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隨著制造工藝的不斷改進，玻璃已經(jīng)成為一種主承載結構材料，玻璃結構作為一種新現(xiàn)代公共建筑結構，進入全球民眾視野。
玻璃承重構件主要是指玻璃柱和玻璃梁，一般是玻璃板通過膠接或點式連接組成各種截面，主要的截面型式見圖1。圖中(1)~(7)為開口截面，(8)~(11)為閉合截面。
一般來說，開口截面構件的玻璃板件數(shù)目較少，如果選用一樣尺寸的板件組合截面，開口截面的面積相對小于閉合截面，其抵抗外力和穩(wěn)定性較低。玻璃邊緣保護相對薄弱，易受橫向外力沖激而發(fā)生意外破壞，但開口截面構件端部連接較易實現(xiàn)，玻璃板件連接節(jié)點（詞條“節(jié)點”由行業(yè)大百科提供）較少，易于加工，減少因加工誤差而引起的強度降低，對板件間的誤差要求較低。因此，易得到建筑師和工程師接受。
閉合截面有較高的強度和穩(wěn)定性，但其有內(nèi)部空腔，如果使內(nèi)部空腔與外界空氣實現(xiàn)流動，那么細小的粉塵或小昆蟲會因空氣流動而進入構件的內(nèi)部空腔，使透明的玻璃柱出現(xiàn)視覺瑕疵，而且?guī)缀鯖]有辦法進行清潔。如果封閉所有的缺口，使內(nèi)部空腔與外界空氣完全隔絕，那么溫度應力將大大減弱玻璃柱的承載能力。
圖1 玻璃構件的截面形式(自繪)
圖1(1)為Ⅰ字型截面，實際上就是傳統(tǒng)的玻璃肋，不考慮玻璃面板（詞條“玻璃面板”由行業(yè)大百科提供）對結構的作用。其主要的受力形式是平面內(nèi)受彎，國內(nèi)對此已有一定的研究[1，2]。根據(jù)幕墻規(guī)范[3]，夾層玻璃的等效截面厚度為多片玻璃厚度之和。
圖1(2)為Ⅱ字型截面主要出現(xiàn)在意大利設計師Santambrogio的作品中，Ⅱ字型截面之間通過有一定厚度的硬質(zhì)PVB制品(或其他膠體)連接[4]，成為Santambrogio作品的一種標志性特點。其最大的特點是玻璃構件間連接方式，利用硬質(zhì)PVB膠片的可塑性和無縫焊接的性能，玻璃構件間的連接變得非常通透和靈活，同時構件間的力的傳遞比較清晰，構件基本為軸心受力。但在我國建筑玻璃應用中，幾乎沒有與硬質(zhì)PVB制品共同使用的經(jīng)驗，因此運用這一技術還需要大量的實驗和研發(fā)才能應用到現(xiàn)實工程中。
圖1(3)為T字型截面是指玻璃翼緣平面外受彎，玻璃肋(腹板)平面內(nèi)受彎的組合型受彎截面型式。一般出現(xiàn)在玻璃樓梯中踢板與踏板組成的T型截面，以及玻璃承重墻中，玻璃面板與玻璃肋共同作用時的截面形式。按翼緣和腹板的連接可分為膠粘連接和連接件連接。對于T字型組合受彎玻璃構件的力學性能分析，我國已經(jīng)有一些的研究[5~7]。但文獻[5]指出當玻璃面板與玻璃肋共同作用時，玻璃面板取有效寬度，按T型截面梁進行計算，但并沒有具體指出玻璃面板的有效寬度如何進行取值，也沒有相關報告介紹玻璃面板與玻璃肋通過結構膠連接，是如何共同起作用的。或者使用連接件進行連接時，各構件的受力狀態(tài)是如何的。
圖2 墻式T型玻璃構件有待討論的問題(自繪)
圖1(4)為L字型截面實際是T字型截面的一個特例，一般出現(xiàn)在兩互相垂直的玻璃墻面的轉角，或玻璃墻面與玻璃層面的連接處。兩玻璃面板互為對方的玻璃肋，共同承受兩個方向的荷載。玻璃面板以一定有效寬度，按L字型截面梁柱時行計算。
