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迅速发展的玻璃结构

1 玻璃的结构性能

1.1 玻璃是独特的结构材料

玻璃与钢材、混凝土等传统建筑材料不同，它本身是透明的；玻璃的强度很高，尤其抗拉强度很高，像钢化玻璃的抗拉强度标准值能达到 150N/m㎡至 200N/m㎡，仅比钢材低；因为强度高，玻璃构件的厚度很小，所以玻璃结构的自重很小，全玻璃墙的自重（包含玻璃面板和玻璃柱）在 80kg/㎡至 120kg/㎡范围内，只是混凝土墙和砌体墙的 1/4 至 1/8；玻璃是化学稳定的物质，几乎不存在能腐蚀它的天然介质。

玻璃具备透明这一特点，同时也具备高强的特点，还具备轻质的特点以及耐久的特点。正因为如此，它成为了独特的结构材料（表 1）。

表1 结构材料的性能

铝材的耐久性与镀膜或涂装的质量相关；不锈钢具有耐腐蚀的特性，而钢材的耐久性取决于所采取的防锈措施。

1.2 用于建筑结构的玻璃

平板玻璃被加热到玻璃软化点温度后，接着用冷风迅速降温，同时对玻璃施加预应力，这样就形成了钢化玻璃。

钢化玻璃的强度能够达到平板玻璃强度的 3 倍到 4 倍。这样它就能更好地满足结构受力方面的要求。另外，倘若遇到意外情况，当钢化玻璃破损时，它会碎裂成颗粒状且是钝角的小块。这种破碎方式能够避免对人体造成严重的伤害（如图 1 所示）。

夹胶玻璃也叫夹层玻璃。用于玻璃结构的玻璃，其厚度在 6mm 到 22mm 之间。为了满足结构截面的受力厚度要求，或者为了提升玻璃破碎后的安全性，通常会把几片玻璃用胶片粘结成一个整体。采用 PVB 胶片时，夹胶玻璃的承载力和刚度等于各片玻璃的承载力或刚度相加；采用 SGP 胶片时，夹胶玻璃的等效厚度可以用各片玻璃的厚度相加，所以它的承载力和刚度有很大提高（图 2）。

1.3 超大尺寸玻璃

目前常用玻璃的长度情况是在 8m 以内。各国热弯夹胶钢化玻璃的长度一般是不超过 6m 的。对于超过长度的结构构件，是用不锈钢板和不锈钢螺栓连接而成的，具体情况可参考图 3。

2012 年，中国已经生产出世界上尺寸最大的玻璃。目前所生产的最大玻璃尺寸是 18m×4m，其厚度最大能达到 25mm（见图 4）。同时，中国还具备了相应的钢化、热弯、夹胶等能力。中国的超大玻璃已经为国内外的玻璃结构提供了强有力的技术支撑（见图 5、图 6）。

2 玻璃结构

玻璃结构常用于板，其中包括墙板以及承重楼板。并且，当用于主要承重结构时，存在梁、柱和框架。

2.1 梁式结构

玻璃梁一般充当玻璃采光顶的支承结构，在高层建筑的顶部、裙房以及大型公共建筑中会被使用。为确保安全，采光顶的面板需采用夹胶玻璃，承重梁也必须采用夹胶玻璃。

玻璃梁通常采用铰支座，按简支梁计算。

通常在计算时多会采用板的有限元分析软件。

2.2 玻璃柱

玻璃柱在受弯平面内的截面尺寸较大，能达到 800mm 甚至更多；然而在受弯平面外，由于受玻璃厚度的限制，通常尺寸很小。为提升平面外的稳定性，除了高度较小（通常高度在 6m 以下）的时候可以采用底部支承的方式外，在多数情况下会采用顶部悬挂的支承方式，这样能让玻璃柱处于拉弯的受力状态。玻璃柱高度很大时，通常会采用多片玻璃夹胶的方式来增大玻璃的厚度，这样就能加大玻璃柱截面的宽度（图 15）。

