大尺寸玻璃面板平面外的稳定性分析

苏州华丽美登装饰装璜有限公司

朱云峰

[摘要]通过对苏州独墅湖银瑞酒店工程的大尺寸玻璃面板进行分析，探讨了玻璃面板发生平面外失稳的问题。

1 工程概述

苏州独墅湖银瑞酒店位于苏州独墅湖高教区，酒店建筑面积67116.19平方米，建筑基底面积22066.32平方米。其中：主楼地上25423.09平方米，地下15167.69平方米；会议中心地上14988.17平方米，会议中心地下676.15平方米；VIP楼地上10861.09平方米，地下1255.94平方米。酒店地下1层，地上5层，建筑总高度22.35米。拥有338间客房，四星级标准。

图1 苏州独墅湖银瑞酒店外景

图2 苏州独墅湖银瑞酒店室内大厅

2 大尺寸玻璃面板平面外的稳定性分析

2.1 问题的提出

独苏州独墅湖银瑞酒店工程的部分幕墙为横明竖隐全玻璃幕墙，玻璃面板为6+12A+6mm厚中空镀膜双钢化玻璃。由于建筑上的需要，幕墙分格采用了高4.2m、宽0.725m的大尺寸玻璃。根据《玻璃幕墙工程技术规范（JGJ 102-2003）》第7.1.1条规定：玻璃高度大于表7.1.1限值的全玻幕墙应悬挂在主体结构上。

表7.1.1  下端支承全玻幕墙的最大高度

也就是说，玻璃面板总厚度为12mm，采用了4.2m×0.725m的尺寸、且下端支承时，不满足要求。在建筑分格无法调整，且采用下端支承的情况下，问题如何解决？

实际上，在规范当中，如果条文采用的是黑体字，为国家强制性条文；如果条文采用的是宋体字，为非强制性条文^[2]。另外根据《玻璃幕墙工程技术规范（JGJ 102-2003）》附录上的规范用词说明：正面词采用“应”时，表示严格，在正常情况下均应这样做的。因此，规范中的第7.1.1条属于“在正常情况下均应这样做的非强制性条文”。

根据《玻璃幕墙工程技术规范（JGJ 102-2003）条文说明》第7.1.1条的解释：全玻幕墙的玻璃面板和玻璃肋的厚度较小，以12～19mm为多，如果采用下部支承，则在自重作用下，面板和肋都处于偏心受压状态，容易出现平面外的稳定问题，而且玻璃表面容易变形，影响美观。因此，如何满足建筑上的意图，使工程得以顺利实施，在玻璃强度和变形满足要求的前提下，对大尺寸玻璃面板进行平面外的稳定性分析成为了关键。

2.2大尺寸玻璃面板的强度和变形验算

对4.2m×0.725m的6+12A+6mm厚中空镀膜双钢化玻璃面板的强度和变形验算采用有限元几何非线性分析。

玻璃面板的应力云图见下图3，玻璃面板的变形云图见下图4。

图3  玻璃面板的应力云图

图4  玻璃面板的变形云图

由图3可知，玻璃面板的最大应力值为15.42N/mm²＜[σ]=84.00N/mm²，强度满足要求。

由图4可知，玻璃面板的最大变形值为2.88mm＜[L]=725/60=12.08mm，变形满足要求。

2.3有限元稳定性分析的理论介绍

有限元稳定性分析是一种用于确定结构开始变得不稳定时的临界荷载和失稳模态形状（结构发生失稳响应时的特征形状）的技术。用有限元进行分析的方法有两种：线性稳定性分析和非线性稳定性分析。

线性稳定性分析用于预测一个理想弹性结构的理论失稳强度，该方法相当于教科书里的弹性失稳分析方法。例如，一个柱体结构的线性稳定性分析的值将与经典欧拉解匹配。但是，初始缺陷和非线性使得很多实际结构都不是在其理论上的弹性失稳强度处发生失稳。因此，线性稳定性分析经常产生非保守结果，通常不能用于实际现实生活中的工程分析。

非线性稳定性分析比线性稳定性分析更精确，故常用于对实际结构进行的设计或估计中。该方法用一种逐渐增加荷载的非线性静力分析技术来求得使结构开始变得不稳定的临界荷载。使用了非线性技术，模型中就可以包括诸如初始缺陷、塑性行为、间隙、大变形响应等特征。而且，如果使用偏离控制加载，就可以跟踪结构的后失稳行为（这在结构失稳到一个稳定外形的情况下很有用）。

2.4大尺寸玻璃面板平面外的稳定性分析

对4.2m×0.725m的6+12A+6mm厚中空镀膜双钢化玻璃面板进行有限元非线性稳定性分析，分两个阶段来考虑：安装阶段和使用阶段。

2.4.1安装阶段大尺寸玻璃面板平面外的稳定性分析

安装阶段：玻璃面板刚固定好，玻璃胶尚未施工。玻璃面板的约束状态是两长边为自由边，两短边为简支边。

安装阶段玻璃面板发生平面外失稳时的模态云图见下图5～图7。玻璃面板发生平面外失稳时以一阶模态形式出现。

图5  安装阶段玻璃面板发生平面外失稳时的一阶模态云图

图6  安装阶段玻璃面板发生平面外失稳时的二阶模态云图

图7  安装阶段玻璃面板发生平面外失稳时的三阶模态云图

安装阶段玻璃面板发生平面外失稳时所需的最小荷载值（方向竖直向下的压力），见下图8。

图8  安装阶段玻璃面板发生平面外失稳时的荷载值

由图8可知，歧点发生在荷载值为3.48kN的位置上，也就是说，安装阶段玻璃面板发生平面外失稳时的所需的最小荷载值为3.48kN＞玻璃面板的重力值1.12kN，因此玻璃面板不会出现平面外失稳的问题。

2.4.2使用阶段大尺寸玻璃面板平面外的稳定性分析

使用阶段：玻璃面板已经施工完成。玻璃面板的约束状态是四边为简支边。

使用阶段玻璃面板发生平面外失稳时的模态云图见下图9～图11。玻璃面板发生平面外失稳时以一阶模态形式出现。

图9  使用阶段玻璃面板发生平面外失稳时的一阶模态云图

图10  使用阶段玻璃面板发生平面外失稳时的二阶模态云图

图11  使用阶段玻璃面板发生平面外失稳时的三阶模态云图

使用阶段玻璃面板发生平面外失稳时所需的最小荷载值（方向竖直向下的压力），见下图12。

图12  使用阶段玻璃面板发生平面外失稳时的荷载值

由图12可知，歧点发生在荷载值为147.49kN的位置上，也就是说，使用阶段玻璃面板发生平面外失稳时的所需的最小荷载值为147.49kN＞玻璃面板的重力值1.12kN，因此玻璃面板不会出现平面外失稳的问题。

3 结论

⑴对于下端支承大尺寸的玻璃面板，无论是安装阶段还是使用阶段，发生平面外失稳时所需的最小荷载值都要大于玻璃的自重，因此不会出现平面外的稳定性问题。

⑵同时玻璃也不易发生变形，影响美观。这是因为：在安装阶段时，自重虽然产生了一些变形，但是这种变形属于弹性可恢复的变形；在使用阶段、自重产生变形时，玻璃面板四边都有玻璃胶或钢（铝）框固定、可将玻璃出平面外的变形拉住，且变形取决于短边尺寸的长短，所以周边的约束力很强玻璃变形很小。

参考文献

[1]玻璃幕墙工程技术规范(JGJ 102-2003).北京：中国建筑工业出版社，2003

[2]赵西安.幕墙设计中的一些问题1.0版(2007年