3.1点支承
说明：在做四点支承分析时,因为仅约束了其中的一个节点,所以在支承点附近有比较大的应力集中现象(图16),这与实际I程应用(玻璃开孔,孔边环带状支承)时的情况不完全相符,后面对比时忽略了此部位的应力集中。
从以上的对比表中,我们可以看到该组分析中不管是橡胶垫片支承还是球铰支承,最大应力均位于支承点附近且均大于四点支承时的跨中应力,说明这两种支承方式下支承点附近均存在应力集中现象。前文曾提到过在面外荷载作用下,四点支承板的应力集中程度主要取决于支承点对玻璃的转动约束程度,说明了这两种支承方式对玻璃的角部都有较强的转动约束作用。对于垫片支承而言,在夹具外观不变的情况下,不难理解是由于橡胶垫片太薄或硬度太大所造成的。但是为何球铰支承也会产生这么大的应力集中呢?实际从节点图构造图中便可以看出,这种支承方式在实际工程中使用时并非是单纯的球铰支承。在实际的点支承玻璃幕墙工程中,由于气密性与水密性的要求,玻璃夹具四周均有密封垫片或硅酮密封胶存在,它们也会对玻璃起到一定的支承作用,此种情况下球铰夹具对玻璃的支承实际上是一种“球铰+垫片”的复合支承方式。在有限元分析所输出的变形图(图27)中,我们看到了受压一侧的橡胶垫片产生了明显的压缩变形,很好地验证了这一点。这样,球铰支承也会产生较大应力集中的现象就很容易理解了。这有点类似于撬杠(图28)的受力特点:如果撬杠的撬点是一个铰支座,没有支点存在,杆可以绕撬点自由转动,但是当有支点后,截面的杆件的话,其弯矩和应力的最大点均位于支点位置,这一特点也与玻璃面板垫片处应力集中有很大的相似性。
4.支承方式改进
4.1改进方法
前文曾提到支承点对玻璃固定点的转动约束程度对玻I离面板的应力分布有着很大的影响,因此,要想减小玻璃角部固定点的应力集中程度,必须从减小夹具对支承点的转动约束程度着手。对于带球铰的玻璃夹具支承而言,取消玻璃夹具四周的密封垫片或硅酮密封胶即可,但是对于有气密性与水密性要求的点支承玻I离幕墙来说是不现实的,所以这种支承方式没有太大的改善空间,本文不再赘述。但是对于采用橡胶垫片的夹具而言,却有多种的改进方法,除了改变玻璃夹具的形状和大小能改善夹具对玻璃的约束程度外,还有一些很便捷的方法就是改变橡胶垫片的厚度或形状。
由于在幕墙工程中夹具的形状气大小并不能由幕墙设计师随意改动(多为业主或建筑师确定),所以本文中只取后两种方案来进行改进:方案一是将图12的橡胶垫片的厚度由2mm更改为4mmi方案二是保持橡胶垫片2mm的厚度不变,只是将橡胶垫片改为图14所示的形状,为便于识别,后面称之为“带状橡胶垫片支承”(图29)。
4.4 分析对比
从以下的对比表中,我们看到改进后的两个模型,最大应力已不再位于支承点附近而位于长边跨中,其最大应力值与挠度值也与单纯点支承的四点支承板非常接近。对于改变橡胶垫片厚度减小应力比较容易理解,不再赘述。不改变垫片厚度,只改变垫片形状同样可以减少夹持点应力主要是由于带状橡胶垫片与玻璃的接触宽度较小,对玻璃角部的约束能力较弱所致。该组分析说明了这两种改进方法是可行的。
5.结论
根据以上分析对比,可得出如下结论:
5.1在实际的点支承玻璃幕墙工程中,在夹具中玻璃角部两侧设置半球形垫块(球铰)的支承方式并非单纯的球铰支承,而是一种“球铰+垫片”的复合支承方式,其不但不能够有效减小玻璃面板的角部应力,反而会导致工程施工难度增加,工程造价增高。
5.2在夹具支承方式中,调整橡胶垫片的厚度和改变橡胶垫片的形状,都会改变玻璃夹持点附近的应力和跨中挠度。当工程确有需要时,可以通过调整垫片厚度和垫形状使玻璃面板的应力与挠度接近于与四点支承板。当达到此种效果时,幕墙设计者可以按照《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ102)中提供的玻璃校核公式来进行校核。
5.3在以上的分析中可以看出,虽然橡胶垫片的厚度较薄时会导致夹持部位应力增大,但玻璃的挠度却在下降。此种支承特点为优化玻璃的受力提供了可能。从事点支承玻璃幕墙设计者都非常清楚:四点支承的玻I离面板,在挠度上的;对于一些对有限元分析不太熟练的设计人员来讲,还是应该慎用。
5.4夹具对玻璃面板的约束,究竟是铰接好,还是刚接好,还是半刚接好,国家标准与行业规范中并没有明确给出判断的标准。作为幕墙设计者,应本着科学严谨的态度,以辨证的态度来看待,究竟怎样取舍要看具体工程的需要。如结论3中,玻I离支承点转动约束强时J虽角部应力略有增加,但挠度却在减小。
本文针对于目前点支承玻璃幕墙中玻璃夹具垫片对玻璃面板受力的影响做了较为全面的分析,并对目前几种不同的支承方式做了对比。但是玻璃面板的应力与挠度还与玻I离分格`夹具大小`夹具形状等都有关系,幕墙设计师在进行幕墙设计时,需要根据工程实际情况进分析计算,必要时还需通过实验来进行验证。达到限值时,玻璃的应力值往往还远小于强度设计值,这在一定程度上会造成玻璃的浪费。设计师完全可以利用夹具支承的特点,通过调整垫片厚度,使玻璃的应力适度增加、挠度下降,从而减小玻璃厚度,达到节约成本的目的。但是此种方法是建立在有限元分析基础之上的;对于一些对有限元分析不太熟练的设计人员来讲,还是应该慎用。【完】
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