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单层索网点支承式既有玻璃幕墙安全评估分析

范文

徐艳华张玉萍黄楠冯功斌马敏波

【摘要】近期，既有建筑幕墙的安全性正被高度关注。通过对济南市某单层索网点支承式既有玻璃幕墙进行安全评估，研究了索网点支承式玻璃幕墙外观及密封胶耐久性、玻璃面板安全性、拉索及支承结构的安全评估方法，并给出了评估结论及建议。

【关键词】单层索网;点支承式玻璃幕墙;安全评估

单层索网点支承玻璃幕墙能够充分展示点式玻璃幕墙无遮挡、结构简单、视野开阔的优势，因而被建筑师广泛用于机场航站楼、会展中心及景观走廊等建筑的外装饰，使得整个建筑晶莹剔透又雄伟宏大。近期，既有建筑幕墙的安全性正被高度关注，對用于上述重要公共场所的单层索网点支承既有玻璃幕墙定期进行安全评估分析尤为必要[1-3]。

1.工程概况

济南市某单层索网点支承玻璃幕墙工程（图1所示）于2007年建成并投入使用。建筑主体结构为钢结构，幕墙长度516m，高度14.5m;竖向拉索规格Ф22mm，跨度14.5m;横向拉索规格Ф19.5mm，跨度9m。玻璃面板规格为10mm+12A+10mm-Low-E钢化中空玻璃。该幕墙使用过程中未曾发生过安全事故。由于幕墙投入使用时间超过10年，业主委托对该幕墙进行安全评估分析。

2.外观及密封胶耐久性安全评估

对单层索网点支承玻璃幕墙分别从室外及室内进行整体外观检查，检查结果如下。

2.1幕墙玻璃板块无破损及脱落现象;

2.2幕墙东部靠近端部位置两处玻璃板块存在明显色差，经检查其中一块中空玻璃因内部起雾、结露而产生色差，另外一块玻璃为后更换中空玻璃与初始安装玻璃存在色差;

2.3经检测，幕墙竖向密封胶胶缝及幕墙墙面垂直度符合要求，幕墙平面度及胶缝直线度符合要求。

检查耐候密封胶耐久性发现，玻璃板块之间竖向密封胶缝无开裂、起泡及脱胶现象，密封胶有较好的弹性并与玻璃粘接良好。幕墙室外侧玻璃底部收口部位，部分密封胶缝出现开裂现象，如图2所示。

3.玻璃面板安全评估

玻璃面板通过固定于索网节点的梅花夹具与索网连接，玻璃面板安全评估包括现场检查及玻璃结构校核。现场主要检查玻璃面板的表面应力及玻璃与梅花夹具连接可靠性。玻璃结构校核是指校核计算玻璃面板刚度和强度与标准规范要求的符合性。

3.1现场检查

3.1.1钢化玻璃表面应力检测

现场抽取4片钢化玻璃检测表面应力，检测结果见表1。钢化玻璃表面应力检测结果符合标准要求。

3.1.2玻璃与梅花夹具连接可靠性检查

现场检查玻璃与梅花夹具连接情况，室外侧梅花夹具盖板内的紧固螺栓松动较普遍。梅花夹具结构形式及防水防松示意图如图3所示。前压板紧固螺栓松动，使得压板与玻璃面板之间出现间隙，玻璃在载荷作用下会产生晃动，从而易导致玻璃破损甚至脱落。

梅花夹具与索网连接螺栓未见明显松动。

3.2玻璃结构校核

校核计算高度14.5m，依据现行规范计算该高度位置风荷载标准值为1.051kN/m2，水平地震作用标准值为0.102kN/m2。水平作用载荷设计值组合值为水平风荷载设计值与水平地震作用设计值二者的组合值。

3.2.1玻璃刚度校核

玻璃刚度校核即计算风荷载标准值作用下玻璃的挠度是否满足标准要求。中空玻璃宽度与高度分格尺寸为1500mm×2300mm，玻璃四角支承于梅花夹具内。中空玻璃挠度计算时玻璃厚度采用等效厚度，等效厚度计算值为12mm。采用有限元软件建模，按照大变形迭代解算方法模拟玻璃面板挠度大小。

玻璃挠度解算结果最大挠度10.049mm，产生于玻璃面板中心位置。四点支承玻璃挠度许用值为2300/60=38.3mm，玻璃挠度校核结果符合标准要求。

3.2.2玻璃强度校核

玻璃强度校核即为计算水平载荷设计值组合值作用下玻璃的应力是否满足标准要求。由于中空玻璃内外单片玻璃厚度相同，仅校核直接承受水平荷载作用的单片玻璃应力大小。直接承受水平荷载大小为水平作用载荷设计组合值的0.55倍。

有限元建模后，为了模拟玻璃四角部位约束情况，对玻璃模型四角部位半径为60mm的1/4圆周区域施加固定约束。施加水平荷载约束，按照大变形迭代解算方法模拟玻璃面板应力大小。

玻璃应力解算结果显示，面板最大应力值出现在梅花夹具边缘附近，该位置因有应力集中作用使得最大应力值为59.4MPa。玻璃面板计算应力值小于钢化玻璃大面强度许用应力值，符合标准要求。

