本文摘自：《建筑幕墻創新與發展》
1 前言
建筑玻璃通常只有三種破壞形式：即彎曲破壞、沖擊破壞和熱炸裂，此外沒有其它破壞形式。由于玻璃是完全的彈性體，至今沒有玻璃抗壓強度、拉伸強度和剪切強度的測量方法，因此玻璃沒有抗壓強度、拉伸強度和剪切強度的數值。通常采用的玻璃強度實際上是玻璃的彎曲強度。且不說玻璃是典型的脆性材料，不應作為工程結構材料使用，就是單從玻璃沒有抗壓強度、拉伸強度和剪切強度就無法實現玻璃構件的設計，如玻璃作為立柱使用至少應進行玻璃柱的壓應力條件下的承載力計算，作為橫梁使用至少應進行拉應力和剪應力條件下的承載力計算。由于玻璃沒有抗壓強度、拉伸強度和剪切強度，即使計算出玻璃構件中的壓應力、剪應力和拉應力，也無法判斷玻璃構件是否滿足承載力要求。在傳統概念下，建筑玻璃通常是不能作為工程結構材料使用的。
由于建筑玻璃表面存在大量的微裂紋，玻璃在破碎時表現為典型的脆性，即玻璃在破碎之前沒有任何的屈服表現，而表現為突然的斷裂，從這個意義上考慮建筑玻璃也不應作為工程結構材料使用。此外建筑玻璃在制作、運輸、貯存和安裝過程中難免在玻璃邊部和表面產生大尺寸的撞傷或劃傷，這些撞傷和劃傷將極大地降低玻璃的強度，因此建筑玻璃作為典型的脆性材料，一般作為裝飾材料使用。當被用于建筑外圍護材料使用時，主要作為面板材料使用。隨著建筑玻璃生產技術的不斷提高，超白玻璃、鋼化玻璃、復合夾層玻璃，特別是離子型中間膜(又被稱為SGP)膠片材料出現后，夾層玻璃作為結構材料有了可能，并且已在一些工程實踐中獲得應用，即在一定條件下，玻璃也可作為結構材料使用，如全玻幕墻的玻璃肋，玻璃肋支承的點式玻璃幕墻的玻璃肋等。這些玻璃肋都是作為結構材料在使用，他們在設計使用時需要承擔風荷載，有些還要承擔玻璃幕墻面板的自重荷載。但這些玻璃構件的使用也只有在一定條件下才成立，特別是近年來超大尺寸結構玻璃在許多工程上得到應用，有成功的應用案例，也有失敗的教訓。本文結合工程案例介紹超大尺寸結構玻璃的加工技術要點，有關設計計算技術要點、構造技術要點、安裝技術要點等將在后續文章中闡述。
2 玻璃加工要求
首先應選用超白浮法玻璃中的優等品，即市場上能夠買到的最好的玻璃原片，因為玻璃原片品質的優劣是玻璃鋼化后是否自爆的決定性因素。超大尺寸結構玻璃對玻璃表面的缺陷要求較高，通常不允許1.0mm以上的點狀缺陷存在，對小于1.0mm的點狀缺陷允許1處/10平米，小于0.5mm的點狀缺陷相鄰兩個缺陷的間距必須大于300mm。玻璃表面的外觀線狀缺陷及影響玻璃性能的缺陷不允許存在。因為超大鋼化玻璃必須進行均質處理，為了降低鋼化玻璃均質的自爆率，所以在切割前必須對原片進行清洗檢查，避免使用不合格的原片。嚴禁使用帶有硬傷、厚度方向結石、密集微氣泡的不合格原片。
然后對玻璃板應進行精準裁切和邊部加工。一般玻璃的邊長允許偏差通常為 mm，對于大尺寸的玻璃，邊長允許偏差通常為 mm，甚至更大。對于結構玻璃而言，這樣的邊長允許偏差太大了，因為結構玻璃要求精準對位，邊長允許偏差通常為 mm，邊長偏差太大無法滿足工程要求。結構玻璃邊部要求倒角，且應進行三邊精磨和三邊拋光，因為玻璃板在裁切過程中在邊部產生大量裂紋，這些裂紋會極大地降低玻璃板的端面強度，通過三邊精磨、拋光，可將玻璃板邊部的裂紋清除，達到提高玻璃強度的目的。結構玻璃通常需要在玻璃板上鉆孔。一般玻璃的圓孔直徑允許偏差通常為 mm，對于大孔徑的玻璃，直徑允許偏差更大。對于結構玻璃而言，這樣的邊長允許偏差太大了，結構玻璃要求的直徑允許偏差通常為 mm。結構玻璃的孔徑偏差要求不但高，而且孔邊應進行精磨、拋光處理，因為玻璃板孔邊應力集中，孔徑尺寸偏差過大和孔邊加工低，極易造成玻璃板在使用中由于孔邊受力不均而自孔邊開裂。