玻璃柱的上下端都采用铰支承。它承受着玻璃面板传来的自重、风荷载和地震力。玻璃面板能够通过边缘支承方式或者点支承方式与玻璃柱相连接。（如图 16 所示）

玻璃柱比较高的时候，能够使用不锈钢板把几段玻璃柱连接成一个长柱。（如图 17 所示）

北京芳草地中心有一座高层办公综合建筑，图 18 展示的就是它。这座建筑的大面积玻璃墙面是由玻璃柱来支承的，从而形成了通透的室内空间。

玻璃柱平面外的刚度比较小，需要对其平面外稳定性问题给予足够的重视。玻璃柱的一侧有玻璃面板作为平面外的支撑，然而另一侧的玻璃柱是没有约束的。在承受风吸力的时候，自由边会受压，存在失稳的危险。所以，当玻璃柱的高度超过 8m 时，就应该考虑玻璃柱的稳定问题；当高度超过 12m 时，必须进行平面外稳定性的计算。必要时增加平面外的支撑(图19)。

平面外的支撑有多种方式，比如可以采用水平玻璃梁，也可以采用水平不锈钢撑杆，还可以采用水平不锈钢板等。图 20 展示的是厦门国际会议中心玻璃柱的一种支撑方式，即不锈钢板水平梁式支撑，在这种支撑方式中，不锈钢梁自身的重量是由竖向不锈钢吊杆来支承的。

苏州科技园区设计院的高层办公楼，其各层的玻璃外墙都是用玻璃柱来进行支承的。这样的设计使得玻璃结构的应用领域得到了极大的扩展。（见图 24）

三段玻璃柱构件用不锈钢板和不锈钢螺栓在现场进行连接。

柱的上下端均采用不锈钢夹板形成铰支座(图25)。

2.3 超大尺寸玻璃面板

我国有多家玻璃公司能够生产世界最大规格的玻璃平板，规格为 18m×4m×25mm。北京玻璃公司具备相应的深加工能力，包括钢化、热弯、夹胶等。因此，当下世界各地的超大玻璃面板都是由中国供应的。

2012 年，我国率先生产出了 12m×2.6m 的热弯、钢化、夹胶玻璃，并且将其供应给了上海苹果店，这打破了国外长度不大于 6m 的限制。12 块弯曲玻璃，每一块的价格达到了 120 万元人民币。从这之后，更大规格的面板玻璃不断地满足客户的要求（如图 26 所示）。

2.4 无立柱玻璃板外墙

2015 年，苹果公司总部在美国加州开始兴建，其形状如同巨型飞碟。该总部的玻璃外墙采用了 14m×3.3m 的超大热弯、钢化、中空玻璃（见图 27），并且玻璃加工设备是由中国供应的。其玻璃外墙没有设置玻璃柱，所有的荷载都由玻璃板独自承担。

美国华盛顿总部办公楼是图 28 所展示的。其外墙全部由一层楼高的热弯玻璃构成。这些热弯玻璃由上下层楼面结构简支着。玻璃的尺寸为 3.2m 乘以 1.5m。在室内向外望时，视野非常通透。

巴黎的 UNIC 项目 13 层住宅采用了同样的设计。其全部外墙是无玻璃柱支承的大尺寸玻璃板。就连外挑阳台的栏板也都采用了透明玻璃（图 29）。

2.5 玻璃框架

全玻璃建筑需使用透明的玻璃框架。玻璃框架的梁柱构件承受着很大的力，所以要选用夹胶钢化玻璃。当框架梁柱节点为刚性连接时，既可以用不锈钢板和不锈钢螺栓进行连接钢结构网格墙，也有一些工程会采用胶接（图 30，图 31）。

2000 年建成了第一个苹果店，位于纽约曼哈顿第五大街。当时没有超大玻璃，玻璃面板沿高度被分成 3 块。玻璃柱是整根的，高度为 9m。有 5 片 15mm 的玻璃夹胶。玻璃框架梁柱通过不锈钢螺栓连接，且是双向布置的。顶部形成了交叉梁系。

此后，苹果店开始大量运用玻璃框架结构。上海浦东的苹果店在 2012 年首次使用了 12 块高度达到 12.6m 的整块超大玻璃。同时，还相应地布置了 12 榀 12.6m 高的玻璃框架，这些框架交汇于顶部的玻璃环梁上。其中有 4 榀组成了正交的门式框架。

