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營造完美通透感|“無肋”玻璃幕墻應用技術要點
類別:門窗幕墻  日期:2020-4-2  來源:2018《建筑門窗幕墻創新與發展》  點擊率:3528  打印 關閉

 

  1 前言

全玻幕墻是應用非常廣泛的傳統幕墻,在建筑物首層大堂、頂層和旋轉餐廳多有應用。為增加玻璃幕墻的通透性,不僅僅玻璃板,包括支撐結構都采用玻璃肋,這類幕墻稱之為全玻幕墻。根據玻璃肋與玻璃面板的相對位置,全玻幕墻可分為后置式、騎縫式、平齊式和突出式四種。分別見圖1、圖2、圖3和圖4。

 

圖1 后置式

 

 

圖2騎縫式

 

 

圖3平齊式

 

 

圖4突出式

 

  全玻幕墻一般只用于一個樓層,如首層、頂層等,如今也有跨層使用的。如用于一個樓層,玻璃面板和玻璃肋上下端用鑲嵌槽夾持。如樓層較低,例如4~5m,玻璃面板和玻璃肋可由下端支撐,其上部與鑲嵌槽底留有足夠的伸縮間隙。當玻璃高度超過5m,由于自重,玻璃會發生變形,壓應力增加,危險性很大,而且施工中位置調整也很困難。若采用上端懸掛,則上述缺點可消除。玻璃板下端與鑲嵌槽之間留有足夠的伸縮間隙。安裝方式最好不采用干式安裝,而采用濕式或混合式安裝。玻璃外側應采用濕式安裝,以保證氣密性和水密性。判斷是否需要把玻璃懸掛起來,應根據下列原則:

  厚度10mm, 高度4m以上;

  厚度12mm, 高度5m以上;

  厚度15mm, 高度6m以上;

厚度19mm, 高度7m以上。

 

  目前國內工程中,許多單片玻璃肋的跨度多達8m,鋼板連接玻璃肋的跨度甚至達到26m。由于玻璃肋在平面外的剛度較小,有發生橫向屈曲的可能性。當正向風壓作用使玻璃肋產生彎曲時,玻璃肋的受壓部位有面板作為平面外的支撐;當負風壓作用時,受壓部位在玻璃肋的自由邊,就可能產生平面外受彎屈曲。所以,跨度大于8米的玻璃肋在設計時宜考慮其側向穩定性要求,進行穩定性驗算;跨度大于12米的玻璃肋在設計時應考慮其側向穩定性要求,進行穩定性驗算,必要時采取橫向支撐或拉結等措施。全玻幕墻見圖5。

 

 

圖5全玻幕墻

 

由上述內容可見,原本簡潔通透的全玻幕墻其構造極為復雜,有些大跨度的全玻幕墻其玻璃肋寬度達幾十厘米,不僅應用不便,也占據了室內大量空間。究其原因是面板玻璃太薄,品質較差,其自身無法承受水平風荷載和自重荷載,必須要依靠玻璃肋的支承。

 

  如果全玻幕墻的玻璃面板足夠厚、承載力足夠大、剛度足夠強,其自身能夠承受水平風荷載和垂直重力荷載,就可以構造出無肋全玻幕墻,見圖6和圖7。

 

 

圖6廣州凱華國際大廈2.3*10.8米無肋全玻幕墻

 

  廣州凱華大廈的玻璃配置為:12超白均質鋼化+2.28SGP+12超白均質鋼化+2.28SGP+12超白均質鋼化+2.28SGP+12超白均質鋼化+2.28SGP+12超白均質鋼化,對玻璃加工工藝和質量要求極為嚴格。

 

 

圖7廣州蘋果店無肋全玻幕墻

 

由圖6和圖7可見,無肋全玻幕墻構造極為簡單,視野通透,沒有幕墻構造占據室內外空間的問題,是近幾年開發出的最新類型幕墻。

 