結構玻璃應進行鋼化處理。如果認為鋼化玻璃有自爆問題而采用半鋼化處理是不合適的，因為結構玻璃通常需要在玻璃板上打孔，半鋼化玻璃是無法滿足開孔要求的。即便不開孔，結構玻璃也應采用鋼化處理，因為玻璃是典型的脆性材料，鋼化處理后，玻璃的脆性得到極大的改善，即玻璃的斷裂韌度提高了。盡管目前還沒有測量玻璃斷裂韌度的方法，也沒有規范采用斷裂韌度來表征玻璃的力學性能，但玻璃的斷裂韌度是客觀存在的，作為結構玻璃，其斷裂韌度的提高無疑是極為有利的。半鋼化處理的玻璃，其斷裂韌度比鋼化處理玻璃斷裂韌度低得多，因此結構玻璃應進行鋼化處理。至于鋼化玻璃的自爆問題可通過以下途徑解決：其一是結構玻璃原片必須采用超白浮法玻璃中的優等品。其二是適度鋼化，即鋼化玻璃允許碎片數應在30—90粒之間。其三是鋼化玻璃表面壓應力應均勻，即表面壓應力最大值和最小值之差不應超過15MPa。其四是結構玻璃鋼化后必須進行均質處理。其五是玻璃板邊部精磨、拋光。采用這些措施，結構玻璃的自爆率應當極低。
結構玻璃應采用夾層玻璃。一般夾層玻璃可采用PVB膠片，但是結構玻璃必須采用SGP膠片，因為SGP的粘接性更強，且均有一定的殘余強度，由SGP膠片構成的夾層玻璃的剛度更大。夾層玻璃都有疊差，一般夾層玻璃的疊差較大，對于大板面夾層玻璃，最大疊差可達6mm。作為結構玻璃，夾層玻璃的疊差非常小，不得超過1.0mm，特別是孔邊的疊差更是嚴格限制，因為要保證組成夾層玻璃的多片玻璃共同工作，同時受力，玻璃板孔邊必須保證疊差極小。結構玻璃的孔必須進行嚴格的質量控制，保證孔周受力均勻。
3 加工設備要求
(1)裁切、磨邊拋光設備
目前沒有標準規定多大的玻璃板為超大尺寸，一般認為玻璃板一邊邊長超過8m即為超大尺寸玻璃。如此大的板面，邊長偏差要求小于1.0mm，采用一般裁切設備根本做不到，必須采用加工中心進行加工，因為加工中心的設備精度達到小數點后第八位，見圖1。
圖1玻璃加工中心
超大尺寸玻璃板的精磨邊和拋光對磨邊機的要求也比通常的磨邊機要求。超大尺寸結構玻璃磨邊時不但要控制好尺寸公差，還要嚴格控制磨邊質量。寬度邊尺寸控制在±1.0mm,高度邊的尺寸公差控制在±2.0mm，對角線控制在對角線長度的0.05%，倒棱寬度控制在2.0mm±0.5mm。超大尺寸結構玻璃必須進行精磨邊處理，端面須精磨光亮，多片玻璃的疊差控制在1.0mm以內。
(2)鋼化設備
目前鋼化設備最大的加工能力為3660mm*18000mm，超大尺寸鋼化玻璃不但要控制好鋼化玻璃的表面應力，還要控制好鋼化玻璃的平整度和外觀視覺效果。
超大尺寸鋼化設備要求鋼化玻璃的外觀質量和視覺效果，即必須保證鋼化玻璃的碎片數為30—90之間，鋼化玻璃的表面應力必須大于90MPa，且鋼化玻璃表面應力的最大值和最小值之差小于15MPa。對鋼化爐內各點的溫度差不得超過5度，并且要求快速均勻加熱，迅速冷卻，風壓偏差不得超過2MPa，需要快速出爐從而形成鋼化玻璃的表面應力。超大尺寸鋼化玻璃的平整度控制在0.005%以內，同時要求超大尺寸玻璃的外觀視覺效果，不得存在明顯的變形和風斑不均現象。滾波紋的變形邊部控制在0.08mm/300mm，中部波形控制在0.04mm/300mm，并要求輥波紋平行于底邊。外觀質量：距1米處目視觀察不得出現明顯的麻點和局部片狀或團裝的應力斑，鋼化后的玻璃不得出現白霧缺陷。圖2鋼化玻璃表面壓應力的實際測量結果，15米鋼化玻璃應力值最大99MPa、最小90MPa，應力差9MPa。圖3為鋼化玻璃的碎片。
圖2 鋼化玻璃表面壓應力數值
圖3鋼化玻璃碎片
超大尺寸結構玻璃必須采用均質鋼化玻璃，均質過程中的溫度必須達到290度±10度，在此條件下保溫至少2小時(建議保溫150分鐘，因為超大尺寸玻璃面積大，受熱不均勻，超大版玻璃自身重，為了保證恒溫均勻)，在保溫過程中時刻監控記錄保溫時的溫度變化情況，降溫時達到70度以下，均質采用的熱電偶必須經過專業校準，并要求每年校準一次，超大尺寸結構玻璃均質時必須在玻璃表面貼熱電偶，并按照均質要求的位置和數量進行張貼。均質完成后要對均質的玻璃提供完整的均質報告，否則判定均質處理不合格。
(3)高壓釜
