建筑室外玻璃护栏设计研究_技术热点_幕墙网

本文摘自：《建筑幕墙（词条“建筑幕墙”由行业大百科提供）创新与发展》未经许可不得转载 　　随着人们对建筑装饰美观要求的不断提高，越来越多的现代建筑开始使用玻璃护栏。在对建筑室外玻璃护栏(以下简称玻璃护栏)的工程设计中，设计师通常会直接采用现行的荷载规范、工程设计规范以及部分产品标准对其构配件的采用、结构分析以及功能设计等方面进行综合考虑。虽然国内现行规范对室外建筑护栏的建筑设计要求及安全规定已具备，但可全国通用并且覆盖各常见结构形式的玻璃护栏工程技术规范目前仍处于缺失状态。因此，从事玻璃护栏工程设计的从业人员应当掌握相关专业知识及经验，而理清该领域的关键设计技术要点，是保证玻璃护栏的结构安全，以及能否满足正常使用功能的前提。以下就建筑室外玻璃护栏设计中的技术重点进行分析和案例说明。 　　1 建筑室外玻璃护栏的结构形式 　　为对其结构性能进行进一步的研究，本文对现行的国内外规范标准(国外主要为英、美标准)进行分析，再结合国内的实际使用情况，以玻璃栏板的固定方式分类，常见的玻璃护栏大致可分为以下三大类。 　　1.1框支承玻璃护栏 　　玻璃栏板镶嵌固定于护栏系统内所形成框体之中，形成框支承面板结构，玻璃栏板所受的荷载可完全传递到其相邻的扶手、立柱、边框等受力构件，再由这些构件传递给建筑物主体结构。玻璃面板主要用于实现安全防护功能，不作为支承结构。如图1，2，3，4所示。 图1 四边支承玻璃护栏图 图2 两边支承玻璃护栏——单片玻璃镶嵌 图3 两边支承玻璃护栏——多片玻璃镶嵌 图4 三边支承玻璃护栏 　　1.2点支承玻璃护栏 　　玻璃栏板通过点支承的方式固定于护栏系统，玻璃栏板所受的荷载由点支承装置 　　和支承结构承受并传递至建筑主体结构，如图5，6所示。和框支承玻璃护栏相似，点支承玻璃栏板也主要起到安全防护作用，并非系统的支承结构。 图5 四点支承玻璃护栏 图6 四点夹持支承玻璃护栏 　　1.3玻璃结构护栏 　　玻璃结构护栏(又称全玻璃护栏，Freestanding Glass Balustrade或Structural Glass 　　Balustrade)，是一种采用玻璃作为主要受力构件，玻璃栏板既直接承受外部荷载又将荷载传递至主体结构的护栏形式。因此，玻璃面板集围护功能与支承作用为一体。如图7，8所示。 图7 玻璃结构护栏1 图8 玻璃结构护栏2 　　2 结构设计所依据的标准和规范 　　目前，国内的玻璃护栏一般按建筑物外围护结构（词条“围护结构”由行业大百科提供）进行结构设计。在实际工程中，国内玻璃护栏的结 　　构设计通常会按照《建筑结构荷载规范》GB 50009的规定执行，同时还应遵从《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113、《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102等相关行业规范以及地方标准等的要求。本文将涉及到玻璃护栏结构安全的主要现行标准及规范整理如表1所示。 表1 国内玻璃护栏结构设计的主要适用标准及规范依据 　　鉴于专门（词条“门”由行业大百科提供）的国家级或行业性玻璃护栏技术标准目前还处于空白状态，国内部分地区为了更细化这一领域的技术要求，也出台了相关的地方标准，进行玻璃护栏设计也可以参照执行，如《重庆市建筑护栏技术规程》(DBJ50-123-2010)。综上所述，现阶段玻璃护栏的结构设计主要以《建筑结构荷载规范》(GB 50009)和《建筑玻璃（词条“建筑玻璃”由行业大百科提供）应用技术规程》(JGJ 113)为标准依据，即可覆盖到大部分民用建筑工程的需求。 　　