玻璃結(jié)構(gòu)研究與工程實(shí)踐簡述

　　1 引言

　　玻璃因?yàn)榫哂胁晒狻⒀b飾、耐久等特點(diǎn)，在建筑中被大量應(yīng)用已有多年的歷史。但是長期以來，建筑玻璃的應(yīng)用大多局限在外圍護(hù)構(gòu)件（詞條“構(gòu)件”由行業(yè)大百科提供）以及裝飾性構(gòu)件等次要受力構(gòu)件，例如門窗、幕墻等。近年來，隨著玻璃加工技術(shù)、設(shè)計(jì)技術(shù)的提高以及社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需要，玻璃在建筑中的應(yīng)用已不僅僅局限于圍護(hù)結(jié)構(gòu)，直接承受荷載的玻璃結(jié)構(gòu)成為建筑玻璃應(yīng)用的最新趨勢，一些玻璃結(jié)構(gòu)構(gòu)件（詞條“結(jié)構(gòu)構(gòu)件”由行業(yè)大百科提供）如玻璃梁和玻璃柱等在實(shí)際工程中陸續(xù)出現(xiàn)，有的建筑甚至全部采用玻璃結(jié)構(gòu)建造，例如美國蘋果公司在全球的多數(shù)專賣店。玻璃結(jié)構(gòu)建筑通透明亮、充滿現(xiàn)代感，受到人們的喜愛，玻璃作為一種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)材料越來越受到建筑業(yè)主和建筑師的重視。

　　國外從二十世紀(jì)晚期開始將玻璃結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究成果付諸工程實(shí)踐，建造了一系列知名的地標(biāo)性建筑。2010年歐洲標(biāo)準(zhǔn)化委員會發(fā)布?xì)W洲規(guī)范的未來編制任務(wù)，計(jì)劃將玻璃結(jié)構(gòu)納入歐洲規(guī)范，并在2014年歐盟委員會聯(lián)合研究中心編寫了《歐洲玻璃構(gòu)件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南》[1]，為玻璃結(jié)構(gòu)提供了通用的設(shè)計(jì)方法，希望通過試用和評估后納入新的歐洲規(guī)范。我國玻璃結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的研究與工程實(shí)踐雖然仍處于起步階段，但近年來有關(guān)科研院所及高校亦已開展了部分構(gòu)件及節(jié)點(diǎn)的研究工作，取得了一系列重要科研成果和關(guān)鍵技術(shù)儲備，住房城鄉(xiāng)建設(shè)部曾于2014 年將玻璃結(jié)構(gòu)正式納入了房屋建筑部分的工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體系，我國目前已經(jīng)初步具備了開展玻璃結(jié)構(gòu)工程實(shí)踐的條件。

　　本文首先對國內(nèi)外玻璃結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的重要研究進(jìn)展進(jìn)行評述，包括夾層玻璃在面內(nèi)、面外不同受力情況下的力學(xué)性能研究，以及機(jī)械連接、結(jié)構(gòu)膠粘接（詞條“粘接”由行業(yè)大百科提供）連接、混合連接三種節(jié)點(diǎn)的傳力機(jī)理研究，簡要介紹了梵高博物館新入口大廳、蘋果旗艦店等若干具有代表性的玻璃結(jié)構(gòu)工程應(yīng)用，探討了未來玻璃結(jié)構(gòu)研究工作仍需關(guān)注的關(guān)鍵問題，為從事科研人員與工程技術(shù)人員提供參考。

