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          玻璃幕墙的安全问题分析与建议

            玻璃幕墙已经成为现代建筑外围护结构的不二之选,玻璃幕墙在建筑外表皮采光、保温、遮风、挡雨功能的基础上,又增添了装饰性,将建筑功能和建筑美学融为一体,成为一个城市靓丽的风景。


            近年来,随着建筑幕墙的迅猛发展和广泛应用,也不断有安全质量等事故发生,在社会上产生了一些负面影响。本文是根据笔者几十年的施工设计经验,针对幕墙的安全性问题提出的一些看法,与大家共同探讨。


            一、玻璃幕墙的安全问题

            近几年,玻璃幕墙安全事件不断发生,幕墙玻璃破碎坠落伤人毁物,让人们把玻璃幕墙视为“空中炸弹”,而2016年几次极端气候状况下玻璃幕墙的坠落事件,更是在行业内及社会上引起了极大的反响。玻璃幕墙真的不安全吗?是什么原因导致的玻璃破碎坠落呢?

            人们通常了解的幕墙安全事件都是玻璃坠落,而幕墙玻璃坠落仅仅是表象。除去钢化玻璃的自爆引起的坠落外,能够导致幕墙玻璃破碎的因素有很多,诸如玻璃的加工质量、边界条件、幕墙构造等等,而幕墙的构造及抗风压性能更是极其重要的因素。


            1、 玻璃的加工质量

            玻璃是一种脆性材料,玻璃之所以在建筑外窗上得到广泛应用,原因之一就是它的耐压强度高,硬度也高。玻璃的理论强度值大约为1010~1.5×1010Pa,而实际强度不足108Pa,比理论强度差很多,抗张强度也比抗压强度小。

            由表-1可看出,块状玻璃的实际强度比理论强度低得多,与理论强度相差2~3个数量级。块状玻璃实际强度这样低的原因,是由于玻璃的脆性和玻璃中存在有微裂纹和内部不均匀区及缺陷的存在造成应力集中所引起的。为了克服表面微裂纹的影响,提高玻璃的强度,建筑玻璃通常采用淬冷(物理钢化)或表面离子交换(化学钢化),以获得压应力层,从而强化表面,使其强度增加。

            玻璃在生产过程中会有残余应力,特别是分布不均匀的残余应力,使强度大为降低。玻璃进行钢化后,使其表面产生均匀的压应力、内部形成均匀的张应力,大大提高了玻璃的机械强度。经过钢化处理的玻璃,其耐机械冲击和热冲击的能力比经良好退火的玻璃要高5~10倍。


            2、幕墙构造的设计缺陷

            玻璃幕墙由面板和金属框架组成,其变形能力比较小。在水平地震或风荷载作用下结构产生侧移时,由于幕墙构件玻璃幕墙由面板和金属框不能承受过大的位移,只能通过连接件的弹性来避免主体结构过大侧移带来的影响,由于幕墙玻璃和杆件之间变形能力的差异,必然会对玻璃局部产生一定的压应力。而玻璃幕墙对于玻璃槽的构造设计都有严格的规定,在玻璃的安装与横框之间要保证留有一定的间隙,才能保证在发生层间变位的时候玻璃不会因受到挤压而破碎。



            3、幕墙结构设计

            幕墙杆件的刚度是幕墙结构安全性的关键。对于竖直的玻璃幕墙,风荷载是主要的作用,地震效应相对于风荷载效应是比较小的,通常不会超过风荷载效应的20%,因此,对于幕墙构件本身而言,抗风压设计是主要的考虑因素。

            玻璃幕墙的抗风压性能是一个整体概念,是由玻璃面板和杆件强度和刚度决定的。玻璃幕墙中承接风荷载的主要是玻璃,再通过玻璃传递到幕墙杆件。幕墙玻璃和杆件在风荷载作用下势必都要发生变形。在幕墙玻璃的变形设计中,对四边支承玻璃面板采用的是弹性小变形薄板理论计算应力,但是玻璃是典型的脆性材料,按弹性理论计算的应力和挠度值要比实际值大很多,尽管采用了折减系数予以修正,仍然不能够完全准确地反应玻璃面板的实际受力和变形状态。

            幕墙玻璃的挠曲变形还和玻璃安装的边界条件有关。幕墙玻璃安装在框架槽口内,幕墙的框架是通过连接件组合在一起的,幕墙竖框是单向受弯杆件,只在水平风荷载方向发生挠曲变形,而幕墙横框是双向受弯杆件,在重力方向和水平风荷载方向都产生挠曲变形,竖框和横框在变形后,玻璃面板的边缘就不会在同一平面内,而是呈扭曲状态,尤其是在横框与竖框的连接采用自由度较大的连接方式时(比如钢销式连接),横竖框的相对扭曲会更大,在极端气候条件下,玻璃面板就会因受力不均而破碎。


            二、须提高安全意识

            玻璃幕墙作为建筑外围护结构,应遵守三个基本的原则:安全性、适用性和经济性。安全是第一位的,适用、合理的结构是必须的。构件的极限状态不仅包括承载力的极限状态,而且包括挠度(变形)的极限状态,这其中就已经包含了安全性和适用性的一些概念。


            结构设计方法经历了从容许应力法、破坏阶段设计法、极限状态设计法到概率极限状态设计法的发展过程。建筑幕墙的设计源于钢结构设计,也是按近似概率理论的极限状态设计法,设计满足功能要求的结构,也就是把外界作用对结构的效应与结构本身的抵抗力来加以比较,以达到结构设计既安全又经济的目的。具体的说也就是在预定的作用及材料性能条件下,确定结构构件按功能要求的截面尺寸和满足构造要求。但是,极限状态设计并不意味着幕墙构件的承载力设计都趋于极限值。


            安全性即是要求幕墙杆件要在安全的承载力状态和稳定性,而不是在极限状态。极限状态是杆件处于失效状态的临界状态,倘若设计时取用极限承载力状态,也就把幕墙构件置于危险的边缘。一旦有短时极端气候条件出现,风力过大就会导致杆件失稳,扭曲变形从而造成幕墙破损,可能导致人身伤亡和大量的财产损失。


            适用性是指构件在正常使用条件下具有良好的工作性能,对于幕墙而言,应该还包括幕墙构造与主体结构的匹配性。当今的幕墙设计都是根据具体的建筑结构量身定做,一些好的幕墙设计项目在其本身结构上是适合的,用到其他建筑结构上就未必适用,应该根据实际情况具体分析、综合考虑。

            结构的可靠性是结构的安全性、适用性和耐久性这三者的总称,我们在幕墙设计中要综合考虑这三个要素。我们提倡大胆创新,只有创新,才有发展。但是创新不等于蛮干。正如行业内一位老专家所言:建筑设计的创新,要由合乎逻辑的结构设计来成全,大胆不可妄为;经不住自然风暴突袭就大面积散落,绝不等同于意外破碎散落肇事;在安全面前不慎不周的设计与施工,必将酿成难以收拾的灾祸。

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