超大玻璃穩(wěn)定性分析

劉耀峰 奧雅納工程咨詢（上海）有限公司

1 簡(jiǎn)介

本文以某項(xiàng)目塔樓大堂的超大玻璃為背景進(jìn)行分析，情況如下：面板尺寸為16m（高）×3.6m（寬），面板玻璃配置為[12mm+2.28SGP+12mm]+19A+[12mm+2.28SGP+12mm]超白中空雙夾層半鋼化玻璃，立柱采用600mm×120mm×20mm-S22053雙相不銹鋼，副框采用90mm×40mm×6mm鋁合金矩形管，鋁合金副框與立柱之間采用十字形S22053雙相不銹鋼（立柱上均勻分布8個(gè)）連接，標(biāo)準(zhǔn)連接節(jié)點(diǎn)如圖1。風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為2kPa。采用有限元軟件MIDAS/Gen整體建模分析。

圖1

2 模型說明

（1）面板為殼單元，桿件為梁?jiǎn)卧７治瞿Ｐ腿鐖D2（整體模型）、圖3（內(nèi)、外層面板）、圖4（立柱）、圖5（鋁管副框）、圖6（不銹鋼轉(zhuǎn)接件）。

圖2

圖3

圖4

圖5

圖6

（2）結(jié)構(gòu)膠采用彈簧單元。合片結(jié)構(gòu)膠（圖7）寬度27mm，厚度19mm，玻璃網(wǎng)格200mm×200mm，模型為彈性連接。結(jié)構(gòu)膠模量為0.8N/mm2～2.3N/mm2，現(xiàn)取值1N/mm2。根據(jù)正向力×厚度/[E（彈性模量）×A（面積）]=伸長(zhǎng)量，每個(gè)節(jié)點(diǎn)水平彈性連接的彈性系數(shù)為1N/mm2×200mm×27mm×1mm/（19mm×1mm）=284.2N/mm（圖8），另兩個(gè)方向的彈性系數(shù)各取正向彈性系數(shù)的1/20，為14.2N/mm。內(nèi)層玻璃與副框之間的結(jié)構(gòu)膠（圖7）寬度為37mm，厚度為16mm，每個(gè)節(jié)點(diǎn)水平方向彈性連接的彈性系數(shù)為1N/mm2×200mm×37mm×1mm/（16mm×1mm）=462.5N/mm（圖8），另兩個(gè)方向的彈性系數(shù)各取正向彈性系數(shù)的1/20，為23.1N/mm。

圖7

圖8

（3）玻璃之間的空氣層通過彈性連接單元近似模擬[1]（圖9），標(biāo)準(zhǔn)節(jié)點(diǎn)的彈性系數(shù)為0.102N/mm2（即102kPa，102kPa=標(biāo)準(zhǔn)大氣壓101kPa+內(nèi)層玻璃分配的外荷載1kPa）×200mm×200mm/19mm=214.7N/mm。

圖9

（4）玻璃頂、底入鋼槽，設(shè)置玻璃法向方向約束。

（5）立柱采用坐式結(jié)構(gòu)，頂部為豎向可滑動(dòng)的鉸支座，底部為固定鉸支座，上、下支座在立柱自轉(zhuǎn)方向約束。

（6）120mm×20mm的水平不銹鋼轉(zhuǎn)接件強(qiáng)焊接于不銹鋼立柱，模型中表現(xiàn)為剛接（圖10）。

圖10

（7）90mm×40mm×6mm的鋁合金副框兩端通過豎向不銹鋼轉(zhuǎn)接件連于水平不銹鋼轉(zhuǎn)接件，上端部為豎向可滑動(dòng)的鉸支座，下端部為固定鉸支座（圖11）。

圖11

3 玻璃穩(wěn)定性的影響因素及分析情況

3.1 影響因素

玻璃穩(wěn)定性的影響因素主要包括溫度、風(fēng)荷載、支撐構(gòu)件變形及結(jié)構(gòu)膠彈性性能等，各因素的取值及情況說明見表1。

3.2 分析情況

采用以下情況進(jìn)行分析對(duì)照：

情況1：“：“內(nèi)、外片玻璃”建模分析，[42℃，持荷1h）]；

情況2：“內(nèi)、外片玻璃+結(jié)構(gòu)膠”建模分析，[42℃，持荷1h）]；

情況3-1：“內(nèi)、外片玻璃+結(jié)構(gòu)膠+支撐構(gòu)件”建模分析，[42℃，持荷1h）]；

情況3-2：“內(nèi)、外片玻璃+結(jié)構(gòu)膠+支撐構(gòu)件”建模分析，[70℃（持荷1h）]。

4 分析結(jié)果

4.1 線性屈曲分析結(jié)果

將重力荷載設(shè)置為變量，采用3.2的4種情況進(jìn)行線性屈曲分析，得出一階屈曲因子分別為37.0、32.3、24.4、18.7（圖12～15）。

圖12

圖13

圖14

圖15

由分析結(jié)果可知，情況2屈曲因子比情況1低12.7%，說明結(jié)構(gòu)膠的彈性性能對(duì)玻璃的穩(wěn)定性有較大影響。情況3-1屈曲因子比情況2低24.5%，說明支撐構(gòu)件的變形對(duì)玻璃的穩(wěn)定性有較大影響。情況3-2屈曲因子比情況3-1低23.4%，說明溫度對(duì)玻璃的穩(wěn)定性有較大影響。

