用玻璃板作钢结构的蒙皮受力构件

本发明属于一种建筑结构构件，特别涉及钢结构框架筒体与玻璃板的组合，是属于发展 建筑与结构的发明专利。

美国匹次堡市于1983年建成的梅隆银行大厦(one mellon bank center)是属于承力幕墙 体系，采用密柱浅梁的弱框筒与钢板蒙皮组合而成的。

主楼地面以上54层，高222m。这个大厦有以下几个特点：

●经过多方案的比较，最后选定了“承力幕墙体系”，围护结构与受力结构融为一体。

●钢墙板的开洞率为25％，钢墙板厚度38层以上为6mm，38层以下为8mm。

●主楼单位建筑面积的结构钢量为115kg/m2

●结构分析结果：在风荷载作用下：

A、不考虑幕墙钢板受力时结构的顶点侧移角Δ/H＝1/290

B、幕墙钢板参与时减为1/590。

这个工程实例给我们很大的启发，认识到承力幕墙体系是一种高效而经济的抗侧力结构。 但从工程经验出发，钢板受力好，但暴露在大气中的防锈防腐难度大，价格昂贵；另外钢板 防火能力差，采光要在钢板上开洞才能解决。这就促使我们联系到玻璃幕墙，玻璃面板和幕 墙支撑件组成了玻璃幕墙，要求支撑件在受力过程中不能有很大的变形，要求变形Δ＜L/180， 其中L为支撑件的跨度，在这样的条件下，玻璃面板能承受一定的风荷和地震力。显而易见， 钢结构的框架筒体的密柱浅梁是玻璃面板最好的支撑体系。因此产生了用玻璃板作钢结构的 蒙皮受力构件的思想，但玻璃板是脆性材料，作受力蒙皮构件是否是禁区，一直困扰着我， 直到重新学习由清华大学力学系1988年翻译的前苏联Г·C·皮萨连科著的“材料力学手册” 有这么一段话吸引了我：“应当强调指出，材料的脆性或塑性状态不只取决于材料的性质，而 且与其所处的应力状态类型，温度与加载速度等都有一定的关系，实验表明，塑性材料在一 定的加载条件与温度下，会表现为脆性，而脆性材料在一定的应力状态下，也可以表现为塑 性”。

这个理论将使我受益匪浅。我又学习近来大连理工大学出版社出版的“glsss construction  manual(玻璃结构手册)是史蒂西(SCHITTICH)等著的，他们是世界级的玻璃工程设计大 师，他们明确地指出：“玻璃也越来越多作为一种承重材料被结构工程师所使用”而且告诉工 程师“玻璃应用的发展要与结构体系结合发展，相得益彰”。这给我的研究增强了信心。由于 我经常作国外设计的优化设计，因此对刘大海，杨翠茹编著的高楼钢结构设计中结构概念设 计是下了苦功的，因此温故而知新用了近八个月的时间进行了集中研究和计算，较系统地写 出了《用玻璃板作钢结构蒙皮受力构件的研究》使我对玻璃板作结构的受力蒙皮构件不仅充 满了信心而且有浓厚的兴趣，这次正式向贵局申请国家发明专利是由于了解到国际动态：二 十世纪初期美国出现了玻璃幕墙的概念，美国以高科技和创新的精神在战后大力发展超高层 建筑，玻璃摩天大楼已成为当时美国的一项重要的建筑使命，有名望的公司都在城市建造玻 璃幕墙摩天大楼，并逐渐形成一股国际风格向全世界传布，到二十世纪七十年代初期，写字 楼成了建筑行业的主要任务，网格玻璃幕墙就是一个标志。上个世纪九十年代开始以欧洲为 首出现了批评的声音：阳光污染，耗能源，不安全等，但是世界一直在追求玻璃摩天大楼， 并且越演越烈，因此中国要有一种创新的面目出现，我申请的发明专利肯定是很有用的。

另外研究过程中了解到玻璃的光学性质有信息功能，玻璃板作建筑的墙面不仅能充分地 发挥玻璃透光、保温、密闭等优点，而且可以用光学仪器有效地监视大楼蒙皮受力构件的受 力安全情况，因此这样的大厦是相当安全的，监视的研究要在这次申请成功后再进行系统的 研究。