北京三里屯苹果店于 2014 年建成。它采用了 L 形玻璃框架。其梁柱是一体的。并且是由整块玻璃切割而成的（见图 34）。

2.6 玻璃楼梯

在玻璃建筑里，楼梯采用的是玻璃结构。玻璃楼梯有直楼梯和螺旋楼梯之分。它们都以扶手栏板作为承重主梁，楼梯踏板安装在栏板上。栏板和踏板都使用夹胶玻璃，以此来确保安全。踏板通常由 3 片玻璃夹胶而成，面层玻璃常为刻花玻璃，具有防滑作用（见图 35、图 36）。

美国洛杉矶国民银行大楼在 300m 高空设置了玻璃滑梯，其类似于玻璃楼梯。它是以玻璃栏板当作主梁，由 32mm 厚的夹胶玻璃底板来承重的（见图 37）。

3 玻璃结构设计的一些问题

玻璃强度高，然而它毕竟是脆性材料。玻璃构件很薄，所以在设计时必须认真进行强度和刚度计算。同时，玻璃柱还应考虑侧向稳定的问题。曾有玻璃结构在强风作用下遭到破坏的事例。世界上建筑面积最大的单体工程成都环球中心的玻璃墙，在 2016 年 8 月 7 日钢结构网格墙，12 米高的玻璃柱因强风作用而遭到破坏，进而致使玻璃墙大面积塌落，（如图 38 所示）。

3.1 玻璃的材料力学性能

1 强度设计值

玻璃属于脆性材料。在临近破坏之前，应力与应变几乎呈现为直线关系。玻璃的总设计安全系数 K 通常被设定为 2.5。因为主要荷载风力的分项系数 K1 为 1.4，所以材料分项系数 K2 取值为 1.8。依据《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 102 的规定，玻璃的强度设计值可以按照表 2 的规定来使用。表 2 中的端面是玻璃切割后形成的表面，该表面的宽度与玻璃的厚度相等。边缘是临近端面的玻璃表面，由于切割而产生了微裂缝，导致其强度有所降低。

玻璃有许多微观裂缝，在持续受到应力的情况下，它后期的强度会下降。所以，像采光顶的玻璃面板、玻璃梁，以及在长期水压作用下的水族箱板、水池底板等这些需要长期承受力的玻璃构件，它们的强度设计值应该按照表 2 数值的 50%来使用。

2 其他力学性能

玻璃的弹性模量是 0.72 X 105N/m㎡。玻璃的线膨胀系数为 1.0 X 10-5。

3.2 内力分析和截面计算

玻璃可被视作弹性均质材料，我们会按照弹性构件来进行内力分析，并且会采用普遍使用的弹性内力分析软件。

截面计算可按材料力学方法进行。

3.3 相关钢结构设计

与玻璃结构相关的钢结构，其中包含钢—玻璃混合结构的钢结构部分，需依据《钢结构设计规范》GB50017来开展相关工作。利用不锈钢板来连接玻璃构件，并且连接的计算工作也按照钢结构的方式来进行。

4 结语

大多数结构设计人员对玻璃还不太熟悉，玻璃是一种有待熟悉的结构材料，他们的玻璃结构设计经验较少。近年来，建筑师使用玻璃结构的情况逐渐增多，结构设计也开始涉足这一领域。新材料和新结构，对我们而言将是新的机遇。

延伸介绍：

本文源自 2017 - 2018 版《中国门窗幕墙主流技术及市场热点分析报告》。此报告以幕墙工程和门窗系统产品这两大类体系作为主线，围绕其产业链上的型材、玻璃、建筑用胶、五金配件、隔热（密封）材料以及生产加工设备等，刊载了各类市场及技术分析论文。全书致力于为广大读者提供前沿的行业资讯，引领企业家坚持新品研发和技术创新，以适应经济新常态的发展。其目的是为建筑门窗幕墙行业推送最新的产品及工程技术应用信息等。同时，针对近期竣工的超高层、机场等大型幕墙工程的案例进行了分析，并且邀请多位标准委员会专家，结合最新的标准规范进行了宣传和解读。

2017 到 2018 年的《中国门窗幕墙主流技术及市场热点分析报告》

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