本文摘自：《建筑幕墻創新與發展》未經許可不得轉載
按文獻，在玻璃承重結構中，玻璃面板與玻璃肋通過結構膠或連接件共同作用協同變形，共同承擔外荷載。本文將使用有限元分析軟件ABAQUS，對玻璃面板在玻璃柱(梁)中所起的作用進行討論。首先討論連接材料(硅酮結構膠、環氧樹脂、鋼件)不同，是否影響玻璃面板對玻璃梁(柱)的作用;然后討論對玻璃梁(柱)起作用的玻璃面板寬度，最后提出，考慮玻璃面板作用時，玻璃梁(柱)的優化方案。
1 面板對玻璃梁的作用
1.1不同連接材料對面板作用的影響
玻璃構件均選用SGP夾膠半鋼化玻璃，玻璃梁使用了“犧牲層”[3]的保護概念，選用4×10mm厚4層夾膠玻璃，外層玻璃為保護層，即使破碎也不會對結構造成影響，內部2層玻璃為結構核心部分，參與結構驗算。面板層計算有效厚度（詞條“有效厚度”由行業大百科提供）時考慮SGP夾膠片的結構作用[4]。具體玻璃構件數據見表1。
為考慮連接材料對面板作用的影響，建立幾組模型方案。基準方案為不考慮面板的作用，只對玻璃肋進行建模。方案一連接材料為硅酮結構膠，由于硅酮結構膠需要注在玻璃肋保護層上，為摸擬這一點，在玻璃腹板（詞條“腹板”由行業大百科提供）的頂部添加兩邊長為10mm的方形，假設當玻璃保護層破碎，保護層邊緣的一小段玻璃板依然牢固地與玻璃柱核心部分粘結，能保證結構膠的完整性并能將荷載傳遞到玻璃柱核心部分。方案二連接材料為環氧樹脂[5]。方案三連接材料為鋼件，鋼連接件端部通過SGP夾層嵌入到玻璃肋中，與玻璃肋連接成共同受力的整體。
圖1 玻璃梁模型截面
ABAQUS模型中所有材料截面均使用實體單元，所以單元實體進行不刪除邊界整體組裝，使各材料截面組成一個整體運行分析。
圖2 玻璃梁應力圖
經ABAQUS有限元分析，各方案的應力變形圖見圖2，有關數值見表3。比較模型的分析結果，可得幾點結論：
當選用硅酮結構膠連接時，玻璃梁的最大應力值只下降了0.4%，最大撓度值只下降了11.1%，這是因為硅酮結構膠的彈性模量只有1.4MPa，遠小于玻璃的彈性模量72000MPa，在面板，玻璃肋和結構膠共同作用時，硅酮結構產生的應力值相當小，從而使面板在結構中不起作用。因此，面板對玻璃梁(簡支受彎構件)的強度（詞條“強度”由行業大百科提供）的作用趨向于零，對于剛度的作用稍大，但數值上也非常小，不足以在結構設計中考慮。
當選用環氧樹脂連接時，考慮面板作用，使玻璃梁的最大應力值下降了46%，最大撓度值下降了72.4%，表明提高連接材料的彈性模量，能使玻璃面板與玻璃肋的變形更加同步，面板對結構的作用提高。在結構設計時考慮面板對結構骨架的作用，可以提高玻璃材料的利用率，減少玻璃截面的尺寸。
當選用鋼件連接時，面板與玻璃肋的變形基本同位。考慮面板作用，使玻璃梁的最大應力值下降了45.2%，最大撓度值下降了75.1%。可見使用鋼件連接與環氧樹脂連接時，面板對玻璃梁的作用是相近的，但由于玻璃面板與玻璃肋之間選用環氧樹脂連接的方案在國內幾乎沒有，而鋼件連接的方案在國內常見，所以鋼件連接方案被推薦。
注：比較是指相應方案與基準方案比較，公式為(方案值—基準值)/基準值。
1.2 面板的有效寬度
1.2.1 環氧樹脂膠接時，面板的有效寬度