超大尺寸結構玻璃必須采用離子型中間層做為夾層玻璃的中間層，在加工中必須采用高溫高壓并進行封邊處理，具有高強度的抗彎性能和超強的撞擊性能，同時具有破碎后不倒塌的優點。
超大尺寸結構玻璃必須有一層離子型中間層或多次離子型中間層構成，需具備結構玻璃的設計要求。夾層必須在十萬級以上的凈化室內進行合片，合片室須有溫濕度控制裝置，并保持正壓，光線充足良好。結構玻璃表面必須進行清洗，并且不殘留其它異物，合片前對玻璃表面進行目視檢查，對離子型中間層進行目視檢查，對異物及時清除。
合片時保證結構玻璃的底邊和可見邊的疊差，對多層玻璃合片時需保證夾層玻璃的厚度方向與玻璃表面垂直，合片后預留1-2mm的中間層，由于玻璃板面較大，合片后需對玻璃邊緣進行簡單的固定。超大尺寸結構玻璃必須在真空狀態下進行加工，保證夾層玻璃的中間層充分融化并粘接。對夾層結構玻璃進行涂刷封邊劑處理，減少夾層玻璃因中夾層吸收空氣中的水分而影響玻璃的使用壽命。
超大尺寸高壓釜在提升氣壓和穩壓方面都有更高的要求，要在恒溫、恒濕、正壓、10萬級潔凈合片室進行合片，對于厚度100mm的玻璃，在SGP夾層拼接技術上，視覺無缺陷，拼接縫肉眼達到不可視 。圖4為合片室，圖5為夾層玻璃孔邊質量，圖6為夾層玻璃邊部質量。
圖4 超潔凈合片室
圖5 夾層玻璃孔邊質量
圖6 夾層玻璃邊部質量
4 失敗案例原因
超大尺寸結構玻璃板應用的主要構件之一為點支式玻璃幕墻的玻璃肋。玻璃肋支承的點式玻璃幕墻往往被誤認為全玻幕墻。玻璃肋支承的點式玻璃幕墻與全玻幕墻有較大的差異。圖7為玻璃肋支承的點式玻璃幕墻，圖8為全玻幕墻。全玻幕墻的面板玻璃和玻璃肋各自獨立安裝，兩者雖然相互支承，但各自的垂直荷載由自身承擔，玻璃肋只承擔面板玻璃承受的水平荷載。如果玻璃肋發生破裂，表面玻璃不會墜落，因為表面玻璃獨自安裝在結構上，因此全玻幕墻一般不會發生整體坍塌、墜落的事故。但玻璃肋支承的點式玻璃幕墻則不同，面板玻璃安裝在玻璃肋上，玻璃肋不但要承擔自身的重力荷載，還要承擔面板玻璃的重力荷載及面板玻璃所承受的水平荷載。如果玻璃肋發生破裂，面部玻璃就失去支撐，面部玻璃就會墜落，甚至發生幕墻整體坍塌墜落。因此玻璃肋支承的點式玻璃幕墻其安全性要求是極高的，也正因為如此，玻璃肋破裂的事故也是最多的。玻璃肋破裂的原因很多，如玻璃加工質量不滿足要求、玻璃肋構造不合理、設計計算錯誤、裝配應力過大等。本文主要討論玻璃加工質量不滿足要求導致的玻璃肋破裂，其他原因造成的玻璃肋破裂留待后續文章闡述。
圖7玻璃肋支承的點支式玻璃幕墻
圖8 全玻幕墻
玻璃肋破裂一部分表現為鋼化玻璃的自爆，其原因有：選擇普通平板玻璃，沒有選擇超白浮法玻璃中的優等品;鋼化度過高，最大碎片顆粒數遠遠超過90粒;玻璃板邊部沒有精磨、拋光。其他原因還有玻璃板邊部碰傷嚴重;玻璃板裁切尺寸偏差大。玻璃肋破裂另外一部分原因：1.安裝方式不當，使用金屬件直接接觸玻璃。2.結構玻璃局部受力或受力不均，造成局部應力過大。
(1)原片玻璃質量
近年來，建筑鋼化玻璃自爆現象比較普遍，為降低鋼化玻璃自爆率，國家發布了《建筑門窗幕墻用鋼化玻璃》JG/T455產品標準。在該標準中規定，應用幕墻鋼化玻璃的原片玻璃應采用超白浮法玻璃中的一等品或優等品，平板玻璃應采用優等品。對于超大尺寸結構鋼化玻璃應采用超白浮法玻璃中的優等品。但實際工程中，采用平板玻璃的工程很多，造成鋼化玻璃自爆現象嚴重，有些玻璃還沒有安裝就發生自爆。鋼化玻璃原片品質的優劣是鋼化玻璃是否自爆的決定性因素，要保證超大尺寸結構玻璃應用的安全性，保證玻璃正常條件下使用無自爆，鋼化玻璃原片必須采用超白浮法玻璃中的優等品。
(2)均質處理
經均質處理的鋼化玻璃，其自爆率是極低的。由于鋼化玻璃是否經過均質處理無法檢測，造成在實際工程中，盡管對鋼化玻璃有均質要求，但實際上并未對鋼化玻璃進行均質處理，造成鋼化玻璃自爆率居高不下。對于超大尺寸結構玻璃，必須進行均質處理。
(3)適度鋼化