　　2 玻璃結(jié)構(gòu)的研究工作

　　2.1 構(gòu)件研究

　　由于玻璃本身為脆性材料，為防止玻璃構(gòu)件突然脆斷和碎片墜落傷人，玻璃結(jié)構(gòu)構(gòu)件一般均采用夾層玻璃。

　　國外不晚于20世紀(jì)70年代即開始了建筑用夾層玻璃的受力性能研究工作[2]，迄今為止已對其在受彎、受剪、承壓等基本的受力性能方面進(jìn)行了較為全面的研究。研究發(fā)現(xiàn)了夾層玻璃的受力性能與中間層膠片的受剪性能的相關(guān)性，建立了不同受力形式下夾層玻璃構(gòu)件的分析模型，并提出了相應(yīng)的設(shè)計(jì)方法。Wölfel[3]在1987年首次提出了等效厚度的概念，將夾層玻璃轉(zhuǎn)化為具有等效彎曲（詞條“彎曲”由行業(yè)大百科提供）常量的單片玻璃板，用以分析承受面外荷載的夾層玻璃。近年來Galuppi等[4][5]采用能量變分原理提出了增強(qiáng)等效厚度法，用以對不同邊界和荷載條件下的多層夾層玻璃進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)。Bedon,Amadio[6]基于等效厚度法和數(shù)值模擬參數(shù)分析研究了四邊支承夾層玻璃板面內(nèi)受剪屈曲行為。Amadio和Bedon[7][8][9]基于Newmark組合梁理論研究了環(huán)境溫度、受荷時長、初始缺陷等因素對夾層玻璃受彎、承壓等方面承載性能的影響，并給出了設(shè)計(jì)建議。Machado-E-Costa等[10]基于“三明治”模型提出了多層夾層玻璃的等效彎曲剛度（詞條“剛度”由行業(yè)大百科提供）和扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式。Bedon、Belis及Luible[11]根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)對已有夾層玻璃的分析方法進(jìn)行了比對，包括“三明治”模型、Newmark理論及等效厚度法公式等，發(fā)現(xiàn)幾種計(jì)算方法在給定溫度和受荷時長條件下均能得到較為準(zhǔn)確的預(yù)測值。Bedon等人[12][13]根據(jù)鋼梁彈性約束側(cè)扭屈曲理論，采用數(shù)值模擬研究了彈性約束單片玻璃梁面內(nèi)受彎的側(cè)扭屈曲行為。

　　國內(nèi)學(xué)者對夾層玻璃的研究起步相對較晚，但近年來隨著實(shí)際工程中夾層玻璃直接受力的案例逐漸增多，對其受力性能的研究也漸成熱點(diǎn)。石永久等[14]用有限差分法研究了點(diǎn)支式PVB夾層玻璃板的荷載-位移關(guān)系，建議PVB（詞條“PVB”由行業(yè)大百科提供）夾層玻璃板的剪切變形在設(shè)計(jì)中不可忽略。殷永煒等[15]對四點(diǎn)支承的PVB夾層玻璃板進(jìn)行了室溫條件下180天持荷試驗(yàn)。陶志雄等[16]試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，四邊簡支的PVB夾層玻璃板的承載能力隨溫度的升高而降低。龐世紅等[17]試驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，四邊簡支的PVB夾層玻璃板的等效厚度隨膠層厚度增加而降低。黃小坤等[18][19][20]試驗(yàn)研究了兩端簡支PVB、SGP夾層玻璃板在不同溫度、受荷時長下的面外彎曲性能，以及四邊支承夾層玻璃板彎曲性能，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PVB夾層玻璃板彎曲應(yīng)力及撓度受溫度及持荷時長的影響較大，室溫下徐變效應(yīng)顯著，而SGP夾層玻璃板受溫度和持荷時長影響較小，指出四邊支承PVB夾層玻璃板因受大撓度效應(yīng)影響荷載-撓度曲線呈非線性變化，而四邊支承SGP夾層玻璃板受大撓度效應(yīng)影響較小且剛度與承載力均隨膠層厚度增加而增加。劉強(qiáng)等[21]針對多夾層玻璃柱進(jìn)行了軸壓試驗(yàn)研究，夾層玻璃柱屈曲破壞后均無明顯殘余承載力，并基于試驗(yàn)和有限元（詞條“有限元”由行業(yè)大百科提供）數(shù)值分析結(jié)果分別建立了夾層退火玻璃柱在短期、長期荷載條件下的設(shè)計(jì)曲線。

　　2.2 連接研究

　　玻璃結(jié)構(gòu)中典型的連接方式一般有機(jī)械連接、結(jié)構(gòu)膠粘接連接以及將二者同時采用的混合連接等三種方式。其中機(jī)械連接一般是通過螺栓進(jìn)行連接，分為承壓型螺栓連接和摩擦型螺栓連接;結(jié)構(gòu)膠粘接連接主要是采用結(jié)構(gòu)膠將玻璃與其他材料進(jìn)行粘接，形成連接節(jié)點(diǎn);混合連接節(jié)點(diǎn)主要是綜合機(jī)械連接及膠結(jié)連接的特點(diǎn)，在連接部位由金屬件與結(jié)構(gòu)膠共同形成節(jié)點(diǎn)區(qū)。

