点支式玻璃幕墙设计中应注意的若干问题

一、前言

点支式玻璃幕墙的定义在《玻璃幕墙工程技术规范（JGJ102-2003）》中是这样规定的：由玻璃面板、点支承装置和支承结构构成的玻璃幕墙叫点支式玻璃幕墙。本文将就点支式玻璃幕墙设计中应注意的若干问题进行一下解析。

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二．点支式玻璃幕墙介绍

点支式幕墙按其支承形式可分为一下几种结构体系：

（1）玻璃肋支承式

该幕墙用玻璃作为受力支承结构 ，其主要特点是通透性好，构造简单且结构无腐蚀性问题，适用于大堂、大厅及共享空间等。作为受力结构的玻璃肋必须采用夹胶玻璃。效果如图一所示。

（2）单管或钢管桁架支承式

该幕墙采用单管或各种桁架结构，如鱼腹桁架、平行弦桁架、三角形桁架等作为受力支承结构。其特点是将钢结构的雄浑构造美和玻璃的“透”完美的结合起来，使该幕墙充满了现代艺术感。如图二、图三所示。

（3）索（杆）桁架支承式

该幕墙采用钢拉索或钢拉杆（可采用不锈钢或碳钢，由业主方来确定）和悬空连接杆通过合理布置经过预应力张拉形成空间桁架系统作为受力支承结构。其特点是整个结构体系为一柔性体系，受载能力强，轻盈美观，通透性好，技术难度高，是高科技和现代建筑艺术的完美结晶。但是施工难度大，张拉工艺要求复杂，对施工精度要求高。如图四、五所示。

（4）单索支承式

该幕墙采用纵横交错的两道索或者只设纵向索作为受力支承结构。

其特点是轻盈通透，拉索与玻璃胶缝在视觉上相重合，大大提高了可视面积，并且在施工方面也较拉索桁架容易。如图六所示。

（5）预应力自平衡索桁架支承式点支式玻璃幕墙

预应力自平衡索桁架是一种由中间压杆（钢管）、辅助横杆和呈抛物线形状布置的索组成：索的预应力通过两端连接由主压杆承担，预应力不会传给主体结构，在桁架内部形成力的平衡，在承受正负风压时，它相当于一个两端简支桁架的结构功能。如图七所示。

（6）组合式支承式

该体系采用钢结构、拉索、拉杆等相互组合作为受力结构。其特点是取各种结构的优点从而形成一个新的结构体系，无论从通透性还是从建筑美学上都完美无缺。但是这种结构设计和结构计算非常复杂，施工也有一定的难度。如图八所示。

三.点支式玻璃幕墙设计应注意的若干问题

1、玻璃面板的设计应注意的问题：

（1）采用浮头式连接的玻璃厚度不应小于6mm；采用沉头式连接的玻璃厚度不应小于8mm。

（2）点式玻璃幕墙采用钻孔玻璃时，则玻璃孔中心到面板边缘的距离c不应小于2.5d，也不应小于70+d/2mm。如图九所示。

（3）当玻璃的挠度或强度在荷载作用下不能满足规范要求时，易通过增加玻璃的厚度来实现，而不易增大驳接爪件的间距来实现。

我们做一下比较：例如一个2000×1500板块的中空玻璃，采用坚朗公司250系列爪件，玻璃采用8+12A+6mm夹胶钢化玻璃，风荷载标准值为1.0KPA计算发现此配置的玻璃挠度不能满足规范要求，当把玻璃的配置改为8+12A+8mm就能满足要求了！价格增加了20元/m2；如果把250爪件改为300爪件同样能满足受力要求，可是价格却增加了近80元/m2。可见增加玻璃的配置要比增大爪件的间距更便宜！

（4）对点式玻璃的设计时应注意：玻璃的许用挠度为长边支承点间距的1/60，不同于框架幕墙，框架幕墙玻璃的挠度为短边的1/60。

（5）对点式玻璃的设计时应特别注意：尽量不要采用6点支承和8点支承形式。 原因如下：①由于6点或8点支承，在安装过程中很难把6点或8点调成同一平面，玻璃安装完成之后在玻璃内部就产生了一定的翘曲应力，为以后的使用埋下了安全隐患。 ②由于玻璃在荷载作用下跨中的应力最大，而恰恰6点或8点的玻璃在受力最大的位置开了孔，这就大大降低了抵抗荷载的能力。综上可见6点或8点支承的结构形式是很不可行！图十为8点支撑玻璃的破坏图片。

