摘要：根据刚性幕墙的各种构造特征，将大跨度刚性幕墙分成三种类型。文章通过对具体的节点解析，介绍了各种类别的受力模型的计算方法和注意事项，并给出了可有效改善刚性幕墙稳定性的对策。
关键词：大跨度;刚性玻璃;幕墙结构;设计;
1 引言
随着中国幕墙产业的多元化发展，刚性玻璃幕墙也应运而生[1]。所谓刚性玻璃幕墙是由刚性玻璃门窗肋和刚性玻璃门窗面所组成的全刚性门窗幕墙[2]。根据连接形式的不同，刚性幕墙结构大致分为两种形式，刚性玻璃肋肋相连的全玻幕墙结构和刚性玻璃肋点相连的全刚性幕墙结构。由于刚性幕墙建筑具有的结构形式简洁、视觉通透漂亮、成本低等优点，被大量运用于公共建筑以及有良好采光条件的机场、博物馆等面积较大的场所[3]。
规范规定“对宽度大于8m的刚性门窗肋应进行稳定验算，高度大于12m的刚性门窗肋宜做平面外固定试验，在必要时宜采用防侧向失稳的结构保护。”不过，对于稳定性的计算方法，由于标准中缺乏具体的规范，实际操作中也存在着一定的问题。现在，国内不少设计师按照欧美标准完成相应计算，但是因为对规范理解不够深入等因素，且一些规定要求不符合实际情况，给刚性幕墙结构设计的安全性带来了很多隐患[4]。
基于刚性玻璃幕墙的结构构造型式不同，对刚性肋的计算结果形式也有所不同。规范中明文规定，关于刚性玻璃幕墙“点支承刚性幕墙的支承构造设计宜独立进行，刚性面不能兼做支承构成的部分”。关于刚性肋肋接的刚性幕墙“面面刚性透过胶缝与刚性肋相连时，面板可用做支承于刚性肋的单面简支板设计”。而规范[5]中，关于刚性肋稳定性统计方式的划分也与此规范相同，将刚性肋的支承型式细分成三种类型：没有侧面支承的刚性肋、有连续性侧面支承的刚性肋、有不连续性侧面支承的刚性肋。点接的刚性肋幕墙则属第一种形体，通高的肋接刚性肋幕墙则属第二种形体，而复杂支承型式的刚性肋幕墙则属第三种形体。
2 无侧向支承的刚性幕墙稳定性分析
这些型式的大跨越刚性幕墙结构的共同特点是窗户构造在立面上有分格，窗户构造使用点支承连接在肋刚性上面，窗户构造和肋刚性相互之间使用刚性密封胶(图1)或使用结构胶(图2)连接。
图1 密封胶示意图
在规范标准中，规定此类的刚性精装饰刚性表面并不能为肋刚性带来横向支撑，其整体的稳定性及临界最大弯矩Mcr公式如下：
式中：Mcr为临界侧向屈曲弯矩(N·mm);g2、g3为从附表中查屈曲常值；Lay为稳定性计算结果中的计算时间；(EI)y为刚性肋绕弱轴方位的抗弯刚度(N·mm2);GJ为刚性肋的抗扭刚度(N/mm2);yh为荷载作用点到刚性肋中性轴的间距(mm),yh=d/2;E为刚性面面的弹性模量，取为72000N/mm2;g为刚性面面的剪切模量，取为30000N/mm2;b为刚性肋直径的厚薄(mm)。根据刚性等效厚薄推算，d为刚性肋直径的高程(mm);Iy为刚性肋绕弱轴方位惯性矩，Iy=db3/12(mm4);J是指刚性肋的最大抗扭反惯矩，J=bb3/3(1-0.63d/b)(mm)4。刚性肋的最高扭矩是Mmax。
图2 结构胶示意图
关于g2、g3的取值方式，本文只根据目前最常用的图2、图3二种形态加以解释。如图2所示，面刚性外壳和肋刚性之间均采用刚性密封胶联接，面刚性外壳的负荷均经过驳接件以点负荷的形态输送到肋刚性，g2、g3取值于采用承受等间距点荷载形态的肋，为第二种型式，g2=3.3、g3=1.3。
根据图2所示，面刚性外壳和肋刚性中间采用结构胶联接，面刚性外壳自身重量负荷由驳接件以点负荷的形态传递给肋刚性，而水平荷载则经由构造胶以线负荷的形态传给肋刚性，g2、g3取值于采用承受均布线负荷形态的肋，属第一种类型的铰接件做法，g2=3.6、g3=1.4。
由式(1)可知，临界弯矩Mcr与刚性肋的计算结果长宽Lay以及刚性肋的最大直径标准d，与刚性肋的断面厚薄b均有关联。确定在计算长宽为一定的情形下,临界弯矩Mcr与最大直径标准d成反比率，即Mcr与断面厚薄b的三次方成反比率。此外，由于SGP胶片的问世，已经逐步运用于大跨度刚性肋中。PVB胶片的刚性等效平均厚薄为b=
，而SGP胶片的刚性等效平均厚薄则为b≈t1+t2。所以，夹胶的种类对提高总体安全稳定性负面影响很大，要综合考虑现实情况选择合适的胶片。