用玻璃板与钢结构的密柱浅梁筒体组合成为玻璃板作受力蒙皮构件的高效而经济的抗侧 力结构。这样不仅玻璃板在密柱浅梁筒体的应力状态下，脆性材料也可以表现为塑性，成为 受力构件来加强密柱浅梁的弱筒体，成为密柱深梁的强筒体。不言而喻使钢结构的含钢量明 显地降低，又由于玻璃板不再需要专门的玻璃幕墙的钢结构支撑体系，只需要与主体钢结构 的密柱浅梁筒体组合，其组合使密柱浅梁的弱框筒成为密柱深梁的强框筒，因此结构的整体 刚度大增，所以说这是一个高效而经济的抗侧力结构。

1、工程依据

美国匹次堡市于1983年建成的梅隆银行大厦(one mellon bank center)是属于承力幕墙 体系，采用密柱浅梁的弱框筒与钢板蒙皮组合而成的，其结构平面见图1钢板与梁柱关系见 图2主楼地面以上54层，高222m。这个大厦有以下几个特点：

●经过多方案的比较，最后选定了“承力幕墙体系”，围护结构与受力结构融为一体。

●钢墙板的开洞率为25％，钢墙板厚度38层以上为6mm，38层以下为8mm。

●主楼单位建筑面积的结构钢量为115kg/m2

●结构分析结果：在风荷载作用下：

A、不考虑幕墙钢板受力时结构的顶点侧移角Δ/H＝1/290

B、幕墙钢板参与时减为1/590。

这个工程实例给我们很大的启发，认识到钢板承力幕墙体系是一种高效而经济的抗侧力 结构。但暴露在大气中的防锈、防腐难度大，价格昂贵，另外钢板防火性能差，其防火措施 也是十分昂贵的，很难推广钢板蒙皮组合结构，因此申请人另辟捷径。

2、结构理论的依据

(1)钢框架筒体结构系统的简介

●20世纪70年代初，一批80～100层的楼房应运而生，人们熟悉的，应用了较长时间的框 架，框‑撑，框架‑支撑芯筒，支撑芯筒+刚臂等结构体系已不能满足要求了。因此从采 用立体构件取代平面构件出发、为使抗侧力体系的有效宽度达到最大值，而将抗侧力体系 的主要构件从建筑平面内部移向周边；并将承重构件与抗侧力构件合而为一等途径来探索 一种新型的结构体系，创造了框架筒体结构体系，并获得了巨大的成功。

●钢框架简体结构的组成

在建筑平面的周边设立钢柱，并建立框架。框筒是由三片以上“密柱深梁”型框架所围 成的抗侧力框架筒体。见图3。密柱是指框筒采用密排的钢柱，柱距为3～4.5m，并且柱 的强轴方向位于所在框架平面，如果柱距＞3～4.5m，或柱的强轴不符合规定，就不能称 之为“密柱”可称为“稀柱”。深梁是指较高截面的实腹式窗裙梁，截面高度一般取0.9～ 1.5m，如果梁的截面高度较小就称作为浅梁。“密柱深梁”对立面就是“稀柱浅梁”。密柱 深梁组成的框架筒体是强框筒，密柱浅梁或稀柱浅梁组合的框架筒体是弱框筒。框筒平面 尺寸应满足长宽比不大于1.5，最多不大于2的要求，框筒的立面开洞率一般取30％左右， 这就构成了框筒，与建筑平面内的承重框架一起构成了框筒结构体系。

●“密柱深梁”与“稀柱浅梁”的比较

四片“密柱深梁”框架组成的框筒优于四片“稀柱浅梁”围成的方形结构。“稀柱浅梁” 围成的方形结构(见图4)，仍然是抗侧力平面构件，在水平力作用下，仅平行于荷载方向 的两榀框架(称为腹板框架)承担剪力和倾覆力矩，垂直于荷载方向的两榀框架(称为翼 缘框架)并不参加工作。由四片“密柱深梁”框架围成的方形结构。已组成框筒，成为抗 侧力立体构件，不论水平荷载来自何方，其四片框架均同时参与工作，水平剪力由腹板框 架承担；倾覆力矩则由腹板框架和翼缘框架共同承担。