　　目前國外學(xué)者對玻璃結(jié)構(gòu)中的幾種典型連接方式的研究較為全面。Baitinger, Feldmann[22],[23]基于彈性力學(xué)理論，研究了承壓型螺栓連接節(jié)點(diǎn)處玻璃應(yīng)力（詞條“應(yīng)力”由行業(yè)大百科提供）分布，并提出一種簡化的承壓型螺栓節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)公式。Bernard和Daudeville[24]研究了基于退火玻璃和鋼化玻璃的摩擦型螺栓連接的受力性能，發(fā)現(xiàn)螺栓扭矩及墊層摩擦系數(shù)對節(jié)點(diǎn)應(yīng)力分布及破壞模態(tài)有顯著影響。Campione等[25]研究了通過角鋼與螺栓對接連接夾層玻璃構(gòu)件的節(jié)點(diǎn)受力性能，該節(jié)點(diǎn)能實(shí)現(xiàn)半剛性連接，但螺栓孔附近存在應(yīng)力集中易發(fā)生脆性破壞。Beils等[26]研究了用以連接夾層玻璃構(gòu)件的摩擦型螺栓節(jié)點(diǎn)受溫度、墊圈材料的影響，比較了各因素變化對螺栓預(yù)壓（詞條“預(yù)壓”由行業(yè)大百科提供）力的影響，探討了其對節(jié)點(diǎn)處摩擦力值的影響規(guī)律。Machalická和Eliášová[27]研究了不同基材、不同結(jié)構(gòu)膠種類、不同膠層厚度、不同表面處理及老化效應(yīng)等條件對膠接連接的影響規(guī)律，發(fā)現(xiàn)對玻璃表面磨砂處理能提升粘結(jié)強(qiáng)度，粘結(jié)強(qiáng)度隨膠層厚度增加而降低。Overend等[28]研究了硅酮膠（詞條“硅酮膠”由行業(yè)大百科提供）、聚氨酯膠、環(huán)氧膠、兩組分丙烯酸酯膠、紫外固化丙烯酸酯膠等幾種結(jié)構(gòu)膠的剛度、強(qiáng)度等力學(xué)性能。Santarsiero等[29][30]研究了考慮溫度和應(yīng)變率時兩種高溫粘接型(SGP、TSSA)膠材的拉伸性能以及粘接玻璃-不銹鋼的節(jié)點(diǎn)受剪性能，得到了不同溫度、應(yīng)變速率下膠材的工程應(yīng)力-應(yīng)變曲線，并給出了節(jié)點(diǎn)的抗剪承載力計(jì)算公式。Carvalho等[31]、Puller和Sobek[32]、Zangenberg等[33]研究了夾層玻璃中金屬植入型混合連接節(jié)點(diǎn)的受力性能，研究的參數(shù)包括金屬材料類型、膠結(jié)材料類型、溫度、加載速率、受力方式等。

　　目前國內(nèi)學(xué)者對于玻璃結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)研究工作較少，主要研究仍限于玻璃幕墻領(lǐng)域，節(jié)點(diǎn)形式與膠結(jié)材料單一，尚未形成系統(tǒng)的成果。賴衛(wèi)中[34]針對玻璃肋支撐體系點(diǎn)支式幕墻的硅酮結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)破壞問題對現(xiàn)有規(guī)范設(shè)計(jì)要求進(jìn)行了探討，提出了避免該類隱患的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)公式和構(gòu)造設(shè)計(jì)方法。黎雪[35]提出了一種玻璃采光頂結(jié)構(gòu)形式，在該結(jié)構(gòu)體系基礎(chǔ)上提出了在玻璃間的硅酮結(jié)構(gòu)密封膠中設(shè)置鋼墊塊來傳遞壓力的節(jié)點(diǎn)構(gòu)造形式，減小在節(jié)點(diǎn)處傳力集中或應(yīng)力集中現(xiàn)象，采用數(shù)值模擬分析了節(jié)點(diǎn)傳力性能。張冠琦等[36]試驗(yàn)研究了尺寸、養(yǎng)護(hù)時間對硅酮結(jié)構(gòu)密封膠拉伸粘結(jié)性影響，提出了既有幕墻硅酮結(jié)構(gòu)密封膠性能再粘接試驗(yàn)檢測方法，能判斷其強(qiáng)度、可靠性（詞條“可靠性”由行業(yè)大百科提供）及老化程度。王綜軼等[37]針對中微子探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了一種有機(jī)玻璃與不銹鋼連接節(jié)點(diǎn)，通過試驗(yàn)研究了節(jié)點(diǎn)承載力及長期荷載下受力性能。

　　3 玻璃結(jié)構(gòu)的工程實(shí)踐

　　目前結(jié)構(gòu)玻璃主要應(yīng)用于房屋建筑的樓板、屋蓋、墻體、樓梯、雨棚等部件以及過街天橋、觀光棧道等設(shè)施，也有一些全玻璃結(jié)構(gòu)建筑。

　　國外在20世紀(jì)80年代開始嘗試玻璃結(jié)構(gòu)的工程應(yīng)用，比如1984年由荷蘭人Jan benthem和MelsCrouwel建造的承重全玻璃幕墻結(jié)構(gòu)（詞條“玻璃幕墻結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供）。意大利米蘭的建筑與玻璃設(shè)計(jì)師組合Santambrogio ( Carlo Santambrogio和EnnioArosic)設(shè)計(jì)的兩套全玻璃建筑(圖3.1)，由玻璃肋與玻璃板組成T型截面柱，玻璃梁與玻璃柱通過螺栓連接形成框架結(jié)構(gòu)體系，建筑內(nèi)部的玻璃樓梯、玻璃茶幾、玻璃柜、玻璃床等，均通過螺栓拼接而成。

