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    玻璃幕墻的安全問題分析與建議

      玻璃幕墻已經成為現代建筑外圍護結構的不二之選,玻璃幕墻在建筑外表皮采光、保溫、遮風、擋雨功能的基礎上,又增添了裝飾性,將建筑功能和建筑美學融為一體,成為一個城市靚麗的風景。


      近年來,隨著建筑幕墻的迅猛發展和廣泛應用,也不斷有安全質量等事故發生,在社會上產生了一些負面影響。本文是根據筆者幾十年的施工設計經驗,針對幕墻的安全性問題提出的一些看法,與大家共同探討。


      一、玻璃幕墻的安全問題

      近幾年,玻璃幕墻安全事件不斷發生,幕墻玻璃破碎墜落傷人毀物,讓人們把玻璃幕墻視為“空中炸彈”,而2016年幾次極端氣候狀況下玻璃幕墻的墜落事件,更是在行業內及社會上引起了極大的反響。玻璃幕墻真的不安全嗎?是什么原因導致的玻璃破碎墜落呢?

      人們通常了解的幕墻安全事件都是玻璃墜落,而幕墻玻璃墜落僅僅是表象。除去鋼化玻璃的自爆引起的墜落外,能夠導致幕墻玻璃破碎的因素有很多,諸如玻璃的加工質量、邊界條件、幕墻構造等等,而幕墻的構造及抗風壓性能更是極其重要的因素。


      1、 玻璃的加工質量

      玻璃是一種脆性材料,玻璃之所以在建筑外窗上得到廣泛應用,原因之一就是它的耐壓強度高,硬度也高。玻璃的理論強度值大約為1010~1.5×1010Pa,而實際強度不足108Pa,比理論強度差很多,抗張強度也比抗壓強度小。

      由表-1可看出,塊狀玻璃的實際強度比理論強度低得多,與理論強度相差2~3個數量級。塊狀玻璃實際強度這樣低的原因,是由于玻璃的脆性和玻璃中存在有微裂紋和內部不均勻區及缺陷的存在造成應力集中所引起的。為了克服表面微裂紋的影響,提高玻璃的強度,建筑玻璃通常采用淬冷(物理鋼化)或表面離子交換(化學鋼化),以獲得壓應力層,從而強化表面,使其強度增加。

      玻璃在生產過程中會有殘余應力,特別是分布不均勻的殘余應力,使強度大為降低。玻璃進行鋼化后,使其表面產生均勻的壓應力、內部形成均勻的張應力,大大提高了玻璃的機械強度。經過鋼化處理的玻璃,其耐機械沖擊和熱沖擊的能力比經良好退火的玻璃要高5~10倍。


      2、幕墻構造的設計缺陷

      玻璃幕墻由面板和金屬框架組成,其變形能力比較小。在水平地震或風荷載作用下結構產生側移時,由于幕墻構件玻璃幕墻由面板和金屬框不能承受過大的位移,只能通過連接件的彈性來避免主體結構過大側移帶來的影響,由于幕墻玻璃和桿件之間變形能力的差異,必然會對玻璃局部產生一定的壓應力。而玻璃幕墻對于玻璃槽的構造設計都有嚴格的規定,在玻璃的安裝與橫框之間要保證留有一定的間隙,才能保證在發生層間變位的時候玻璃不會因受到擠壓而破碎。



      3、幕墻結構設計

      幕墻桿件的剛度是幕墻結構安全性的關鍵。對于豎直的玻璃幕墻,風荷載是主要的作用,地震效應相對于風荷載效應是比較小的,通常不會超過風荷載效應的20%,因此,對于幕墻構件本身而言,抗風壓設計是主要的考慮因素。

      玻璃幕墻的抗風壓性能是一個整體概念,是由玻璃面板和桿件強度和剛度決定的。玻璃幕墻中承接風荷載的主要是玻璃,再通過玻璃傳遞到幕墻桿件。幕墻玻璃和桿件在風荷載作用下勢必都要發生變形。在幕墻玻璃的變形設計中,對四邊支承玻璃面板采用的是彈性小變形薄板理論計算應力,但是玻璃是典型的脆性材料,按彈性理論計算的應力和撓度值要比實際值大很多,盡管采用了折減系數予以修正,仍然不能夠完全準確地反應玻璃面板的實際受力和變形狀態。

      幕墻玻璃的撓曲變形還和玻璃安裝的邊界條件有關。幕墻玻璃安裝在框架槽口內,幕墻的框架是通過連接件組合在一起的,幕墻豎框是單向受彎桿件,只在水平風荷載方向發生撓曲變形,而幕墻橫框是雙向受彎桿件,在重力方向和水平風荷載方向都產生撓曲變形,豎框和橫框在變形后,玻璃面板的邊緣就不會在同一平面內,而是呈扭曲狀態,尤其是在橫框與豎框的連接采用自由度較大的連接方式時(比如鋼銷式連接),橫豎框的相對扭曲會更大,在極端氣候條件下,玻璃面板就會因受力不均而破碎。


      二、須提高安全意識

      玻璃幕墻作為建筑外圍護結構,應遵守三個基本的原則:安全性、適用性和經濟性。安全是第一位的,適用、合理的結構是必須的。構件的極限狀態不僅包括承載力的極限狀態,而且包括撓度(變形)的極限狀態,這其中就已經包含了安全性和適用性的一些概念。


      結構設計方法經歷了從容許應力法、破壞階段設計法、極限狀態設計法到概率極限狀態設計法的發展過程。建筑幕墻的設計源于鋼結構設計,也是按近似概率理論的極限狀態設計法,設計滿足功能要求的結構,也就是把外界作用對結構的效應與結構本身的抵抗力來加以比較,以達到結構設計既安全又經濟的目的。具體的說也就是在預定的作用及材料性能條件下,確定結構構件按功能要求的截面尺寸和滿足構造要求。但是,極限狀態設計并不意味著幕墻構件的承載力設計都趨于極限值。


      安全性即是要求幕墻桿件要在安全的承載力狀態和穩定性,而不是在極限狀態。極限狀態是桿件處于失效狀態的臨界狀態,倘若設計時取用極限承載力狀態,也就把幕墻構件置于危險的邊緣。一旦有短時極端氣候條件出現,風力過大就會導致桿件失穩,扭曲變形從而造成幕墻破損,可能導致人身傷亡和大量的財產損失。


      適用性是指構件在正常使用條件下具有良好的工作性能,對于幕墻而言,應該還包括幕墻構造與主體結構的匹配性。當今的幕墻設計都是根據具體的建筑結構量身定做,一些好的幕墻設計項目在其本身結構上是適合的,用到其他建筑結構上就未必適用,應該根據實際情況具體分析、綜合考慮。

      結構的可靠性是結構的安全性、適用性和耐久性這三者的總稱,我們在幕墻設計中要綜合考慮這三個要素。我們提倡大膽創新,只有創新,才有發展。但是創新不等于蠻干。正如行業內一位老專家所言:建筑設計的創新,要由合乎邏輯的結構設計來成全,大膽不可妄為;經不住自然風暴突襲就大面積散落,絕不等同于意外破碎散落肇事;在安全面前不慎不周的設計與施工,必將釀成難以收拾的災禍。

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