3 连续侧向支承的刚性幕墙设计与稳定性分析
大跨越刚性幕墙建筑物构件的共同特点是面刚性构造通高布置，面刚性构造和肋刚性相互之间通过结构胶层连接，可以认为对面刚性构造和肋刚性相互之间实现了连续性的侧向支承。针对大跨度刚性幕墙，按照规范要求[5]吊挂，肋刚性的自重对其总体稳定性起到有利的影响，而忽略了自重对稳定性的影响。其总体稳定性与临界扭矩的Mcr方程见式(3)。
式中：y0为侧向约束到刚性肋中性轴线的长度(mm);yh为荷载作用点到刚性肋中立轴的长度(mm)。当为风吸力时,yh=y0=d/2。当为风压力时,yh=-d/2,而y0=d/2。因此,风吸力时的Mcr值远低于风气压时的Mcr值，这和现实情况一致。同时由于面刚性的存在，也影响了窗户肋一边的平面向外移，从而在门窗肋的一侧出现了侧向支座[6]。而针对风压，该侧撑也会支撑在承重区，但是由于窗户肋的支撑区有连续的支撑，所以在这时并不会出现安全问题。而针对风吸力，侧面的撑支在被风拉区，因此，也有可能损坏。刚性肋的最高扭矩为Mmax,如果符合上述公式定义(2)，则刚性肋的总体安全稳定性也符合设计规定。由式(3)可得,临界弯曲矩Mcr与刚性肋径向厚度范围b的3次方成反比例关系，其负面影响也很大。Mcr与刚性肋截面高度d的成正比关系，但作用并不大。
4 不连续侧向支承的刚性幕墙设计与稳定性分析
大跨越刚性幕墙结构特点是面刚性构造在立面上有分格，而面刚性构造通过节点支承或构造胶联接在肋刚性构造上。肋刚性利用拉索和拉杆连在同一主体构造上，并从横纵位置都布设了肋刚性。根据这个受力状况，可以认为刚性肋之间布的并不连贯。
玻璃肋上的主要支撑结构，包括拉杆、拉索、交叉等机械肋结构，都能够有效限制机械肋的屈曲能力，即这种支撑结构需要有效约束，并联连接到主体结构上，才能够发挥在机械肋上布置侧向支撑结构的作用[7,8]。其整体稳定性临界扭矩的Mcr公式见式(4)。
式中：g1是屈曲常数。
刚性肋的最高弯曲矩为Mmax，如果符合式中(2)，则刚性肋的总体稳定能力也符合设计规定。此屈曲常数g1值与桥端部的较大弯曲矩有关联，若按照附表(此处不详尽列举)的描述,当端部弯曲矩相同时，g1值极小，对总体稳定性计算结果最不利于影响，此时g1=3.1。且从式(4)中即可得到，为Mcr-bd3值，与其他二种主要受力类型相同。
5 结语
针对施工实践，通过分析承重设计模式，大跨度全刚性玻璃幕墙设计工程的承重设计模式大致可以分成三种。按照我国标准的技术规范提出了适应要求的公式；再综合国内外应用实际确定了对应的系数；最后得出各种强度模具的最高临界屈曲与最高扭矩都相同，和一般玻璃肋支撑的最高扭矩也相等或相当。从大跨越刚性幕墙结构的总体安全稳定性分析结果，由以上的受力分析可得出，根据三种强度模型计算，大跨越刚性幕墙结构的最大临界屈曲为弯矩Mcr-bd3。临界屈曲最高扭矩Mcr与刚性肋直径高程d成反比,对总体安全稳定性计算结果的负面影响并不少。而临界屈曲最高扭矩Mcr与刚性肋断面厚度b3成正比，对总体安全稳定性计算结果的负面影响也很大。但经过对PVB胶片与SGP胶片的比较，SGP胶片的使用对总体安全稳定性计算结果负面影响很大，根据工程设计实践,选用了适当的胶片。
参考文献
[1]章一峰.浅议幕墙行业发展趋势[J]中国建筑金属结构,2018(09):28-35.
[2]陆聚.建筑玻璃幕墙应用中安全问题应对策略研究[D].哈尔滨I业大学,2018.
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[4]宋莉蓉.基于BIM和KBE的幕墙工程规则检查及优化研究[D]中国矿业大学,2021.
[5] GB/T 34554 2017，建筑玻璃华墙粘接结构可靠性试验方法[S].
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[7]夏峻嵩.基于技术理论范畴的小型试验性建筑研究[D] .东南大学,2020.
[8]苏健.高层结构体系弹性整体稳定性研究[D].浙江大学,2012.
