玻璃結構研究與工程實踐簡述

　　1 引言

　　玻璃因為具有采光、裝飾、耐久等特點，在建筑中被大量應用已有多年的歷史。但是長期以來，建筑玻璃的應用大多局限在外圍護構件（詞條“構件”由行業(yè)大百科提供）以及裝飾性構件等次要受力構件，例如門窗、幕墻等。近年來，隨著玻璃加工技術、設計技術的提高以及社會經濟發(fā)展的需要，玻璃在建筑中的應用已不僅僅局限于圍護結構，直接承受荷載的玻璃結構成為建筑玻璃應用的最新趨勢，一些玻璃結構構件（詞條“結構構件”由行業(yè)大百科提供）如玻璃梁和玻璃柱等在實際工程中陸續(xù)出現(xiàn)，有的建筑甚至全部采用玻璃結構建造，例如美國蘋果公司在全球的多數(shù)專賣店。玻璃結構建筑通透明亮、充滿現(xiàn)代感，受到人們的喜愛，玻璃作為一種獨特的結構材料越來越受到建筑業(yè)主和建筑師的重視。

　　國外從二十世紀晚期開始將玻璃結構領域的研究成果付諸工程實踐，建造了一系列知名的地標性建筑。2010年歐洲標準化委員會發(fā)布歐洲規(guī)范的未來編制任務，計劃將玻璃結構納入歐洲規(guī)范，并在2014年歐盟委員會聯(lián)合研究中心編寫了《歐洲玻璃構件結構設計指南》[1]，為玻璃結構提供了通用的設計方法，希望通過試用和評估后納入新的歐洲規(guī)范。我國玻璃結構領域的研究與工程實踐雖然仍處于起步階段，但近年來有關科研院所及高校亦已開展了部分構件及節(jié)點的研究工作，取得了一系列重要科研成果和關鍵技術儲備，住房城鄉(xiāng)建設部曾于2014 年將玻璃結構正式納入了房屋建筑部分的工程建設標準體系，我國目前已經初步具備了開展玻璃結構工程實踐的條件。

　　本文首先對國內外玻璃結構領域的重要研究進展進行評述，包括夾層玻璃在面內、面外不同受力情況下的力學性能研究，以及機械連接、結構膠粘接（詞條“粘接”由行業(yè)大百科提供）連接、混合連接三種節(jié)點的傳力機理研究，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構工程應用，探討了未來玻璃結構研究工作仍需關注的關鍵問題，為從事科研人員與工程技術人員提供參考。

　　2 玻璃結構的研究工作

　　2.1 構件研究

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

　　國外不晚于20世紀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性，建立了不同受力形式下夾層玻璃構件的分析模型，并提出了相應的設計方法。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行分析與設計。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，并給出了設計建議。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）和扭轉剛度計算公式。Bedon、Belis及Luible[11]根據(jù)試驗數(shù)據(jù)對已有夾層玻璃的分析方法進行了比對，包括“三明治”模型、Newmark理論及等效厚度法公式等，發(fā)現(xiàn)幾種計算方法在給定溫度和受荷時長條件下均能得到較為準確的預測值。Bedon等人[12][13]根據(jù)鋼梁彈性約束側扭屈曲理論，采用數(shù)值模擬研究了彈性約束單片玻璃梁面內受彎的側扭屈曲行為。

　　國內學者對夾層玻璃的研究起步相對較晚，但近年來隨著實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。石永久等[14]用有限差分法研究了點支式PVB夾層玻璃板的荷載-位移關系，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計中不可忽略。殷永煒等[15]對四點支承的PVB夾層玻璃板進行了室溫條件下180天持荷試驗。陶志雄等[16]試驗研究發(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，試驗發(fā)現(xiàn)PVB夾層玻璃板彎曲應力及撓度受溫度及持荷時長的影響較大，室溫下徐變效應顯著，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影響較小且剛度與承載力均隨膠層厚度增加而增加。劉強等[21]針對多夾層玻璃柱進行了軸壓試驗研究，夾層玻璃柱屈曲破壞后均無明顯殘余承載力，并基于試驗和有限元（詞條“有限元”由行業(yè)大百科提供）數(shù)值分析結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計曲線。