4.拉索及支承结构安全评估

拉索安全评估包括拉索张拉力检测及索网结构刚度和强度校核，支承结构安全评估主要检查拉索两端连接耳板与钢结构承载件焊缝质量以及承载件是否发生变形损坏等功能障碍。

4.1拉索安全评估

4.1.1拉索张拉力检测

为了减小风荷载对拉索初始张拉力检测结果的影响，拉索张拉力检测选择无风或风力较小天气条件下进行。现场对每跨钢结构柱之间的竖向拉索抽样检测了相邻两根拉索的张拉力，抽样检测了部分横向拉索的张拉力。竖向拉索最大张拉力为99.4kN，位置为E38-E39跨第3道竖向拉索。竖向拉索最小张拉力为83.4kN，位置为E21-E22跨第1道竖向拉索。竖向拉索张拉力检测结果均大于设计初始张拉力（80kN）。

同一块玻璃面板固定于左右相邻两根竖向拉索上，相邻拉索张拉力差值大小关系到玻璃面板的安全性。相邻竖向拉索张拉力差值统计情况见表2。拉索张拉力差值不大于5kN有43根，差值在5～10kN之间的有14根，差值大于10kN的有2根。

4.1.2索网刚度校核

对相邻立柱间竖向拉索与横向拉索组成的索网建立有限元分析模型，通过定义拉索单元实常数中的初始应变赋予拉索初始张拉力大小。在拉索端部施加固定约束，在索网节点施加风荷载集中力标准值[4]，按照大变形迭代解算方法解算分析拉索挠度的大小。索网挠度解算结果如图4所示。

索结构技术规程规定“单层平面索网玻璃幕墙的最大挠度与跨度之比不宜大于1/45”，据此条竖索挠度许用值为14500/45=322.2mm，横索挠度许用值为9000/45=200mm。竖索与横索最大挠度值为258.0mm，产生于索网中心位置。竖索挠度满足规范要求，横索挠度不满足规范要求。

考虑到玻璃面板对索网体系刚度的贡献作用[5]，另外建模分析风荷载作用下索网节点连接梅花夹具支承玻璃面板有限元模型的挠度大小。梅花夹具采用梁单元模拟，设定中空玻璃单元参数时使用其等效厚度值。垂直玻璃面板的水平荷载大小为风荷载标准值。解算后，模型挠度云图如图5所示。索网最大挠度113.1mm。对比不含玻璃面板时拉索挠度解算结果，玻璃面板对于索网体系刚度的贡献为（258.0-113.1）/258=56.2%。

综合以上计算结果，索网挠度符合规范要求。

4.1.3索网强度校核

索网强度校核，需要将索网刚度计算模型中的风荷载集中力标准值修改为水平荷载集中力设计值，进而按照大变形迭代解算方法解算拉索应力大小。

分析索网应力解算结果，竖向拉索最大轴向应力435.1MPa，位于中间竖索顶部位置，该拉索工作拉力为124.6kN，小于其最小破断拉力（336.23kN）;横向拉索最大轴向应力378.4MPa，位于中间横索端部位置，该拉索工作拉力为89.8kN，小于其最小破断拉力（278.62kN）。索网强度满足要求。

上述计算模型拉索初始张拉力大小均为设计值，经计算当竖向拉索张拉力达到检测最大值99.4kN时，该拉索最大应力值为495.7MPa，拉索工作拉力为141.9kN，小于其最小破断拉力。

4.2支承结构安全评估

索网幕墙支承结构检查检测结果，钢结构立柱、水平支承钢柱及拉索耳板钢材壁厚及防腐处理符合要求，钢構件无变形、损坏现象。拉索两端连接耳板与钢结构承载件之间焊缝无裂纹、锈蚀等缺陷。

索网幕墙支承结构安全评估结果符合要求。

5.结论及建议

对长期使用的单层索网点支承式既有玻璃幕墙进行安全评估分析十分必要。通过这次安全评估分析得出如下结论及建议：

5.1幕墙外观及密封胶耐久性安全评估合格，建议对影响使用功能及外观效果的两块玻璃面板进行更换，应对幕墙室外侧玻璃底部收口处密封胶局部开裂部位重新进行注胶修复。

5.2现场检查玻璃与梅花夹具连接情况，室外侧梅花夹具盖板内的紧固螺栓松动较普遍，建议按照施工图纸要求在紧固螺钉螺纹涂紧固胶后重新进行螺栓紧固。梅花夹具边缘部位玻璃易产生应力集中，应保证玻璃面板与夹具之间的橡胶垫片有良好的弹性，避免玻璃应力过大而发生破损。

5.3依据索网张拉力检测结果，个别相邻竖向拉索张拉力差值过大，应适当调整拉索张拉力。

索网点支承式玻璃幕墙外观及密封胶耐久性、玻璃面板安全性、拉索及支承结构安全评估的研究，为今后索网点支承式既有玻璃幕墙安全评估的开展积累了经验。

参考文献

[1] 万成龙，王洪涛，张山山等.平行拉索式点支承既有玻璃幕墙安全评估分析[J].建筑科学.2018，34（5）：107～112

[2] 陈武雄，贾传胜.建筑幕墙结构检测与评价方法研究[J].工程建设与设计.2017（18）：22～23

[3] DBJ/T14-096-2013.既有玻璃幕墙检验评估技术规程[S]

[4] 曹金章.基于ANSYS的单层索网幕墙结构几何非线性有限元分析[J].建设科技.2018（10）：8-13

[5] 王元清，孙芬，石永久等.点支式玻璃幕墙单层索网体系承载性能试验研究[J].东南大学学报2005，35（5）：769～774

（作者单位：1.山东省建筑科学研究院;2.济南大学）

【中图分类号】TU228

【文献标识码】A

【文章编号】【文章编号】1671-3362（2019）07-0054-03

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