  2 無肋全玻幕墻的構造

無肋全玻幕墻的構造極為簡單,主要形式為玻璃面板由下端支撐,其上部與鑲嵌槽底留有足夠的伸縮間隙,這也是無肋全玻幕墻的特點之一,當然無肋全玻幕墻也可采用將玻璃面板吊掛的方式。無論是玻璃面板下端支承還是上端吊掛,只要不設置玻璃肋就屬于無肋全玻幕墻。

 

  3 無肋全玻幕墻的結構計算

無肋全玻幕墻的玻璃寬度一般為2—3米,高度可達十幾米,甚至更高。由于構造上沒有玻璃肋,實際上無肋全玻幕墻的玻璃在水平風荷載作用下是支撐在玻璃板的兩個短邊上,屬于支撐條件不利。無肋全玻幕墻的玻璃在垂直重力荷載作用下是支撐在玻璃板的一個短邊上,也屬于支撐條件不利。這就是為什么這么多年來全玻幕墻都設有玻璃肋和把玻璃面板吊掛的原因。

 

無肋全玻幕墻與傳統全玻幕墻相比在抗風壓結構計算方面是有區別的,雖然兩者玻璃面板都是兩對邊支撐,傳統全玻幕墻是靠玻璃肋支撐在面板玻璃的長邊,而無肋全玻幕墻是靠上下槽口支撐在面部玻璃的短邊,這一改變對面板玻璃的承載力和剛度的要求增加巨大。因此盡管無肋全玻幕墻在構造和結構上都成立,但多年來一直沒有應用主要是因為無法生產出承載力和剛度巨大的玻璃。

 

無肋全玻幕墻的玻璃既可以采用夾層玻璃也可以采用夾層中空玻璃。無肋全玻幕墻在風荷載作用下的彎曲應力和撓度計算公式與傳統全玻幕墻是一樣的,以夾層玻璃為例,主要步驟為:

 

  夾層玻璃強度計算時,應取夾層玻璃的單片玻璃計算。作用在夾層玻璃單片上的荷載可按下式計算:

 

 

  夾層玻璃中的單片玻璃最大應力可用考慮幾何非線性的有限元方法計算,也可按下式計算:

 

 

  計算無肋全玻幕墻用夾層玻璃的最大撓度可按等效單片玻璃計算。計算無肋全玻幕墻用夾層玻璃的剛度時,應采用夾層玻璃的等效厚度。

  在垂直于玻璃平面的荷載作用下,無肋全玻幕墻用單片玻璃的最大撓度,可用考慮幾何非線性的有限元方法計算,也可按下列公式計算:

 

 

如果無肋全玻幕墻采用的是夾層中空玻璃,荷載可先按中空玻璃進行荷載分配,然后按上述方法計算。

 

  4 無肋全玻幕墻的玻璃技術要求

無肋全玻幕墻無論其構造還是結構計算均與傳統全玻幕墻相似,惟其玻璃品質和質量相差極大。無肋全玻幕墻玻璃由于支撐在玻璃板的短邊上,因此在荷載作用下的應力和變形也非常大。為滿足結構計算要求,玻璃板必須增厚,對玻璃的品質和質量要求極高,隨之而來會對無肋全玻幕墻玻璃提出一系列特殊的技術條件。

 

  4.1 玻璃加工要求

首先應選用超白浮法玻璃中的優等品,即市場上能夠買到的最好的玻璃原片,因為玻璃原片品質的優劣是玻璃鋼化后是否自爆的決定性因素。超大尺寸結構玻璃對玻璃表面的缺陷要求較高,通常不允許1.0mm以上的點狀缺陷存在,對小于1.0mm的點狀缺陷允許1處/10平米,小于0.5mm的點狀缺陷相鄰兩個缺陷的間距必須大于300mm。玻璃表面的外觀線狀缺陷及影響玻璃性能的缺陷不允許存在。因為超大鋼化玻璃必須進行均質處理,為了降低鋼化玻璃均質的自爆率,所以在切割前必須對原片進行清洗檢查,避免使用不合格的原片。嚴禁使用帶有硬傷、厚度方向結石、密集微氣泡的不合格原片。

 