　　2.2 連接研究

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

　　目前國外學者對玻璃結構中的幾種典型連接方式的研究較為全面。Baitinger, Feldmann[22],[23]基于彈性力學理論，研究了承壓型螺栓連接節(jié)點處玻璃應力（詞條“應力”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)點設計公式。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)點應力分布及破壞模態(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件的節(jié)點受力性能，該節(jié)點能實現(xiàn)半剛性連接，但螺栓孔附近存在應力集中易發(fā)生脆性破壞。Beils等[26]研究了用以連接夾層玻璃構件的摩擦型螺栓節(jié)點受溫度、墊圈材料的影響，比較了各因素變化對螺栓預壓（詞條“預壓”由行業(yè)大百科提供）力的影響，探討了其對節(jié)點處摩擦力值的影響規(guī)律。Machalická和Eliášová[27]研究了不同基材、不同結構膠種類、不同膠層厚度、不同表面處理及老化效應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強度，粘結強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構膠的剛度、強度等力學性能。Santarsiero等[29][30]研究了考慮溫度和應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)點受剪性能，得到了不同溫度、應變速率下膠材的工程應力-應變曲線，并給出了節(jié)點的抗剪承載力計算公式。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)點的受力性能，研究的參數(shù)包括金屬材料類型、膠結材料類型、溫度、加載速率、受力方式等。

　　目前國內學者對于玻璃結構節(jié)點研究工作較少，主要研究仍限于玻璃幕墻領域，節(jié)點形式與膠結材料單一，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支式幕墻的硅酮結構膠粘結破壞問題對現(xiàn)有規(guī)范設計要求進行了探討，提出了避免該類隱患的節(jié)點設計公式和構造設計方法。黎雪[35]提出了一種玻璃采光頂結構形式，在該結構體系基礎上提出了在玻璃間的硅酮結構密封膠中設置鋼墊塊來傳遞壓力的節(jié)點構造形式，減小在節(jié)點處傳力集中或應力集中現(xiàn)象，采用數(shù)值模擬分析了節(jié)點傳力性能。張冠琦等[36]試驗研究了尺寸、養(yǎng)護時間對硅酮結構密封膠拉伸粘結性影響，提出了既有幕墻硅酮結構密封膠性能再粘接試驗檢測方法，能判斷其強度、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構設計了一種有機玻璃與不銹鋼連接節(jié)點，通過試驗研究了節(jié)點承載力及長期荷載下受力性能。

　　3 玻璃結構的工程實踐

　　目前結構玻璃主要應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、觀光棧道等設施，也有一些全玻璃結構建筑。

　　國外在20世紀80年代開始嘗試玻璃結構的工程應用，比如1984年由荷蘭人Jan benthem和MelsCrouwel建造的承重全玻璃幕墻結構（詞條“玻璃幕墻結構”由行業(yè)大百科提供）。意大利米蘭的建筑與玻璃設計師組合Santambrogio ( Carlo Santambrogio和EnnioArosic)設計的兩套全玻璃建筑(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構體系，建筑內部的玻璃樓梯、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建筑事務所、Hans van Heeswijk建筑事務所和Octatube結構設計師合作完成，是目前荷蘭最大玻璃結構大廳。入口大廳結構設計是由球形玻璃屋蓋、冷彎（詞條“冷彎”由行業(yè)大百科提供）玻璃幕墻及鋼結構組成的混合結構（詞條“混合結構”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年設計建造的法國蒙皮利埃醫(yī)學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12.71m，采用鈦金屬植入式節(jié)點連接來保證結構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構作品(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構硅酮膠連接構成。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構，考慮到抗震設計（詞條“抗震設計”由行業(yè)大百科提供），玻璃板通過結構硅酮膠固定在傳遞地震能量的鋼槽中，使玻璃能適應地震引起的位移，從而保證整體結構的完整性和魯棒性[41]。

　　4 展望

　　近年來玻璃結構相關研究在國內外取得了很多重要進展，結構設計方法日益豐富和完善，但玻璃結構體系在工程應用中仍存在諸多問題，在未來的研究工作中，還需關注以下問題：

　　(1) 玻璃節(jié)點承載力及延性性能提升技術。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件形式的研究成為必然。

　　(2) 玻璃結構性能受環(huán)境和荷載耦合作用的劣化機理研究。玻璃結構中使用的高分子有機膠材易在環(huán)境和荷載耦合作用下發(fā)生劣化，導致相關構件和節(jié)點的力學性能和破壞模態(tài)發(fā)生變化，因此相應的耐久性（詞條“耐久性”由行業(yè)大百科提供）評估、改善方法和構造措施還需進一步研究。

　　(3) 玻璃結構的抗震、防災減災相關機理及設計方法。該領域是建筑結構設計的必要環(huán)節(jié)，但目前玻璃結構相關的研究工作非常匱乏，無法形成系統(tǒng)的指導工程設計的系統(tǒng)方法，因此是未來研究所需關注的重點。

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