由圖3、圖4可見，當使用環氧樹脂膠接時，T型梁翼緣(面板)的應力分布并不均勻，其撓度最大值出現在翼緣外邊緣中點，數值上比腹板撓度最大值大8.7%。可見，結構設計時T型梁翼緣寬度不能直接選取面板的一半跨度，而需要按有效寬度選取。本小節將嘗試討論T型梁翼緣有效寬度的選取辦法。
圖3 T型梁翼緣的應力圖(環氧樹脂膠接)
圖4 T型梁翼緣的撓度圖(環氧樹脂膠接)
為討論T型梁翼緣有效寬度問題，本節將T型梁翼緣單邊寬度設置成以下幾個尺寸：828mm、700mm、600mm、500mm、400mm、300mm、200mm、100mm，觀察T型梁應力和撓度的變化情況。
由表4和圖5可見，當使用環氧樹脂膠接時，翼緣單邊寬度為100mm時，玻璃梁的應力比不考慮翼緣時降低了34.7%，撓度比不考慮翼緣時降低了55%。當翼緣單邊寬度為300mm時，玻璃梁各部件的最大應力值與最大撓度下降速度變緩，翼緣自由邊處的最大撓度值開始明顯大于玻璃梁中心軸處的撓度值，而且隨著翼緣單邊寬度增大，翼緣自由邊處的最大撓度值與玻璃梁中心軸處的撓度值的差距增大。因此，可以認為此T型玻璃梁的有效翼緣單邊寬度為300mm，即T型梁的最大應力為14.901MPa，最大撓度為2.497mm;與不考慮面板作用時最大應力為26.009MPa和最大撓度為7.580mm相比，分別下降42.7%和67.1%。
a) 玻璃梁的最大應力隨翼緣寬度的變化
b) 玻璃梁的最大撓度隨翼緣寬度的變化
圖5 玻璃梁的最大應力及最大撓度隨翼緣寬度的變化(環氧樹脂膠接)
1.2.2 鋼件連接時，面板的有效寬度
圖6 T型梁翼緣的應力圖(鋼件連接)
注：圖形不對稱，鋼件與玻璃肋偏心連接所致
圖7 T型梁翼緣的撓度圖(鋼件連接)
由圖6、圖7可見，當使用鋼件連接時，T型梁翼緣(面板)的應力分布并不均勻，其撓度最大值出現在翼緣外邊緣中點，數值上比腹板撓度最大值大7.2%。因此，與使用環氧樹脂膠接的情況一樣，鋼件連件時也應考慮T型梁翼緣的有效寬度。將玻璃翼緣(面板)單邊寬度設置為：828mm、700mm、600mm、500mm、400mm、300mm、200mm、100mm，以觀察T型梁最大應力值和撓度值隨翼緣寬度的變化情況。
由表5和圖8可見，當翼緣單邊寬度為200mm時，玻璃梁各部件的最大應力值與最大撓度下降速度變緩，翼緣自由邊處的最大撓度值開始明顯大于玻璃梁中心軸處的撓度值，而且隨著翼緣單邊寬度增大，翼緣自由邊處的最大撓度值與玻璃梁中心軸處的撓度值的差距增大。因此，可以認為此T型玻璃梁的有效翼緣單邊寬度為200mm，即考慮面板作用時，T型玻璃梁中的玻璃的最大應力為16.102MPa，最大撓度為2.534mm;與不考慮面板作用時最大應力為26.009MPa和最大撓度為7.580mm相比，分別下降了38.1%和66.6%.。
a) 玻璃梁的最大應力隨翼緣寬度的變化
b) 玻璃梁的最大撓度隨翼緣寬度的變化
圖8 玻璃梁的最大應力及最大撓度隨翼緣寬度的變化
1.2.3 小結
注：利用率是指數值與允許值的比較，下降率考慮面板作用最大應力(撓度)的下降的幅度。
經有限元分析，從T型梁翼緣(面板)的應力分布圖和撓度分布圖可知，翼緣(面板)的應力和變形是不均勻的，隨翼緣(面板)寬度增加，其變形變大，而對T型梁的作用減弱，因此在確認T型梁承載力設計值時，需要先確認翼緣(面板)的有效寬度。本節嘗試通過觀察改變翼緣(面板)的計算寬度對T型梁承載力的影響，確定翼緣(面板)的有效寬度。從表6可知，翼緣(面板)與腹板(玻璃肋)的連接材料不同，翼緣(面板)的有效寬度也不同，對T型梁承載力的作用也略有不同。當翼緣(面板)與腹板(玻璃肋)越同步，翼緣(面板)的作用越大，T型梁的承載能力越高。