(6）当玻璃面与竖直平面夹角大于5度时（斜幕墙），要采用夹胶玻璃；如果同时还考虑保温，就应采用中空夹胶玻璃，并且夹胶面在幕墙面的下侧。

2、单管作为支承结构设计时应注意的问题

(1)单管结构作为受力结构主要适用于层间高度不是很高，分格宽度不是很宽的情况。下面本人做了一个比较。（以北京地区为例(风荷载按照1.0KN/m2）

表一 跨度与钢管直径的比较

可见当跨度大于6.0米时，单管的直径已经很大，因此建议单管结构用于6米跨度以下的结构中。

(2)单管结构上、下端的支座处理很关键，最好把上端设计成固定铰支座,下端设计成滑动铰支座。因为受压构件存在受压失稳的问题，对于同一个断面，把它设计成受压构件要比受拉构件强度折减20%以上。

3、钢桁架作为支承结构设计时应注意的问题：

（1）从上文对单管的分析可知，当计算跨度大于6米时，单管的直径已经很大，此时应采用钢桁架支承。

（2）钢桁架的形式有多种，一般包括如下：三角桁架、鱼腹桁架、梯形桁架、矩形桁架。这些桁架中受力最合理的是三角桁架，该桁架适用于上端没有结构的悬挑部位，例如裙房或塔楼的屋顶部位。其次受力较为合理的是鱼腹桁架，再次是梯形和矩形桁架。

A、三角桁架设计时应注意以下几点：

①三角桁架的夹角尽量设计在15度左右，因为此时的受力和外室效果都比较合适；在夹角位置设置转接管，尽量避免尖角的存在；

②当三角桁架的高度大于6米时，应在桁架的背部设置横向稳定支承；

③三角桁架钢管外直径不宜大于壁厚的50倍，支管外直径不宜小于主管外直径的0.3倍。钢管壁厚不宜小于4mm，主管壁厚不应小于支管；

④三角桁架的表面要进行防锈处理，一般氟碳喷涂较多。

B、鱼腹桁架设计时应注意以下几点：

①鱼腹桁架的弦高一般取为跨度的1/12-1/15

②当鱼腹桁架的高度大于6米时，应在桁架的背部设置横向稳定支承；稳定支承的方法较多，可以是一个单管，可以是拉杆或拉索等。

③如果鱼腹桁架的上端与活动屋面相连接，那么上端的支座节点处理很关键，应做成联动杆形式，确保当活动屋面有位移时不要影响到幕墙。

④同三角桁架一样，鱼腹桁架的钢管外直径不宜大于壁厚的50倍，支管外直径不宜小于主管外直径的0.3倍。钢管壁厚不宜小于4mm，主管壁厚不应小于支管；

⑤桁架的表面要进行防锈处理，一般氟碳喷涂较多。

4、单索设计时应注意的问题：

①如果幕墙的高度小于15米，可以只设纵向索，而不设横向索（例如北京京剧院）。大于15米不设横向稳定索的工程目前还没有见到。

②记住一点：当幕墙设置横纵两个方向索时，那么短的那个索一定为粗索。本人曾做过实验，当长索为短索2倍以上时，短索承受70%以上的荷载。

③拉索的两端必须与一个非移动的主体相连，原因是：拉索是通过施加预紧力后才具有抵抗荷载的能力，如果支座移动了，那么预紧力就随之改变，受力体系就不复存在了！。例如，在两栋大楼之间想做一道有横向拉索的幕墙，这种幕墙不可能实现的！

④拉索初始预紧力的施加标准：初始预紧力为最小破断力的20%~30%。

⑤拉索的材料安全系数为1.8，设计时应把材料商提供的最小破断力除以1.8之后才是我们要用的设计值。

四．工程实例设计

本文通过一个工程实例来介绍单层索网玻璃幕墙的设计方法。本工程位于北京市朝阳区某地段，甲方想在大堂位置做一通透的幕墙，我把它设计成单层索网点式幕墙。下面介绍一下该幕墙的基本信息：幕墙的高度为12米，宽度为30米，玻璃采用中空玻璃，基本风压按照50年一遇考虑（w0=0.45KPA），地面粗超度为C类，8度抗震设防烈度，地震加速度为0.2g。最危险点标高为He=15.0米。幕墙的分格图如十五所示。