鋼化度高，鋼化玻璃自爆率就高，這是無可爭論的客觀事實?！督ㄖT窗幕墻用鋼化玻璃》JG/T455產品標準規定，鋼化玻璃允許碎片數應在30—90粒之間。對于超大尺寸結構玻璃，要保證鋼化玻璃允許碎片數位于在30—90粒之間，對鋼化爐和鋼化工藝都有嚴格的要求。在實際工程中，許多自爆率高的工程，鋼化玻璃的碎片數都遠超90粒上限。
(4)邊部加工質量
建筑門窗幕墻用鋼化玻璃》JG/T455產品標準規定，鋼化玻璃應進行三邊精磨。對于超大尺寸結構玻璃應進行三邊拋光處理。但在實際工程中，邊部加工質量遠遠沒有達到這一要求，造成玻璃破裂現象嚴重。
(5)玻璃邊部碰傷嚴重
鋼化玻璃邊部不但要精加工，還要在運輸、儲存、安裝等一切環節中妥善保護。玻璃邊部碰傷嚴重，玻璃的破裂就難以避免了。
(6)尺寸偏差大
玻璃板尺寸偏差大，特別是孔邊的疊差大是造成實際工程中玻璃肋破裂的主要原因。圖9和圖10是實際工程中玻璃肋出現自爆案例的圖片。
圖9工程1
圖10工程2
由圖9和圖10可見，玻璃肋的原片玻璃為平板玻璃，邊部加工粗糙，邊部碰傷嚴重，孔邊疊差較大，這樣的玻璃是無法滿足工程要求的，出現破裂是很正常的。
5 結束語
超大尺寸結構玻璃不僅用于玻璃肋支承的點支式玻璃幕墻，也用于全玻幕墻的玻璃肋和無肋全玻幕墻，各自的設計計算要點、構造要點和安裝要點等將在后續文章中詳述。
本文摘自：《建筑幕墻創新與發展》
作者：劉忠偉 高琦 李春超來源：《建筑幕墻創新與發展》
延伸閱讀：
超高層大跨度建筑幕墻分析
1.前言
上海東亞銀行金融大廈，原名上海高寶金融大廈，所在地位于浦東新區銀城西路與花園石橋路的拐角處，即陸家嘴金融中心X3-1地塊，建筑物外立面采用玻璃幕墻，總高度198m，標準層平面近似為“H”形，東西兩側為辦公用房，東側32層，西側40層，中間部分主要為通道、樓梯、電梯間及設備間。(圖1)
圖1
大樓在中間部位開辟了三處跨層的空中花園，分別位于：
本工程外立面形式較為規整，采用單元式玻璃幕墻系統?？罩谢▓@區域為跨層的共享空間，單元幕墻板塊不能直接安裝在中間樓層的土建結構之上，需要專門設計出大跨度的支承體系，在滿足建筑效果要求的同時，又能為超高層的單元玻璃幕墻提供結構支承。
2.設計條件
三處空中花園建筑形式類似，我們以位于第一避難層至17層的“空中花園-1”為例進行分析。
該處空中花園的幕墻面為一內傾的斜面，傾斜角度3.9°，結構洞口尺寸為16.9m×15.8m(寬×高)，是三處空中花園中最大的洞口，洞口上邊與下邊均為鋼結構梁與樓板結構，左右兩側有主體結構混凝土框架梁。
圖2
空中花園的建筑外立面要求與標準樓層外觀一致，包括玻璃種類、幕墻分格、細部外觀等均不可出現變化。室內部分由于共享空間的進出尺寸十分有限，建筑要求幕墻應盡量弱化自身支承體系的視覺尺寸，且不可有構件與15F、16F、17F的邊部結構進行連接，從而使空中花園在視覺上盡可能通透。
同時，由于此大跨度幕墻的高度較高，且為內傾斜面，相比一般的豎直立面幕墻而言，設計中對抗風壓性能、防雨水滲漏性能、平面內變形性能、防松脫構造等方面，提出了更高的要求。
3.方案選型
空中花園的內傾玻璃幕墻，因其位于本項目的高層區域，且四周與其相接的幕墻均為單元式玻璃幕墻系統，在建筑外立面外觀一致的條件下，如在此處采用框架式玻璃幕墻系統，不但框架系統自身在內傾條件下的防雨水滲漏性能較弱，還需要在洞口四周增設與周邊單元式幕墻系統之間的交接構造，從而使此區域的雨水滲漏風險大大增加;同時，由于框架式玻璃幕墻是在現場完成幕墻零件的組裝和施工，增大了超高層建筑幕墻的施工難度和安全風險，并且在此區域容易導致其它大面積單元幕墻整體施工進度的瓶頸。綜合權衡之下，我們選擇了與周邊幕墻一致的單元式玻璃幕墻系統作為空中花園外立面幕墻形式的首選。
在確立外立面幕墻系統形式之后，設計的重點就是如何對幕墻的支承體系進行選型，由于支承體系不能與中間樓層結構進行連接，只能選擇使用大跨度的結構形式進行支承，可有如下三種選型方向：