国内部分涉外的玻璃护栏结构设计，还有可能参照英、美、澳标准执行，本文也将其归结如表2。 表2 英国、美国、澳大利亚玻璃护栏结构设计的主要适用标准及规范依据 　　3 两类常见玻璃护栏的结构分析 　　某项目位于广州市海珠区，由裙楼及A、B两栋塔楼组成，总建筑面积19.2万平方米，总建筑高度A栋159.4米，B栋133.5米，塔楼结构形式为框架核心筒结构。幕墙工程包括：A栋塔楼由隐框单元式幕墙及竖明横隐单元式幕墙，B栋竖明横隐单元式幕墙及东西面凹槽部位竖明横隐框架式玻璃幕墙;裙楼由框架式幕墙、全玻幕墙、铝板幕墙、玻璃雨棚及其他幕墙系统组成。其中建筑室外玻璃护栏均位于塔楼楼顶及裙楼女儿墙位置，塔楼部位的室外玻璃护栏用途均作为其外侧玻璃幕墙的防护结构，裙楼则有部分直接承担女儿墙功能，以满足裙楼楼顶人员活动的需要。 　　本工程基本风压Wo = 0.55kN/㎡，地面粗糙度（词条“地面粗糙度”由行业大百科提供）取B 类，地震设防烈度：7度，设计基本地震加速度值：0.1g。 　　3.1点支承玻璃护栏受力分析 　　裙楼玻璃护栏采用点支承玻璃护栏的结构形式，玻璃栏板为四点支撑，栏杆有独立扶手抵抗冲击荷载;计算标高按裙楼最大标高17.3m，玻璃配置为10+1.52pvb+10mm夹胶玻璃。玻璃栏板宽度1195mm，栏板高度1150mm。施工图大样及节点图如图9、10所示。 图9 裙楼室外玻璃护栏大样图 图10裙楼室外玻璃护栏节点图 　　玻璃护栏结构的受力分析，其重点在于玻璃栏板能否满足工程的结构安全需要，而常规玻璃护栏的立柱、扶手等部件的结构计算均可采用普通悬挑或简支梁模型，按现行规范要求进行结构设计及力学验算即可，本文不再赘述。本项目采用有限元软件ANSYS对裙楼室外玻璃护栏进行受力分析，采用shell63单元，按照国际单位制尺寸建模。计算模型取单片10mm玻璃加载，面荷载为1600N/m2;约束为四点约束。模型竖直方向为Y方向，垂直玻璃面为Z方向，平行玻璃面为X方向。按照点式支撑结构特点：约束点分布为左上点约束X，Y，Z三个方向平动，右上点约束Y，Z两个方向平动，左下点约束X，Z两个方向平动，右下点约束Z方向平动。模型如图11所示。 图11裙楼室外玻璃护栏面板结构分析模型 　　分析计算结果如图12、13、14所示。 图12 裙楼玻璃护栏面板正面强度(单位Pa) 图13 裙楼玻璃护栏面板背面强度(单位Pa) 　　根据玻璃材料特点取第一主应力（词条“应力”由行业大百科提供）结果，强度值为13.6MPa，10mm钢化玻璃边缘强度为59MPa， 　　强度满足要求。从计算结果可以得出点式玻璃栏板的强度最大值通常发生在四个支撑点和玻璃边缘区。 　　由模型还可算得风荷载作用变形为3.718mm。按照国内幕墙规范JGJ102要求点式玻璃的变形限值取支撑点间距较长边的1/60，所以变形限值为1035mm/60=17.25mm。3.718mm<17.25mm，如图14所示，变形满足要求。 图14 裙楼玻璃护栏面板风载变形分析 　　3.2玻璃结构护栏受力分析 　　塔楼玻璃护栏玻璃栏板为底部支撑，玻璃顶部抵抗冲击荷载;计算标高按塔楼最大标高159.4m，玻璃配置为10+1.52pvb+10mm夹胶玻璃。栏板宽度1200mm，总高度800mm，入槽深度240mm。塔楼护栏大样图如图15所示。 图15 塔楼室外玻璃护栏大样图 图16 塔楼室外玻璃护栏节点图 　　护栏玻璃面板同样采用有限元软件ANSYS进行受力分析，采用shell63单元，按照国际单位制尺寸建模，模型如图17所示。 图17 塔楼室外玻璃护栏面板结构分析模型