然后對玻璃板應進行精準裁切和邊部加工。一般玻璃的邊長允許偏差通常為±2±3mm,對于大尺寸的玻璃,邊長允許偏差通常為 mm,甚至更大。對于結構玻璃而言,這樣的邊長允許偏差太大了,因為結構玻璃要求精準對位,邊長允許偏差通常為 mm,1.5mm邊長偏差太大無法滿足工程要求。結構玻璃邊部要求倒角,且應進行三邊精磨和三邊拋光,因為玻璃板在裁切過程中在邊部產生大量裂紋,這些裂紋會極大地降低玻璃板的端面強度,通過三邊精磨、拋光,可將玻璃板邊部的裂紋清除,達到提高玻璃強度的目的。結構玻璃通常需要在玻璃板上鉆孔。一般玻璃的圓孔直徑允許偏差通常為 mm,對于大孔徑的玻璃,直徑允許偏差更大。對于結構玻璃而言,這樣的邊長允許偏差太大了,結構玻璃要求的直徑允許偏差通常為mm。結構玻璃的孔徑偏差要求不但高,而且孔邊應進行精磨、拋光處理,因為玻璃板孔邊應力集中,孔徑尺寸偏差過大和孔邊加工低,極易造成玻璃板在使用中由于孔邊受力不均而自孔邊開裂。

 

結構玻璃應進行鋼化處理。如果認為鋼化玻璃有自爆問題而采用半鋼化處理是不合適的,因為結構玻璃通常需要在玻璃板上打孔,半鋼化玻璃是無法滿足開孔要求的。即便不開孔,結構玻璃也應采用鋼化處理,因為玻璃是典型的脆性材料,鋼化處理后,玻璃的脆性得到極大的改善,即玻璃的斷裂韌度提高了。盡管目前還沒有測量玻璃斷裂韌度的方法,也沒有規范采用斷裂韌度來表征玻璃的力學性能,但玻璃的斷裂韌度是客觀存在的,作為結構玻璃,其斷裂韌度的提高無疑是極為有利的。半鋼化處理的玻璃,其斷裂韌度比鋼化處理玻璃斷裂韌度低得多,因此結構玻璃應進行鋼化處理。至于鋼化玻璃的自爆問題可通過以下途徑解決:其一是結構玻璃原片必須采用超白浮法玻璃中的優等品。其二是適度鋼化,即鋼化玻璃允許碎片數應在30—90粒之間。其三是鋼化玻璃表面壓應力應均勻,即表面壓應力最大值和最小值之差不應超過12MPa。其四是結構玻璃鋼化后必須進行均質處理。其五是玻璃板邊部精磨拋光。采用這些措施,結構玻璃的自爆率應當極低。

 

結構玻璃應采用夾層玻璃。一般夾層玻璃可采用PVB膠片,但是結構玻璃必須采用SGP膠片,因為SGP的粘接性更強,且均有一定的殘余強度,由SGP膠片構成的夾層玻璃的剛度更大。夾層玻璃都有疊差,一般夾層玻璃的疊差較大,對于大板面夾層玻璃,最大疊差可達6mm。作為結構玻璃,夾層玻璃的疊差非常小,不得超過1.0mm,特別是孔邊的疊差更是嚴格限制,因為要保證組成夾層玻璃的多片玻璃共同工作,同時受力,玻璃板孔邊必須保證疊差極小。結構玻璃的孔必須進行嚴格的質量控制,保證孔周受力均勻。

 

  4.2 加工設備要求

  (1)裁切、磨邊拋光

  目前沒有標準規定多大的玻璃板為超大尺寸,一般認為玻璃板一邊邊長超過8m即為超大尺寸玻璃。如此大的板面,邊長偏差要求小于1.0mm,采用一般裁切設備根本做不到,必須采用加工中心進行加工,因為加工中心的設備精度達到小數點后第八位。