1. 選型方向一：鋼立柱 次鋼梁體系
以鋼立柱為主受力構件，考慮到玻璃幕墻水平分格尺寸較小(1500mm)，鋼立柱按每3個分格(4500mm)設置，每層設置橫向鋼梁，玻璃幕墻單元板塊安裝于鋼梁之上。
2. 選型方向二：鋼桁架 次鋼梁體系：
以豎向鋼桁架為主受力構件，鋼桁架按每3個分格(4500mm)設置，每層設置橫向鋼梁，玻璃幕墻單元板塊安裝于鋼梁之上。
3. 選型方向三：鋼梁 吊索體系：
以橫向鋼梁為主受力構件，玻璃幕墻單元板塊安裝于鋼梁之上，并按每3個分格(4500mm)設置豎向承重吊索，以解決鋼梁穩定性及豎向荷載下的撓度問題。
圖3
上述三種支承方案選型，各有優劣，對比如下：
選型
建筑外觀
受力狀態
方案選擇
方向一
鋼立柱截面尺寸約450×225，豎向線條視覺過于粗壯，影響室內觀感。
洞口上部主體結構H型鋼梁弱軸方向承擔鋼立柱水平推力，受力狀態不好。
放棄
方向二
鋼桁架高度約900，占用室內有限空間，且影響室內觀感。
洞口上部主體結構H型鋼梁弱軸方向承擔鋼桁架水平推力，受力狀態不好。
放棄
方向三
無鋼立柱。
鋼橫梁截面尺寸約500×250，橫向線條視覺過于粗壯，影響室內觀感。
洞口左右兩側主體結構混凝土框架梁承擔鋼橫梁水平推力，受力狀態較好。
優選方向
綜上比選，采用橫向構件作為幕墻支承體系是優選方向，但由于鋼橫梁的尺寸偏大，影響室內觀感，我們將如何減小鋼橫梁的尺寸，同時又不影響室內建筑效果，作為設計優化的重點，同時，考慮到洞口上下邊部結構承載能力較弱，我們最終選擇了在鋼橫梁后側增設水平的魚腹形預應力拉索系統，作為幕墻的主受力支承構件，同時減小鋼橫梁截面尺寸，以滿足建筑效果的要求。
圖4
4.結構設計
作為在超高層建筑中對單元幕墻板塊提供支承的大跨度、大撓度預應力體系，除了需要考慮常規預應力拉索體系的張拉控制、穩定性、溫度變形、應力蠕變等各方面的因素之外，同時還需要考慮幕墻平面內變形性能要求，以及大撓度預應力體系對單元板塊之間對插構造的影響所引發的安全隱患。
4.1幕墻結構形式
由于鋁合金型材材料長度規格限制，結合建筑層高，幕墻單元板塊高度只能按層高4.2m設計，單元板塊由工廠制作完成，通過連接件固定安裝在鋼橫梁上。
鋼橫梁采用120×120×8方鋼管制作，分別安裝于15F、16F、17F，鋼橫梁在對應幕墻分格的位置設置承重拉桿，間隔1500mm布置，此鋼橫梁-承重拉桿共同形成一個緊貼于幕墻面之后并與之平行的內傾斜面。
每道鋼橫梁的后部，均設置一道水平的魚腹形預應力抗風拉索(下簡稱魚腹拉索)進行支承，魚腹拉索跨度16.756m，弦高1.12m。由于幕墻立面為內傾斜面，魚腹拉索亦設計為與幕墻立面垂直的方向上，采用Φ60×8撐桿與鋼橫梁連接。
魚腹拉索的后弦的撐桿節點上，間隔4500mm左右設置了3道豎向穩定索。
圖5
4.2魚腹形預應力拉索體系設計
水平的魚腹形預應力拉索體系，是一套大撓度體系，作為空中花園大跨度單元玻璃幕墻的主受力支承系統，幕墻的所有荷載，均由此體系承擔。幕墻的荷載主要包括豎直重力荷載、垂直于幕墻表面的風荷載、水平地震荷載，以及溫度應力。由于幕墻立面為內傾斜面，豎直重力荷載和水平地震荷載均需按幕墻表面垂直方向和平行方向進行分解后進行計算。
首先，設計將考慮除溫度應力之外的荷載作用：
1. 魚腹拉索：主要承擔垂直于幕墻表面的荷載，包括自重荷載垂直于幕墻面的分量、風荷載、地震荷載垂直于幕墻面的分量;
2. 承重拉桿：主要承擔平行于幕墻表面向下的荷載，包括自重荷載平行于幕墻面的分量、地震荷載平行于幕墻面的分量;
3. 穩定索：主要為精準地固定魚腹拉索的空中位置，保持其在受力狀態下的空中姿態，同時保證魚腹拉索的穩定性。
其次，作為對外圍護結構提供支承的預應力拉索體系，除需滿足強度、撓度指標、穩定性設計要求之外，還應考慮溫度應力的影響。在最不利工況下，即最不利溫度條件下的極限受力狀態中，所有拉索、拉桿均不應出現松弛。按照上海地區氣候條件和大樓的實際使用情況，室內溫差按40℃計，最不利工況下的拉索、拉桿的殘余拉力設定為不低于2.0-5.0KN。