表1 玻璃穩(wěn)定的影響因素

4.2 非線性迭代分析結(jié)果

根據(jù)表1備注施加玻璃加工缺陷后，對(duì)3.2的4種情況進(jìn)行非線性迭代分析，并對(duì)最不利節(jié)點(diǎn)進(jìn)行位移-荷載跟蹤。因玻璃在風(fēng)壓下會(huì)形成平面外變形，豎向壓力荷載與玻璃底邊之間由于附加偏心距造成的附加彎矩對(duì)穩(wěn)定性會(huì)產(chǎn)生一定的不利影響（二階效應(yīng)），以下分析將一并考慮。

（1）情況1中，給予荷載一：30倍的重力荷載設(shè)計(jì)值[=30×1.3（39）倍重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值，39稍大于一階屈曲因子37.0]+42℃與荷載二：30倍重力荷載設(shè)計(jì)值+1倍風(fēng)壓設(shè)計(jì)值（=1.6倍風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值）+42℃，可以看到最不利節(jié)點(diǎn)的平面外位移與荷載基本成線性關(guān)系（圖16、17），不能很好的找到突變失穩(wěn)點(diǎn)。

圖16

圖17

（2）情況2中，給予荷載一：25倍的重力荷載設(shè)計(jì)值[=25×1.3（32.5）倍重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值，32.5稍大于一階屈曲因子32.3]+42℃與荷載二：25倍重力荷載設(shè)計(jì)值+1倍風(fēng)壓設(shè)計(jì)值（=1.6倍風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值）+42℃，可以看到：①荷載一在20（=0.8×25）倍重力荷載設(shè)計(jì)值下出現(xiàn)失穩(wěn)點(diǎn)（圖18）。②荷載二在17.5（=0.7×25）倍重力荷載設(shè)計(jì)值下出現(xiàn)失穩(wěn)點(diǎn)（圖19）。

備注：荷載二中風(fēng)荷載為第一可變荷載，溫度為第二可變荷載。

（3）情況3-1中，當(dāng)給予荷載一：20倍的重力荷載設(shè)計(jì)值[=20×1.3（26）倍重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值，26稍大于一階屈曲因子24.4]+42℃與荷載二：20倍重力荷載設(shè)計(jì)值+1倍風(fēng)壓設(shè)計(jì)值（=1.6倍風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值）+42℃，可以看到：①荷載一在16（=0.8×20）倍重力荷載設(shè)計(jì)值下出現(xiàn)失穩(wěn)點(diǎn)（圖20）。②荷載二在14（=0.7×20）倍重力荷載設(shè)計(jì)值下出現(xiàn)失穩(wěn)點(diǎn)（圖21）。

備注：荷載二中風(fēng)荷載為第一可變荷載，溫度為第二可變荷載。

圖18

圖19

表2

圖20

圖21

（4）情況3-2中，當(dāng)給予荷載一：20倍的重力荷載設(shè)計(jì)值[=20×1.3（26）倍重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值，26稍大于一階屈曲因子18.7]+70℃與荷載二：20倍重力荷載設(shè)計(jì)值+0.6[8]倍風(fēng)壓設(shè)計(jì)值（=0.96倍風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值）+70℃后，可以看到：①荷載一在12（=0.6×20）倍重力荷載設(shè)計(jì)值下出現(xiàn)失穩(wěn)點(diǎn)（圖22）。②荷載二在10（=0.5×20）倍重力荷載設(shè)計(jì)值出現(xiàn)失穩(wěn)點(diǎn)（圖23）。

圖22

圖23

備注：荷載二中溫度為第一可變荷載，風(fēng)荷載為第二可變荷載。

5 結(jié)果統(tǒng)計(jì)及結(jié)論

5.1 結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1

5.2 結(jié)論

（1）玻璃穩(wěn)定性主要由重力荷載控制，溫度與風(fēng)荷載組合對(duì)其二階效應(yīng)有一定不利影響。應(yīng)針對(duì)不同工程的具體情況驗(yàn)算溫度與風(fēng)荷載分別為“第一、二可變荷載”與“第二、一可變荷載”時(shí)的穩(wěn)定性情況。

（2）支撐構(gòu)件與結(jié)構(gòu)膠的變形對(duì)玻璃的穩(wěn)定性影響較大，需要整體建模分析。