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玻璃幕墙的出现已有一百多年,在国内,玻璃幕墙的发展也有二十多年历史。近年来,由于国家经济的迅速发展,玻璃幕墙在国内得到了前所未有的飞速发展。随着人们思想观念的发展,玻璃幕墙朝着通透化、轻型化的方向发展。全玻璃幕墙以其良好的建筑效果以及无与伦比的通透性,越来越受到建筑师们的青睐,应用非常广泛。
随着玻璃幕墙的发展,国内高校和科研院所对玻璃幕墙的研究也越来越多,既有理论研究也有试验研究。然而,目前的研究主要集中在幕墙面板玻璃。这些研究大多都从材料的角度出发,研究玻璃受荷载作用时截面的应力以及变形等规律。很少有研究从整个结构或构件的角度对幕墙进行研究。并且相当多研究也都只是将玻璃看作是一种纯粹的围护结构,对用作承重构件的玻璃的研究很少。
随着玻璃制造工艺的发展,玻璃的性能越来越好。玻璃钢化技术发明以后,玻璃的强度得到大大的提高。这使得玻璃在建筑中扮演的角色实现改变成为可能。在玻璃强度得到保证的前提下,玻璃开始逐渐被人们用来作为承重构件。现在,我们在建筑中时常可以看到用作承重构件的玻璃。全玻璃幕墙中的玻璃肋就是典型的例子。全玻璃幕墙面板所受的荷载首先传到玻璃肋,再由玻璃肋传给主体结构。玻璃肋的跨长一般都相当大,特别是点连接玻璃肋。与玻璃肋的跨长相比,玻璃肋厚度非常小。既长且薄的几何特点使得玻璃肋的侧向刚度很小,在没有侧向支撑的条件下极易发生平面外的失稳。目前,国内对于全玻璃幕墙稳定的研究还处于起步阶段。现有规范对于玻璃肋稳定的设计也未给出有效的指导。现有的理论及研究水平对全玻璃幕墙的发展已经产生了制约。本文内容就是对全玻璃幕墙稳定的一些问题进行研究。笔者希望通过本文的工作对全玻璃幕墙的稳定研究起推动作用,同时能给实际工程设计提供一些有效的参考。
在现有规范中,因未给出玻璃肋屈曲临界荷载计算式,所以对玻璃肋是否会发生失稳无法进行判断。虽然町以借助有限元软件对玻璃肋进行稳定分析,但这对于从事幕墙工程设计的普通设计人员来说,显然具有相当大的困难。提出一个有效的临界荷载计算式非常重要。在本文中,笔者根据点连接玻璃肋的实际受力边界特点,首先将点连接玻璃肋简化成一受多个集中荷载作用的简支梁受力模型。之后,笔者以薄壁杆件的有关理论为基础,采用简支梁受力模型,通过理论推导提出了点连接玻璃肋发生平面外失稳的临界荷载计算式。将该式得到的结果与ANSYS数值分析解进行了比较——二者吻合相当好。可见,本文得到的计算式是正确的,其结果是可靠的。对于胶接玻璃肋,既可以简化成一长边受侧向支撑的简支梁,也可以看成一块三边简支板。本文笔者联合运用梁和板的受力模型以及相关知识,通过理论推导也提出了胶接玻璃肋屈曲临界荷载的计算式。同样,通过与ANSYS数值分析解比较验证了该计算式的正确性。
对于全玻璃幕墙稳定的变化规律本文亦做了有关的研究。玻璃肋稳定的影响因素包括玻璃肋自身的几何尺寸,如玻璃肋的跨高比和玻璃肋的厚度等。此外,驳接爪连接件的安装位置也会对点连接玻璃肋的稳定产生影响。本文中,作者以合理的有限元分析模型,运用有限元分析软件对全玻璃幕墙稳定的影响因素进行了研究分析。全玻璃幕墙的稳定性随着玻璃肋厚度的增加或跨高比的减小而提高。驳接爪连接件的安装位置尽量靠近剪心。同时,根据变化规律提出了一些提高稳定的方法。通过比较知道要提高稳定性,增加玻璃肋厚度比减小跨高比更好。
实际工程中的玻璃肋的稳定还受到玻璃肋初始缺陷的影响。实际构件由于制造、施工等的因素总会给实际构件带来一定的初始缺陷。对实际结构进行非线性稳定分析是非常必要的。全玻璃幕墙存在的缺陷可能有几何模型的缺陷和荷载的缺陷等。本文中,笔者借助有限元分析软件对全玻璃幕墙的进行非线性稳定分析,研究缺陷对全玻璃幕墙稳定的影响。通过分析得到,胶接玻璃肋对缺陷相当敏感,实际分析中必须考虑缺陷的影响;而缺陷对点连接玻璃肋的稳定性影响相对而言更小。