　　2015年開放的梵高博物館新入口大廳(圖3.2)是由KishoKurokawa建筑事務(wù)所、Hans van Heeswijk建筑事務(wù)所和Octatube結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師合作完成，是目前荷蘭最大玻璃結(jié)構(gòu)大廳。入口大廳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是由球形玻璃屋蓋、冷彎（詞條“冷彎”由行業(yè)大百科提供）玻璃幕墻及鋼結(jié)構(gòu)組成的混合結(jié)構(gòu)（詞條“混合結(jié)構(gòu)”由行業(yè)大百科提供），玻璃樓梯由玻璃拱門支撐。玻璃屋蓋由不同尺寸的隔熱玻璃及夾層玻璃單元組成，并通過SG多夾層玻璃肋支撐，最大加勁肋長12m，高700mm。玻璃梁與主鋼框架膠結(jié)連接，為玻璃屋蓋提供支撐。弧形幕墻由冷彎隔熱玻璃單元組成，通過20個不同的三夾層玻璃加勁肋固定，加勁肋最長尺寸為9.4m，幕墻最小彎曲半徑為11.5m[39]。

　　François Fontès在2017年設(shè)計(jì)建造的法國蒙皮利埃醫(yī)學(xué)院外立面采用了玻璃肋約束的玻璃幕墻(圖3.3)，玻璃板最大尺寸為3.8m×2.8m，玻璃肋高達(dá)12.71m，采用鈦金屬植入式節(jié)點(diǎn)連接來保證結(jié)構(gòu)橫向屈曲及地震荷載下的穩(wěn)定性[40]。

　　蘋果公司在全球范圍建造了一系列玻璃結(jié)構(gòu)作品(圖3.4)。2006年開業(yè)的美國紐約第五大道蘋果旗艦店的入口大廳為邊長10m的純玻璃立方體，由多夾層玻璃肋和玻璃墻通過金屬植入式節(jié)點(diǎn)連接共同承重。2014年開業(yè)的土耳其伊斯坦布爾佐魯中心蘋果旗艦店，布置有一個全玻璃墻承重建筑，由四個寬10m、高3m的SGP多夾層鋼化玻璃利用結(jié)構(gòu)硅酮膠連接構(gòu)成。2017年開業(yè)的昆明蘋果旗艦店由8組5.4米高的U型SGP多夾層玻璃柱承重，支撐著直徑20.9米的碳纖維增強(qiáng)聚合物屋頂。2017年開放的美國蘋果總部大樓的喬布斯劇院，直徑47m的碳纖維屋頂由高7m的彎曲玻璃板組成的圓柱體支撐，是目前世界上最大的玻璃支撐結(jié)構(gòu)，考慮到抗震設(shè)計(jì)（詞條“抗震設(shè)計(jì)”由行業(yè)大百科提供），玻璃板通過結(jié)構(gòu)硅酮膠固定在傳遞地震能量的鋼槽中，使玻璃能適應(yīng)地震引起的位移，從而保證整體結(jié)構(gòu)的完整性和魯棒性[41]。

　　4 展望

　　近年來玻璃結(jié)構(gòu)相關(guān)研究在國內(nèi)外取得了很多重要進(jìn)展，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法日益豐富和完善，但玻璃結(jié)構(gòu)體系在工程應(yīng)用中仍存在諸多問題，在未來的研究工作中，還需關(guān)注以下問題：

　　(1) 玻璃節(jié)點(diǎn)承載力及延性性能提升技術(shù)。單一玻璃板開裂前承載能力以及開裂后殘余承載能力均較低，因此對多材料組合截面、多板件組合截面等新型構(gòu)件形式的研究成為必然。

　　(2) 玻璃結(jié)構(gòu)性能受環(huán)境和荷載耦合作用的劣化機(jī)理研究。玻璃結(jié)構(gòu)中使用的高分子有機(jī)膠材易在環(huán)境和荷載耦合作用下發(fā)生劣化，導(dǎo)致相關(guān)構(gòu)件和節(jié)點(diǎn)的力學(xué)性能和破壞模態(tài)發(fā)生變化，因此相應(yīng)的耐久性（詞條“耐久性”由行業(yè)大百科提供）評估、改善方法和構(gòu)造措施還需進(jìn)一步研究。

　　(3) 玻璃結(jié)構(gòu)的抗震、防災(zāi)減災(zāi)相關(guān)機(jī)理及設(shè)計(jì)方法。該領(lǐng)域是建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的必要環(huán)節(jié)，但目前玻璃結(jié)構(gòu)相關(guān)的研究工作非常匱乏，無法形成系統(tǒng)的指導(dǎo)工程設(shè)計(jì)的系統(tǒng)方法，因此是未來研究所需關(guān)注的重點(diǎn)。

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