下面对本工程进行设计，设计共分以下步骤完成：

第一步：确定玻璃的厚度

考虑保温的要求，我们选用中空钢化LOW-E玻璃，玻璃的规格为宽X高=1500X3000mm。初步选用10+12A+10mm钢化中空玻璃，根据《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003给出的计算公式，计算玻璃的强度和挠度是否满足规范要求。计算如下：

（1）玻璃强度计算

风荷载标准值为

Wk＝βgZ·μs1·μz·Wo

＝1.991×1.2×0.74×0.45

＝0.796≤1所以取Wk＝1 KN／m2

水平分布地震作用标准值为

qEk＝βe·αmax·25.6·t·10-3＝5×0.16×25.6×22×10-3＝0.451KN／m2

中空玻璃把荷载分配到单片玻璃上分别计算：

Wk1 = 1.1×Wk×t13/(t13+t23)=0.697KN／m2

Wk2 = Wk×t23/(t13+t23)=0.367KN／m2

qEk1 = βe·αmax·25.6·t1·10-3=0.246KN／m2

qEk2 = βe·αmax·25.6·t2·10-3=0.205KN／m2

①风荷载作用下应力标准值按下式分别在两个单片玻璃上计算

σwk＝6·η·ψ1·Wk·b02/t2

式中:σwk风荷载作用下的应力标准值；

b0长边支撑点距离，(mm)；

t玻璃的厚度，(mm)；

ψ1弯曲系数，按a0/b0的值查表

η折减系数，查表

θ1＝(Wk1＋0.5·qEk1)·b04/(E·t14)

＝(0.697＋0.5×0.246)×10-3×24004/(0.72×105×124)

＝18.22

查表取η1＝0.9271

θ2＝(Wk2＋0.5·qEk2)·b04/(E·t24)

＝(0.367＋0.5×0.205)×10-3×24004/(0.72×105×104)

＝21.63

查表取η2＝0.9135

则σwk1＝6·η1·ψ1·Wk1·b02/t12

＝6×0.9271×0.1352×0.697×10-3×24002/122

＝20.97 N/mm2

σwk2＝6·η2·ψ1·Wk2·b02/t22

＝6×0.9135×0.1352×0.367×10-3×24002/102

＝15.66 N/mm2

②地震作用下应力标准值按下式分别在两个单片玻璃上计算

σEk＝6·η·ψ1·qEk·b02/t2

式中:σEk地震作用下的应力标准值；

η取风荷载作用下应力计算时的值

则σEk1＝6·η1·ψ1·qEk1·b02/t12

＝6×0.9271×0.1352×0.246×10-3×24002/122

＝7.4 N/mm2

σEk2＝6·η2·ψ1·qEk2·b02/t22

＝6×0.9135×0.1352×0.205×10-3×24002/102

＝8.75 N/mm2

③玻璃的应力组合设计值按下式分别在两个单片玻璃上计算

σ＝ψw·γw·σwk＋ψe·γe·σEk

则σ1＝ψw·γw·σwk1＋ψe·γe·σEk1

＝1.0×1.4×20.97＋0.5×1.3×7.4

＝34.17N/mm2≤fa＝84N/mm2

σ2＝ψw·γw·σwk2＋ψe·γe·σEk2

＝1.0×1.4×15.66＋0.5×1.3×8.75

＝27.61N/mm2≤fa＝84N/mm2，所以玻璃强度满足要求。

（2）玻璃挠度计算

风荷载标准值为：Wk＝1 KN/m2

玻璃跨中最大挠度为 μ＝η·ψ2·Wk·b04／Ｄ

玻璃板的弯曲刚度

Ｄ＝Ｅt3／(12(1-ν2))＝0.72×105×13.33／(12(1－0.22))