圖3 墻式L型玻璃構件有待討論的問題(自繪)
圖1(5)為工字型截面構件，一般以獨立中心柱的形式出現(xiàn)在玻璃結構中，由于其為開口截面，易于進行連接節(jié)點設計，同時方便清潔，所以是國外研究人員比較愿意選用的截面型式之一[8]。
圖1(6)為槽型截面構件，出現(xiàn)在文獻[8]中，但由于非常雙軸對稱，在工程應用和研究文獻中出現(xiàn)不多。
圖1(7)為十字型截面構件，一般以獨立中心柱的形式出現(xiàn)在玻璃結構中，如法國市政大樓方案。十字型截面易于連接，外形比較容易被建筑師接受，因此十字型截面在工程中應用和有關實驗或數(shù)據(jù)研究的文獻都有相當?shù)臄?shù)量。但因十字型截面比較容易發(fā)生彎扭屈曲，大大降低截面的承載能力，同時玻璃邊緣都是外露的，比較容易發(fā)生橫向沖激破壞，因此使用十字型截面構件對整體結構有一定的風險。
圖1(8)為箱型截面構件，可以用作獨立中心柱，此截面由四件細長形玻璃面板組成而成，玻璃面板邊緣有一定的保護作用，防沖擊破壞的能力較十字型截面構件好。
圖1(9)為雙腹板截面構件，是文獻[8]中玻璃柱軸壓實驗選用的截面類型之一。
圖1(10)為星型截面構件。是文獻[8]中玻璃柱軸壓實驗選用的截面類型之一。
圖1(11)為圓型截面構件可以由兩件或四件彎玻璃組成，如果蘋果店中的螺旋形玻璃樓梯的圓形中心柱。但因玻璃構件的彎鋼化半徑一般要求大于1m，所以圓型構件的截面尺寸相對較大。
玻璃承重構件的設計并不是單一的承載性能驗算過程，需要考慮構件的連接方式、防火防沖擊和其他等多種影響因素。本節(jié)將對這些影響因素進行討論。
1玻璃承重構件承載性能
玻璃的承載性能主要考慮強度，穩(wěn)定性及剛度等因素。對于玻璃構件截面的選擇，首先要考慮的就是構件抵抗某種內(nèi)力需要的截面系數(shù)。對于玻璃梁，主要考慮抗彎強度、抗剪強度、彎扭屈曲，對應的截面系數(shù)有雙軸的彎曲截面系數(shù)，雙軸的慣性矩，以及極慣性矩。對于玻璃柱，主要考慮抗壓強度、彎曲屈曲、和扭轉屈曲，對應的截面系數(shù)有截面面積、雙軸的慣性矩、慣性積、極慣性矩和扇性慣性矩。
表1為玻璃構件各種截面型式的特性，表中所有構件均用寬度100mm，厚度8mm的板件組合而成，忽略板件間的粘結尺寸。表中Ix和Iy分別為截面兩主軸的慣性矩， 為玻璃構件的扭轉屈曲臨界力，計算時假定計算長度為1000mm。
表1各種玻璃構件截面的特性
表1從理論值上對玻璃構件的截面力學性能進行簡單的了解，可見玻璃板件越多，玻璃的理論強度就越大，閉合截面的臨界值會大于開口截面的臨界值，無突出邊的閉合截面(箱型)的承載值大于有突出邊的閉合截面(雙腹板，星型)。但從文獻[8]的實驗結果發(fā)現(xiàn)，受壓玻璃柱破壞時的極限荷載遠小于材料力學計算得到的理論值，其原因如3.1.2節(jié)所述，因為玻璃承載力取決于玻璃的裂紋與內(nèi)部應力。根據(jù)文獻[8]分析，影響玻璃柱承載力的因素有：玻璃柱端部截面的平整度、玻璃邊質(zhì)量、玻璃缺陷、板件間結構膠的性能和玻璃端部連接。