最后，設計還應考慮在長期使用條件下，預應力體系的應力蠕變所帶來的預應力損失量，此部分按初始預應力的10%取值，并加入到初始應力中。
經過多次權衡協調分析，并考慮盡量降低預應力體系的初始預應力，以利于降低對主體結構的支座反力，魚腹拉索的設計采用了較大的弦高來控制預應力，通過有限元軟件(非線性)進行驗算，得到應力云圖與撓度云圖如下，可以看出，魚腹拉索的強度儲備較大，但撓度已達69.13mm(撓度許可值83.78mm)，該預應力體系屬于撓度控制。
至此，我們選定了魚腹拉索的規格為Φ30mm不銹鋼索，承重拉桿的規格為Φ16mm不銹鋼桿，穩定索的規格為Φ16mm不銹鋼索;魚腹拉索的預應力值設定為173KN。
4.3鋼橫梁設計
空中花園的魚腹形預應力拉索體系，是一套非線性的大撓度系統，而單元式玻璃幕墻系統板塊之間的對插構造，也使單元板塊在幕墻平面內有著一定范圍內自由伸縮活動的能力，這兩種系統疊加在一起時，一方面可以更好的適應主體結構的各種變形需求，形成一套柔性體系，但另一方面，卻可能帶來額外的安全隱患。
鋼橫梁的設置，主要目的便是為了消除這種安全隱患，同時方便單元板塊的安裝。
通過鋼橫梁，我們將同一樓層的單元板塊利用專用連接件安裝在同一個鋼橫梁上，并用螺栓進行鎖定。這樣做的好處，是可以防止板塊脫落，另外，對每塊單元板塊的左掛件進行左右限位，防止了同層單元板塊之間的左右自由竄動，從而避免了同層相鄰單元板塊之間的對插構造因板塊的自由竄動而導致脫出，同時，仍可利用此對插構造釋放溫度變形。
圖7
鋼橫梁上對應每個幕墻分格，設置了承重拉桿，一方面可以直接將單元板塊的豎向荷載通過承重拉桿直接傳遞至主體結構，另一方面承重拉桿也在豎直方向上對鋼橫梁形成了約束，可防止鋼梁出現豎向變形過大，從而導致上下樓層單元板塊之間的對插構造脫出，進而引發安全事故。承重拉桿的設置，并不會影響上下樓層單元板塊之間的橫向自由滑動能力，可滿足建筑幕墻的平面內變形性能要求。
5.結束語
超高層建筑在局部部位設計共享空間的項目日益增多，超高層幕墻多采用單元式幕墻系統，而共享空間又需要大跨度、通透性好的幕墻體系。上海東亞銀行金融大廈的空中花園所使用的大跨度“預應力拉索 小鋼梁”的結構支承體系，在滿足各種結構荷載和變形需求的前提下，形成了一套較為完善的“柔性”體系，可滿足建筑效果和幕墻各項性能要求，同時也規避了的安全隱患，對今后類似的工程項目有著重要的借鑒意義。
[參考資料]
1.中華人民共和國國家標準-建筑幕墻GB/T 21086-2007。北京：中國標準出版社，2008.2
2.中華人民共和國行業標準-玻璃幕墻工程技術規范JGJ-2003。北京：中國建筑工業出版社，2003.12
3.中華人民共和國國家標準-建筑結構荷載規范(2006年版)幕墻GB 50009-2001。北京：中國建筑工業出版社，2006.11
作者：上海杰思工程實業有限公司 周慧來源：2018《建筑門窗幕墻創新與發展》
延伸閱讀：
大跨度玻璃肋幕墻技術要點探析
1 概述
自玻璃誕生之日起，這種無色透明的物質便與建筑結下了不解之緣。隨著“蘋果店”的火熱，通透、純凈的全玻結構系統使玻璃的材料特性發揮到了極致。當我們樂見于越來越大的玻璃幅面、越來越高的幕墻跨度時，全玻結構所具有的設計、施工問題也日漸凸顯。因此，只有充分認識玻璃的特性，了解全玻結構設計、施工的要點，才能在建筑師不斷挑戰技術極限的考驗中，從容應對。
2 玻璃特性分析
