、能容纳的人数、玻璃结构所处的位置、及人员撤离的容易程度等。

　　文献[8]表示，通过对玻璃增加透明的有机隔热涂层，可以有效增长玻璃热熔失稳的时间，从而提高玻璃结构的防火安全性。在我国，防火玻璃已经广泛地应用在建筑中。总之，玻璃结构的防火问题关键在于如何决定人员撤离的时间和制定消防的安全细则。

　　4玻璃承重构件的其他问题

　　玻璃构件截面选择还需要考虑加工、清洁、空间占用和美观等问题。

　　目前玻璃构件截面选择深受实际生产加工技术的影响。玻璃构件是由玻璃板件组成的，玻璃板件质量，如裂纹、气泡或杂质等问题直接影响玻璃承载力。玻璃板件的切割工艺及磨边处理，也非常关键。如双腹板截面，两腹板的宽度差异直接影响玻璃组装质量。玻璃板件的连接边越多，加工就越团难，加工耗时也越长，加工质量就越难保证。如双腹板截面的加工要难于工字型截面。因此，玻璃构件中板件的增加表面上强度相应增加，但因为加工难度增加，质量难以控制，玻璃构件缺陷问题增加，使得玻璃构件强度不加反而下降。因此，在国外实际工程应用中，较多选用的玻璃构件截面一般为工字型截面和十字型截面。

　　如前所述，玻璃是非常通透的材料，任何可见的杂质都会影响玻璃构件的视觉效果，玻璃构件清洁问题是设计过程需要考虑的。对于闭合型截面是不可能在使用过程中进行清洁的，唯一保证闭合型截面高清的方法，只有将闭合型截面构件完全密封。因而闭合型截面构件内部空气会使玻璃构件面对变化的气压和温度应力问题。因此，如果确认选择闭合型截面，必须对上述两问题进行充分才了解和分析，以免使用过程中因此使截面发生破坏而失去承载力。

　　见表1，不同截面占用建筑空间的面积也不同，这将意味着建筑实际使用空间因而也有不同，对于使用者当然不希望结构柱占用建筑的使用空间，因此这也是设计时，需要考虑的一个因素。

　　对于玻璃构件截面的美观问题是一个非常主观的问题，会因建筑师和结构师不同而有不同的答案，在具体的建筑里，不同的玻璃构件截面也会达到不同的视觉效果。

　　参考文献

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　　[10] Eckersley O’Callaghan [EB / OL ]. 点击查看 http://www.eocengineers.com/#projects

　　[11] 德国慧鱼集团幕墙背挂ACT系统 [EB / OL]. 点击查看 http://www.fischer.com.cn/