1.3 玻璃梁的優化
從表6可見，當考慮面板作用，玻璃梁的利用率相對較底(不到60%)，因此需要對玻璃腹板(玻璃肋)進行優化，以減少玻璃用量，增加玻璃結構的使用空間。
本小節首先對環氧樹脂膠接的情況進行討論，對只改變腹板(玻璃肋)的高度，和先改變厚度再改變高度兩種情況進行建模分析。分析方法是，首翼緣(面板)單邊寬度為828時，改變腹板(玻璃肋)的尺寸，使T型梁的承載力的利用率達目標值(90%左右)。然后建立翼緣(面板)單邊寬度為：828mm、700mm、600mm、500mm、400mm、300mm、200mm、100mm的分析模型，確定相應的翼緣(面板)的有效寬度，最終確認T型梁優化方案。
經試運算，最終獲得兩個優化方案：優化方案一玻璃肋的核心截面為20mm厚×220mm高，優化方案二玻璃肋的核心截面為16mm厚×245mm高(即改用8mm玻璃原片)。運算結果見表7，當玻璃肋的原片由10mm改為8mm時，優化效果最好。因而使用同樣的方法，獲得鋼件連接時的優化方案，核心截面為16mm厚×250mm高，運算結果見表7。可見，考慮面板作用后，當最大應力相仿的情況下，玻璃肋的截面能減少，其中改變玻璃厚度的方法，能使玻璃肋的截面減少30%以上。由于環氧樹脂膠接是線性連接，其節約材料的效果更好。優化后的節點圖（詞條“節點圖”由行業大百科提供）見圖9和圖10。
注：利用率是數值與允許設計值的比值，應力設計值為28 MPa，撓度設計為25mm。節省率為與不考慮翼緣方案比，優化方案玻璃肋面積減少的比率。
圖9 優化后玻璃梁的連接圖(環氧樹脂膠接)
圖10 優化后玻璃梁的連接構造圖(鋼件連接)
2 面板對玻璃柱的作用
玻璃柱為懸挑壓彎構件，其截面和參數與玻璃梁基本相同，只是面板的有效厚度改為21mm。具體玻璃構件數據見表8。
經ABAQUS有限元分析，各方案的應力變形圖見圖11，有關數值見表9。比較模型的分析結果，可得幾點結論：
當選用硅酮結構膠連接時，面板對玻璃柱的作用，比對玻璃梁的作用要大，但數值上仍然較小。因此當選用硅酮結構膠連接時，不應考慮面板對玻璃柱的作用。
當選用環氧樹脂連接時，面板對玻璃柱的作用，沒有對玻璃梁的大，最大應力值下降了19%，最大撓度值下降了44%。
當選用鋼件連接時，面板對玻璃柱的作用比較明顯，情況與玻璃梁相似，最大應力值下降了46.5%，最大撓度值下降了76.5%。因此，對于懸挑壓彎構件，選用鋼件連接是較優方案。
圖11 玻璃柱應力圖
注：比較是指相應方案與基準方案比較，公式為(方案值—基準值)/基準值。
圖12 T型柱的應力與應變圖
由圖12可見，當環氧樹脂膠接或鋼件連接時，應變圖符合懸挑壓彎構件的變形規律，而T型柱的翼緣的應力分布不均勻，靠腹板處應力較大，隨跟腹板的距離增加，翼緣的應力明顯下降。因此仍然需要考慮翼緣(面板)的有效寬度。