玻璃的原子排列為非結晶的整齊物質，規則性低，這是玻璃高透質脆的原因。不同于鋼材經由彈性到塑性的破壞形式，玻璃的應力、應變幾乎呈線性關系，沒有明顯的塑性發展能力，破壞強度值高度離散。玻璃板的抗拉強度與玻璃表面的裂紋深度、形狀及分布高度關聯（見圖1）。當作用有外荷載時，裂紋尖端會產生極高的應力峰值，與其他材料相比，這樣的應力峰值不會因塑性變形而減少。同時，承受長期荷載和發生不良化學反應都會引發此裂紋的擴展，造成玻璃承載力下降，圖2顯示了玻璃強度和荷載作用時間的關系。由于鋼化玻璃表面存在約占其總厚度1/6的受壓區，使其機械性能得到明顯提升，但一旦玻璃表面裂紋擴展到受拉區，玻璃固有的應變能將迅速釋放，鋼化玻璃將立即碎裂。
3 玻璃肋幕墻的構造設計
作為全玻結構，玻璃肋駁接系統運用最為廣泛，在廣泛運用的同時也暴露了一些技術問題。為傳力所需，往往一塊玻璃肋板需要開十多個孔，受力的復雜性及鉆孔帶來的損傷，使得玻璃肋板極易發生爆裂現象，引發安全風險。鑒于此，肋駁接幕墻的構造設計必須充分適應其材料特質及結構特點。
3．1駁接件的設計
從前述的玻璃特性不難看出，在實際工程應用中，應避免玻璃承受長期荷載，且當玻璃作為結構構件使用時，需采取一定的構造措施以應對玻璃突然破裂而造成的安全風險。按照常規的肋駁接系統，面板的自重需通過駁接件傳遞至肋板，由于面板重心與肋板連接件間存在一定間距，面板自重會對肋板產生附加彎矩，影響玻璃肋的承載力。借鑒張拉索桿體系幕墻的構造特點，肋駁接幕墻系統可通過在肋板前端設置不銹鋼索的方式，化解重力、附加彎矩等長期荷載對玻璃肋的不利影響。如圖3所示，不銹鋼索隱藏于面板拼縫處，與面板中心基本重合，通過設于幕墻橫縫的鎖緊螺釘將肋駁接件鎖定于不銹鋼索上，用以固定幕墻面板。隱索的設置不僅可提高玻璃肋的承載力，更可在玻璃肋爆裂時，承托玻璃面板，避免幕墻整體垮塌，增加幕墻整體的安全度。設置重力索后，玻璃肋僅需承擔面板傳遞的水平荷載及自重，傳力更為直接，但為防止因隱索與玻璃肋變位不協調而帶來的附加力，面板駁接件與玻璃肋的連接宜為單孔鉸接方式，通過鉸孔轉動，釋放附加彎矩的不利影響。
3．2拼接節點的設計
為適應大跨度建筑造型，玻璃肋需要通過拼接才能成為整體，其所受的彎矩與肋的跨度平方成正比，跨度越大，拼接處的彎矩及剪力也越大。為減少拼接處內力，拼接位置應盡量靠近支座處。由于玻璃無塑性發展能力，拼接節點無法采用鋼結構的等強連接方式，設置再多的連接螺栓也不能提高拼接接頭的連接強度。為此，業內常采用膠粘方式，即通過涂刷在玻璃與不銹鋼板間的膠水來傳遞彎矩及剪力，形成等強連接。這種方法有效避免了栓接方式孔邊應力集中所帶來的連接節點承載力低下問題，但在具體的構造上還存在一些值得深入分析的要點。
3．2. 1粘接劑的選擇
由于連接節點需要通過粘結劑傳遞內力，因此粘結劑必須具有足夠的粘結強度。環氧類結構膠抗剪及抗拉強度大，膠接接頭能長期承受振動、疲勞及沖擊荷載，且具有較高的耐熱性和耐候性。通常鋼-鋼室溫抗剪強度>25MPa，抗拉強度≥33MPa。曾利用圖4所示的液壓式萬能試驗機進行某類環氧結構膠不銹鋼—玻璃的抗剪試驗，抗剪強度可達17Mpa。同時，試驗結果顯示環氧膠層厚度的均勻度對粘結強度影響甚微，膠水流動性適中，便于施膠。此點可有效解決實際工程中因鋼化玻璃、不銹鋼板表面不平整而造成的膠層厚薄不均，影響粘接強度問題。
不銹鋼與玻璃的線脹系數不同，除考慮傳遞內力外，粘接面還應考慮兩種材質之間的相對溫差位移。圖5模擬了不銹鋼與玻璃在40°C溫差作用下粘接面的溫差應力，計算結果顯示，粘接邊緣應力已達80.8861Mpa，遠大于鋼化玻璃邊緣強度。因此，粘結劑的選擇除了滿足抗剪強度外，還必須具有一定的變位能力，以化解或降低玻璃表面溫差應力。通常，粘結劑的變位能力與粘接強度成反比，粘接強度越高，變位能力越弱，兩者需綜合考慮。
3．2. 2拼接方式設計
圖7顯示了常規的膠粘方式，粘接部位采用整塊不銹鋼板連接上下玻璃肋板。當遇大跨度玻璃肋施工時，按此方法拼裝成型的玻璃肋整體吊裝需配備大量的人力及機具。若為簡化吊裝，采用高空對接方式，則現場的施工環境又不利于粘接質量。此外，粘接用環氧類膠十分穩定，一旦粘接成型，只有通過高溫或者機械切除的方式進行分離。因此，采用此種膠粘方式連接的玻璃肋，即使只是其中一段發生破損也必須全部更換，維修成本高昂。