＝14703981.3 Ｎ·mm

式中：ν－泊松比，取ν＝0.2

Ｅ－玻璃弹性模量，取0.72×105 Ｎ／mm2

t －玻璃等效厚度 (mm)

t=0.95×(t13+t23)1/3

θ ＝ Wk·b04 /Et4＝1×10-3×24004／(0.72×105×13.34)＝14.7

查表取η = 0.9412

则玻璃的挠度

μ＝η·ψ2·Wk·b04／Ｄ

＝0.9412×0.0153×1×10-3×24004／14703981.3＝32.5 mm

式中：μ－玻璃跨中最大挠度 mm

ψ2－跨中最大挠度系数，由a0/b0查表

qk－玻璃所受荷载组合值(Ｎ／mm2)

a0短边支撑点距离，(mm)；

b0长边支撑点距离，(mm)；

μ/b0＝1/74≤1/60，所以玻璃挠度满足要求

第二步：确定拉索的直径

这一步很关键，如果没有丰富的设计经验很容易走向两个极端，其一是：施加预紧力太小，选择非常粗的断面，计算还不能通过；其二是：施加预紧力太大，已经临近破坏荷载了，这样一来很小的断面就能够满足受力的要求。这两种方法都是及其错误的。拉索是一种柔性材料，如果不给它施加预紧力，它就没有刚度，不具有抵抗荷载的能力，如果施加预紧力过大，当有外荷载作用时，就会造成拉索的破段，非常危险，所以计算时这个预紧力施加多少是个关键。通常来讲，索的初始预紧力施加到破坏荷载的20~30%是合适的。还要重申一点，这一点我在前文中已经提到了，当单层索网幕墙两个方向的尺寸相差较大时，短方向的那根一定是断面较大的索。

初步选横索直径为φ16mm,竖索直径为φ24mm，材质均为S316。竖索的长度L=12000mm，横索的长度H=30000mm。拉索的基本参数如下表所示：

表二 拉索参数设定

1）验算竖索在温度应力作用下是否松弛：

玻璃面材的重力荷载标准值为

DL=0.022×2560×10=564N/m2

每根竖索所承担的重力荷载面积为S=1.5×12=18m2

每根竖索所承担的重力荷载设计值

G=DL×S=564×1.2×18=12182N；

在重力荷载设计值作用下竖索的变形为

d1=G×L/(A×E)=12182×12000/（340.69×135000）=3.2mm

北京地区最大温差为T=80oC,在温差变化下拉索的伸长了

D2=T×α×L=80X1.5×10^-5×12000=6.4mm

拉索的初始变形为

D0=f×L/(A×E)=116040×12000/（340.69×135000）=30.3mm

由于d0>d1+d2,因此竖索不会松弛，初始预紧力满足要求。

2）验算拉索的挠度是否按照规范要求：

通过有限元软件ANSYS的分析，拉索在风荷载（标准值为WK=1.0KPA）和重力荷载作用下的最大挠度为187mm<L/60=12000/60=200mm,因此拉索的挠度满足规范要求，变形图如下图十六所示。

3）验算拉索的强度是否满足要求：

通过有限元软件ANSYS的分析，拉索在风荷载、重力荷载及地震荷载作用下拉索的最大拉力为Fj=182.24KN<Fs=214.89KN,因此拉索的强度满足要求，拉力图如下图十七所示。

第三步：不锈钢梅花夹的选择

面材和拉索的直径都确定之后，就可以选择成品的梅花夹了，我们选用坚朗公司J170A32产品，该产品所能夹持的玻璃最大厚度为36mm，而本工程玻璃的厚度为34mm，因此夹持厚度能够满足要求。该产品所能容纳的最大拉索直径为32mm，而本工程选用的拉索直径最大为24mm，因此拉索的直径能够满足要求。

第四步：关键节点的设计

根据前面的三个步骤，可以设计幕墙的典型横竖剖节点如下图十八和图十九所示。

通过上面四个步骤，单层索网幕墙的基本结构就设计完成了，当然，还有拉索与主体的连接及玻璃周边与其它幕墙的交接等内容由于文章篇幅的限值并没有一一介绍，但是，这不是问题，因为我们把幕墙的节本设计方法已经掌握了，无论再遇到什么样的结构，什么样的交接都会迎刃而解的。

五．结束语

本文以上内容介绍了点支式玻璃幕墙在设计中应注意的问题及通过一个幕墙设计实例来介绍点式幕墙。这些经验都是本人通过多年的实践总结出来的，希望能为幕墙设计人员在设计点支式玻璃幕墙提供一些设计思路和借鉴作用。