由表10可見，當使用環氧樹脂膠接玻璃面板與玻璃肋時，面板對玻璃結構的作用非常明顯，當翼緣單邊寬度為100mm時，玻璃柱的應力比不考慮翼緣時降低了16.9%，撓度比不考慮翼緣時降低了37.7%。當翼緣單邊寬度為300mm時，玻璃柱各部件的最大應力值與最大撓度下降速度變緩，翼緣自由邊處的最大撓度值開始明顯大于玻璃柱中心軸處的撓度值，且隨著翼緣單邊寬度增大，翼緣自由邊處的最大撓度值與玻璃柱中心軸處的撓度值的差距增大。因此，可以認為此T型玻璃柱的有效翼緣單邊寬度為300mm，即T型柱的最大應力為26.648MPa，最大撓度為13.405mm;與不考慮面板作用時最大應力為32.784MPa和最大撓度為23.228mm相比，分別下降了18.7%和42.3%。
由表11可見，當使用鋼件連接玻璃面板與玻璃肋時，面板對玻璃結構的作用同樣明顯。可見，玻璃翼緣(面板)單邊的有效寬度應為200mm，相應的T型柱的玻璃的最大應力為19.193MPa，最大撓度為7.016mm;與原方案不考慮面板作用時最大應力為32.784MPa和最大撓度為23.228mm相比，分別下降了41%和70%。
由表12可見，當使用環氧樹脂膠接時，T型玻璃柱的利用僅為67%。當使用鋼件連接時，T型玻璃柱的利用僅為48%。因此建議對腹板進行優化。
注：利用率是指數值與允許值的比較，下降率考慮面板作用最大應力(撓度)的下降的幅度。
注：利用率是數值與允許設計值的比值，應力設計值為40 MPa，撓度設計為25mm。節省率為與不考慮翼緣方案比，優化方案玻璃肋面積減少的比率。
運用玻璃梁的優化方法對玻璃柱進行優化，獲得環氧樹脂膠接時只改變高度的優化方案一，核心截面為20mm厚×265mm高。環氧樹脂膠接時只改變厚度的優化方案二，核心截面為16mm厚×300mm高。以及鋼件連接時的優化方案三，核心截面為16mm厚×245mm高。具體數據見表13。可見，改變截面的厚度比高度更能節省材料，對于T型玻璃柱，鋼件連接比環氧樹脂膠接更能節省材料。優化后的方案節點圖見圖13和圖14。
圖13 優化后玻璃柱的連接圖(環氧樹脂膠接)
圖14 優化后玻璃柱的連接構造圖
3 本文小結
經分析，面板對玻璃梁(簡支梁)和玻璃柱(懸挑壓彎構件)的作用，取決于其連接材料彈性模量，面板與玻璃肋的協同變形情況。因而當硅酮結構膠膠接時，由于硅酮結構膠彈性模量過于小，導致面板在梁柱應力分析基本不起作用。當改為彈性模量較高的雙組份環氧樹脂結構膠連接時，面板在梁柱應力分析中作用明顯，能有效的降低梁柱的應力值。當使用鋼件連接時，面板的作用同樣明顯。對于玻璃柱，鋼件連接時的應力應變值比環氧樹脂結構膠連接時更顯優勢。
盡管按國外文獻[5]和上述分析，使用雙組份環氧樹脂結構膠連接，可以發揮面板對主體玻璃結構的作用，并能節省玻璃材料，但國內對雙組份環氧樹脂結構膠在建筑玻璃（詞條“建筑玻璃”由行業大百科提供）中尚無應用，即沒有相關的操作經驗，也沒有指導規程，更不了解氧樹脂結構膠接節點的受力情況、傳力機理以及使用壽命。因此，雙組份環氧樹脂結構膠在玻璃結構中的應用還需要更多的實驗分析和數據研究，目前還不能直接應用到實際工程中。
相反，鋼件彈性模量高，安生可靠性高，材料質量能保證，施工因素影響小，能保證玻璃面板與玻璃肋在荷載作用下，具有相同的變形情況。在全玻璃幕墻領域中，鋼件連接(包括點式和夾具式)的研發和應用已經比較成熟，可以把相關的經驗應用到玻璃承重結構當中，所以鋼件連接是玻璃結構發展的重要方向。
參考文獻
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