從圖5的模擬結果可知，不同材料間存在溫差應力，此應力與材料的線膨脹系數差值及溫變幅度有關。從《建筑玻璃應用技術規程》JGJ113-2009中6.1.3條可知，玻璃線膨脹系數為1.0x10-5/°C，不銹鋼板的線膨脹系數為1.8x10-5/°C，鋼板的線膨脹系數為1.2 x10-5/°C。因此，采用鋼板與玻璃肋粘接可有效降低兩者間的溫差應力。圖6模擬了鋼板與玻璃在40°C溫差作用下粘接面的溫差應力，計算結果顯示，粘接邊緣應力為20.1968Mpa，較之不銹鋼板有顯著下降。
圖8顯示了一種分離式膠粘方式，先將小塊鋼板分別與每段玻璃肋粘接，然后再通過特制銷栓及整體不銹鋼板將上下兩段玻璃肋連成整體。這種拼接方式的優勢在于，玻璃與鋼板之間的粘接可在工廠內可控的溫度環境中完成，充分保證了粘接質量。同時，選擇鋼板與玻璃粘接可減少兩者間的溫差應力，降低對粘接用膠變位能力的要求。由于玻璃肋板為分離式設計，可大大簡化運輸、安裝工作，大幅降低維修成本。內側鋼板與外側不銹鋼板采用栓接方式，通過銷栓孔壁傳力，連接更為可靠。內外側鋼板孔采用預先配鉆的方式進行加工，可有效保證現場拼裝精度。由于玻璃肋與鋼板之間采用粘接方式，內外鋼板間又依靠銷栓傳力，玻璃肋孔側不直接承受外載，可在保證玻璃截面強度的前提下，加大開孔直徑，并在孔內填充彈性膠，以消除孔邊應力集中的風險。
3．2. 3 肋支座設計
玻璃肋幕墻，無論采用何種固定方式，都需支承于主體結構上，因此幕墻系統應具有良好的追從性，以適應主體結構的變位?！恫Ａ粔こ碳夹g規范》JGJ102-2003中7.1.3條明確：吊掛全玻幕墻的主體結構或結構構件應有足夠的剛度，采用鋼桁架或鋼梁作為受力構件時，其撓度限值df，lim宜取其跨度的1/250。通常，為追求全玻幕墻的通透性，其主體結構跨度都較大，若以跨度8m為例，鋼梁的容許撓度為32mm，再加上加工、安裝誤差及溫度變形，玻璃肋板支座至少需滿足50mm以上的變位能力要求。因此，玻璃肋幕墻支承于鋼結構系統時，應認真核實其位移能力。采用圖9所示的成品肋支座可較好地適應主體結構的豎向變位，玻璃肋上端通過肋板支座懸掛于主體結構，下端通過肋板支座與固定耳板間的長孔，實現滑動連接，滿足位移要求。
4 工藝要點
玻璃裁切、開孔后會在玻璃邊緣形成損傷，而玻璃的邊緣強度通常在設計中起控制作用，因此面板及其孔洞邊緣均應倒棱和磨邊，倒棱寬度不宜小于1mm，磨邊宜細磨，不得出現崩邊。玻璃肋由于采用夾層玻璃，需在單層玻璃上鉆大小不同的孔，以保證多孔對位。根據規范要求玻璃的鉆孔位置偏差應小于±0.8mm，孔距偏差應小于±1.0mm。為保證肋夾板處玻璃孔能有效傳力，玻璃孔直徑應大于肋板直徑3mm以上，其間設置彈性襯套，玻璃孔周邊填充彈性膠。彈性膠可在玻璃孔周邊形成保護層，減緩玻璃表面裂紋擴展，配合彈性襯套可消減孔位誤差，減少應力集中。為保證連接安全，在驗核螺孔傳力時，應按單片計入，且應扣除孔兩側倒棱寬度。
從前述分析可知，溫度作用對玻璃肋幕墻系統存在諸多影響。肋板的粘接溫度宜取使用環境溫度的中值，并應在可控的環境中打膠粘接。鋼板與玻璃粘接前應去除表面污物，鋼板可采用庚烷，玻璃可采用異丙醇進行清潔。為提高粘接強度，鋼板表面應適度打磨，以此增加接觸面積并銳化表面溝紋，提高膠接強度。在進行全玻幕墻的安裝前應復核主體鋼結構的變位，根據施工環境溫度與極值溫度的變形差，控制好預留間隙，并應盡量避免在極端氣候環境下施工。
5 結語
全玻結構幕墻以其通透的質感為建筑師所推崇，但玻璃為脆性材料，對外界因素的影響極為敏感，尤其是大跨度拼接的玻璃肋幕墻系統，在系統的構造設計、材料選擇、施工工藝方面存在諸多技術要點。正如一個硬幣的兩面，任何事物的內部都包含肯定的和否定的兩個方面，它們既對立又統一。當我們享受玻璃結構的光影魅力時，也必須正面玻璃自身的弱點，只有針對材料特性，因材設計才能使全玻幕墻結構系統日臻完善。