當玻璃截面選用端部承壓的方式進行力的傳遞時，端部截面的平整度的差異對玻璃柱承載力的大小有很大影響。如果玻璃柱中所有板件的端部均處于一個平面上，玻璃柱的受力均勻，壓應力（詞條“壓應力”由行業(yè)大百科提供）起主導作用，玻璃柱的承載值比較大。但如果玻璃柱中的板件端部不在一個平面上，有一定的差距，那么當玻璃柱受壓時，會因受力不均勻而產(chǎn)生拉應力，最后因拉應力到達極值而破壞。
玻璃邊緣的平滑度對玻璃承載力也有一定的影響，玻璃邊緣如有凹凸面或其他缺陷，受外荷載時，玻璃邊緣的缺陷處會產(chǎn)生較大的集中應力，也是玻璃壞破的一個原因，因此對于玻璃構件材料應做好磨邊處理。
玻璃表面或內(nèi)部的缺陷，包括裂紋、氣泡或雜質(zhì)都會降低玻璃承載性能，此問題是不可能避免，也不可預測的。只能選擇產(chǎn)品相對穩(wěn)定的廠家制作玻璃構件，或選用超白玻璃系列產(chǎn)品，使玻璃缺陷帶來的影響盡量降低。
根據(jù)文獻[8]實驗結果，使用結構膠連接的軸壓玻璃板件，結構膠可使玻璃構件在受力到較大時，出現(xiàn)應力重分配，從而玻璃構件的承載力有一定的提高，而且低彈性模量的結構膠這一效果明顯優(yōu)于高彈性模量的結構膠。
玻璃構件的端部選用結構膠與支座連接，通過剪力方式傳遞外荷載，其承載力將會大大高于端部承壓構件的承載力。可見玻璃構件端部墊片傳力和螺栓傳力都將降低玻璃構件的承載能力。
2玻璃承重構件連接方式
玻璃承重構件的連接包括兩種，一是組成玻璃構件的板件間的連接，二是玻璃構件端部與其他結構的連接。前者是玻璃構件的內(nèi)部連接，后者是玻璃構件與其他結構力傳遞的方式。
目前的生產(chǎn)工藝，玻璃之間或玻璃與其他材料的連接主要有三種方式，機械連接(包括線形邊框連接、局部邊連接，局部點式連接)、膠粘結連接和焊接。、
線形邊框連接主要為玻璃平面外受力的玻璃結構。局部邊連接是指對邊連接或三邊連接，是相對于線形邊框的連接可以獲得更多的通透感。
局部點式連接一般是指通過點式連接件進行的連接。。按連接件的材質(zhì)可分為，不銹鋼件連接、鈦合金件連接和PVB硬膠片連接。其中不銹鋼件是主要的連接材料，絕大多數(shù)的玻璃結構選用不銹鋼件作為連接件。鈦合金件連接主要在蘋果專賣店的玻璃結構中使用，其工藝和設計技術基本掌握到英國結構設計工作室Eckersley O’Callaghan手里。PVB硬膠片連接則主要出現(xiàn)在意大利玻璃設計師Santambrogio的玻璃作品[4]。按連接件與玻璃連接的關系，可以分為螺栓連接，嵌入式連接，背栓（詞條“背栓”由行業(yè)大百科提供）連接。螺栓連接是玻璃構件之間通過螺栓和金屬件連接，是目前最常用的連接方式。這種方式要求在玻璃上開孔，會在玻璃開孔處產(chǎn)生較大的集中應力，使玻璃破壞，同時開孔質(zhì)量是決定玻璃承載力大少的一個關鍵因素。在我國由于點式玻璃幕墻的廣泛使用，此連接方式的研究最為深入[9]。
圖4 玻璃構件間的連接方式[10]
嵌入式連接是將金屬件預埋到夾層玻璃之中，在現(xiàn)場進行金屬件連接的連接方式。這種連接方式需要在夾層玻璃的中間層玻璃開相應的凹槽，在玻璃進行夾層加工時，將金屬件放入玻璃構件中，金屬件主要通過玻璃夾膠片粘結固定和荷載傳遞。在現(xiàn)場將各玻璃構件中的金屬件連接起來，從而實現(xiàn)玻璃構件間的連接。這種連接方式是英國結構設計工作室Eckersley O’Callaghan研發(fā)的，此方式避免了玻璃開孔而產(chǎn)生集中應力和玻璃缺陷問題，同時將金屬件的尺寸做到了最小。但是這種連接要求玻璃的加工精度非常高。另外，金屬件與玻璃夾膠片的連接性能是怎么樣的，目前缺乏此方式的研究數(shù)據(jù)。