超大尺寸玻璃板的精磨邊和拋光對磨邊機的要求也比通常的磨邊機要求。超大尺寸結構玻璃磨邊時不但要控制好尺寸公差,還要嚴格控制磨邊質量。寬度邊尺寸控制在±1.0mm,高度邊的尺寸公差控制在±2.0mm,對角線控制在對角線長度的0.05%,倒棱寬度控制在2.0mm±0.5mm。必須倒安全角,超大尺寸結構玻璃必須進行精磨邊處理,端面須精磨光亮,多片玻璃的疊差控制在1.0mm以內。

 

  (2)鋼化

目前鋼化設備最大的加工能力為3660mm*18000mm,超大尺寸鋼化玻璃不但要控制好鋼化玻璃的表面應力,還要控制好鋼化玻璃的平整度和外觀視覺效果。

 

超大尺寸鋼化設備要求鋼化玻璃的外觀質量和視覺效果,即必須保證鋼化玻璃的碎片數為30—90之間,鋼化玻璃的表面應力必須大于90MPa,且鋼化玻璃表面應力的最大值和最小值之差小于12MPa。對鋼化爐內各點的溫度差不得超過5度,并且要求快速均勻加熱,迅速冷卻,風壓偏差不得超過2MPa,需要快速出爐從而形成鋼化玻璃的表面應力。超大尺寸鋼化玻璃的平整度控制在0.005%以內,同時要求超大尺寸玻璃的外觀視覺效果,不得存在明顯的變形和風斑不均現象。滾波紋的變形邊部控制在0.08mm/300mm,中部波形控制在0.04mm/300mm,并要求輥波紋平行于底邊。外觀質量:距600mm處目視觀察不得出現明顯的麻點和局部片狀或團裝的應力斑,鋼化后的玻璃不得出現白霧缺陷。

 

超大尺寸結構玻璃必須采用均質鋼化玻璃,均質過程中的溫度必須達到290度±10度,在此條件下保溫至少2小時(建議保溫150分鐘,因為超大尺寸玻璃面積大,受熱不均勻,超大版玻璃自身重,為了保證恒溫均勻),在保溫過程中時刻監控記錄保溫時的溫度變化情況,降溫時達到70度以下,均質采用的熱電偶必須經過專業校準,并要求每年校準一次,超大尺寸結構玻璃均質時必須在玻璃表面貼熱電偶,并按照均質要求的位置和數量進行張貼。均質完成后要對均質的玻璃提供完整的均質報告,否則判定均質處理不合格。

 

  (3)夾層合片

超大尺寸結構玻璃必須采用離子型中間層做為夾層玻璃的中間層,在加工中必須采用高溫高壓并進行封邊處理,具有高強度的抗彎性能和超強的撞擊性能,同時具有破碎后不倒塌的優點。

 

超大尺寸結構玻璃必須有一層離子型中間層或多次離子型中間層構成,需具備結構玻璃的設計要求。夾層必須在十萬級以上的凈化室內進行合片,合片室須有溫濕度控制裝置,并保持正壓,光線充足良好。結構玻璃表面必須進行清洗,并且不殘留其它異物,合片前對玻璃表面和離子型中間層進行目視檢查,對異物及時清除。

 

合片時保證結構玻璃的底邊和可見邊的疊差,對多層玻璃合片時需保證夾層玻璃的厚度方向與玻璃表面垂直,合片后預留1-2mm的中間層,由于玻璃板面較大,合片后需對玻璃邊緣進行簡單的固定。超大尺寸結構玻璃必須在真空狀態下進行加工,保證夾層玻璃的中間層充分融化并粘接。對夾層結構玻璃進行涂刷封邊劑處理,減少夾層玻璃因中夾層吸收空氣中的水分而影響玻璃的使用壽命。

 

  超大尺寸要在恒溫、恒濕、正壓、10萬級潔凈合片室進行合片,對于厚度100mm的玻璃,在SGP夾層拼接技術上,視覺無缺陷,拼接縫肉眼達到不可視。圖8為夾層玻璃邊部質量。

 

 

圖8夾層玻璃邊部質量

 

  5. 結束語

  玻璃的品質越來越高,設計師的視野越來越廣,傳統全玻幕墻已不能滿足設計師和業主的需求,無肋全玻幕墻的市場空間勢必越來越大。

 

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