背栓連接是通過特制的背栓件將玻璃構件連接起來的方式，主要特點是玻璃孔沒有完全穿透玻璃，玻璃的外表面保持平整和通透。目前德國慧魚集團提供多款玻璃背栓件，及其相應的力學數(shù)據(jù)和加工方法。
圖5 德國慧魚提供的玻璃背栓件[11]
結構膠連接是通過結構膠將玻璃或玻璃與其他材料連接起來的連接方式，是通過剪力或摩擦力實現(xiàn)力的傳遞。這種連接方式首先由英國結構設計事務所Dewhurst Macfarlance設計和應用。主要代表作品為上述的英國金斯威德玻璃博物館擴建工程。結構膠連接的強度不僅由膠體本身確定，還與膠的粘結性和與基材的連接性有關。同時膠粘結的好壞還受注膠（詞條“注膠”由行業(yè)大百科提供）環(huán)境、基材平整性和清潔度、操作工的技術及固化過程等因素的影響。結構膠的選用需考慮固化要求、粘結性、防水性、防UV性、耐溫性、合適的抗剪強度、表面硬度等因素，其中表面硬度需要與玻璃表面硬度相近，從而可以保護玻璃邊緣免受損壞。
表2 按彈性模量分類的結構膠
雖然焊接技術已經(jīng)廣泛用于玻璃藝術品中，但這種技術對溫度控制要求非常高，而且會大大降低玻璃強度，所以還無法用于大尺寸建筑玻璃中。
三種連接方法相比，線性金屬連接方式比較安全可靠，但有影響視覺的金屬邊，點式金屬連接方式相對線性金屬連接視覺上效果要好些，但會因集中應力、加工缺陷和誤差等問題直接降低玻璃承載性能。膠粘結連接施工技術要求較高，但基本不影響玻璃通透性，而且受力傳遞更為均勻，因此膠粘結連接在國外被認為是較好的連接方式。
在玻璃構件間板件的連接選擇結構膠連接時，文獻[8]實驗證明，玻璃構件在受力過程中有可能出現(xiàn)內(nèi)力重分布現(xiàn)象，可有效增加玻璃構件的承載力。在軸壓構件中，低彈性模量的結構膠提高玻璃構件承載力的效果要優(yōu)于高彈性模量的結構膠。
圖6 玻璃柱端部連接[8]
對于軸壓玻璃構件端部的連接，文獻[8]做了多個實驗進行比較，包括有端部通過墊片傳遞壓力的、與鋼板件膠接將壓力轉換成剪力的、選用鋼套筒預埋玻璃構件的等方式。其實驗結果發(fā)現(xiàn)，與鋼板件膠接將壓力轉換成剪力的端部連接方式使玻璃構件得到最大的承載力，其次是端部墊片傳壓的方式，最低的是選用鋼套筒埋置方式。由于閉合截面難以實現(xiàn)鋼板件膠接的連接方式，會大大影響閉合截面實際的承載力。
另外，玻璃端部的連接的方式不同，會影響玻璃構件的計算長度，對玻璃構件的穩(wěn)定性有一定的影響。
但是在我國，由于點式金屬連接力的傳遞更為簡單和明確，使人覺得金屬連接更為可靠和安全耐久。對于化學粘結劑的連接，玻璃與粘結膠如何共同作用并不了解，并對化學粘結劑的耐久性和相溶性產(chǎn)生疑問，在使用前還需要更多的實驗研究。
3玻璃承重構件的防火、防沖擊
防火對任一構件性材料都是必須考慮的，玻璃材料雖為A級不燃建筑材料（詞條“建筑材料”由行業(yè)大百科提供），但它會因遇火災溫度升高而降低或失去承載能力，使整個建筑處理不安全狀態(tài)。因此在玻璃結構建筑中應避免堆放可燃材料，做好消防措施。對于開口型截面，火災產(chǎn)生的高溫對玻璃構件相對均勻加熱，在玻璃能承受的溫度下(耐溫性因玻璃各種不同而不同)，玻璃構件是安全的。但對于閉合截面，環(huán)境溫度只對玻璃構件外表面加溫，玻璃構件空腔內(nèi)溫度相對較低，使玻璃內(nèi)外表面形成溫度差，從而形成較大的溫度應力，這個溫度應力對玻璃構件的傷害要大于玻璃絕對溫度產(chǎn)生的傷害，使閉合截面構件更早失效。
橫向沖擊對玻璃構件會是一種致命的破壞。尤其是針對玻璃邊緣的橫向沖擊，可能使玻璃瞬間成為碎片而失去承載力能。對于玻璃邊均受到保護的無突出邊的閉合截面(尤其是圓型截面)，橫向沖擊的傷害相對較少。對于有突出邊的截面，必須采取措施對突出邊進行保護，如果加防撞軟膠，或加設欄河等避免外物沖擊的措施。如文獻[8]玻璃柱設計中，特意在工字型玻璃柱外部加設夾膠玻璃組成的箱型截面做保護。
防火是結構材料必須考慮的一個問題。在國外文獻[8]中介紹，當遇到火情時，在玻璃結構中的所以有人能夠全部安全撤離的時間內(nèi)，玻璃結構沒有發(fā)生倒塌，那么說明玻璃結構是安全的。這個時間取決于玻璃的種類、玻璃結構的面積、能容納的人數(shù)、玻璃結構所處的位置、及人員撤離的容易程度等。
文獻[8]表示，通過對玻璃增加透明的有機隔熱涂層，可以有效增長玻璃熱熔失穩(wěn)的時間，從而提高玻璃結構的防火安全性。在我國，防火玻璃已經(jīng)廣泛地應用在建筑中。總之，玻璃結構的防火問題關鍵在于如何決定人員撤離的時間和制定消防的安全細則。
4玻璃承重構件的其他問題
玻璃構件截面選擇還需要考慮加工、清潔、空間占用和美觀等問題。
目前玻璃構件截面選擇深受實際生產(chǎn)加工技術的影響。玻璃構件是由玻璃板件組成的，玻璃板件質(zhì)量，如裂紋、氣泡或雜質(zhì)等問題直接影響玻璃承載力。玻璃板件的切割工藝及磨邊處理，也非常關鍵。如雙腹板截面，兩腹板的寬度差異直接影響玻璃組裝質(zhì)量。玻璃板件的連接邊越多，加工就越團難，加工耗時也越長，加工質(zhì)量就越難保證。如雙腹板截面的加工要難于工字型截面。因此，玻璃構件中板件的增加表面上強度相應增加，但因為加工難度增加，質(zhì)量難以控制，玻璃構件缺陷問題增加，使得玻璃構件強度不加反而下降。因此，在國外實際工程應用中，較多選用的玻璃構件截面一般為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，任何可見的雜質(zhì)都會影響玻璃構件的視覺效果，玻璃構件清潔問題是設計過程需要考慮的。對于閉合型截面是不可能在使用過程中進行清潔的，唯一保證閉合型截面高清的方法，只有將閉合型截面構件完全密封。因而閉合型截面構件內(nèi)部空氣會使玻璃構件面對變化的氣壓和溫度應力問題。因此，如果確認選擇閉合型截面，必須對上述兩問題進行充分才了解和分析，以免使用過程中因此使截面發(fā)生破壞而失去承載力。
見表1，不同截面占用建筑空間的面積也不同，這將意味著建筑實際使用空間因而也有不同，對于使用者當然不希望結構柱占用建筑的使用空間，因此這也是設計時，需要考慮的一個因素。
對于玻璃構件截面的美觀問題是一個非常主觀的問題，會因建筑師和結構師不同而有不同的答案，在具體的建筑里，不同的玻璃構件截面也會達到不同的視覺效果。
參考文獻
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[11] 德國慧魚集團幕墻背掛ACT系統(tǒng) [EB / OL]. 點擊查看 http://www.fischer.com.cn/