●框架筒体结构核心理论是剪力滞后效应

图7所示的框筒，其柱子轴向力假定不考虑剪力滞后效应的影响，是成直线分布的。已接 近实体筒。框筒在倾覆力矩作用下整体弯曲时，其截面竖向剪力使各层窗裙梁产生竖向弯 剪变形，导致腹板框架和翼缘框架各柱轴向应力分布呈曲线状，不再符合平面假定的应力 分布规律，这种现象称之为剪力滞后效应。剪力滞后效应将削弱框架筒体抗侧力立体构件 的效能，也就是应力呈越明显的曲线状态，剪力滞后效应越大，筒体立体构件的效能越减 弱。因此对于密柱浅梁的框筒而言，要增加其空间抗侧力构件效能的最有效的措施，就是 要加大浅梁的竖向截面惯性矩。

●用玻璃板来加大浅梁的竖向截面惯性矩使密柱浅梁成为密柱深梁

密柱浅梁与玻璃组成的结构图如图5所示，其放大的单元平面图如图6所示，密柱是3m 中到中的H型钢密柱，窗裙梁为翼缘宽400mm，厚15mm的T型钢，玻璃板为 3000mmx1500mmx15mm，单元透视图为图7所示。窗裙梁为什么选用这样的尺寸，一方面 是浅梁，另一方面作为玻璃板的支承结构符合玻璃幕墙的规定，挠度小于L/180，L为结 构跨度，这样的尺寸远小于L/180。

如果是深梁，则梁高必须至少为0.9m，的H型钢，在钢材手册中可查到适中的0.9m 高的H型钢的X方向惯性矩Ix＝411000cm4，现在采用翼缘高为40cm，厚15mm的T型 钢，其惯性矩远小于Ix＝411000cm4，显而易见窗裙梁不是深梁而是浅梁，组成的框筒也 是弱框筒。

当玻璃板和密柱浅梁组合后，仅15mm厚，高1500mm玻璃板的截面X方向惯性矩I_玻(x)，
已满足了深梁的截面惯性矩的要求。
事实上组合截面惯性矩I，至少是厚15mm，高3000mm的玻璃板的截面惯性矩，也就是

此时1687500/411000＝4.1倍，表明玻璃板与浅梁组合后，浅梁的竖向惯性矩大增。

显而易见，玻璃板在密柱浅梁的应力条件下，可以组合成密柱深梁，可以成为强框筒。

3、玻璃板用现有的玻璃幕墙技术规定的计算依据

玻璃板与密柱浅梁的组合，不仅使密柱浅梁转变为密柱深梁，由弱框筒转变为强框筒， 而且在密柱浅梁的应力条件下，玻璃板这种脆性材料也可以表现为塑性。为了更有说服力， 玻璃板用现有的玻璃幕墙技术规定来作为计算依据，更清楚地看到在一定的应力条件下，脆 性的玻璃也会表现出塑性。事实上玻璃幕墙现有的技术规定中，计算公式完全承认了在一定 应力状态下，玻璃板是受力构件的事实，而且在点式玻璃幕墙工程规程条文说明中明确指出： “玻璃面板在一定程度上对支承结构存着应力蒙皮效应。但目前对这一效应还缺乏充分的理 论和实验研究，所以本规程规定，计算支承结构内力时宜不考虑面板的应力蒙皮效应”。

本发明专利很清晰地给出了框架筒体的结构理论，而框架筒体理论是世界充分发展的成 熟的结构理论。

●风荷载

在密集高楼的市区，300m的高空

wk＝βgzμzμsw0

wk——风荷荷载

βgz——阵风系数，取1.51

μz——风压高度变化系数选用μz＝2.45

μs——风荷载体型系数μs＝0.8

w0——基本风压，选用海边基本风压w0＝0.7KN/m2

wk＝1.51×2.45×0.8×0.7＝2.071KN/m2

●玻璃面板在风荷载作用下最大应力σ

按CECS127：2001规程，玻璃面板见图10

其中α1——应力系数，查表为0.7927。q——均布荷载设计值。

Lb——四点支承玻璃面板长边跨长为2792mm。t——玻璃厚为15mm。

$\mathrm{\σ}=\frac{0.7927\×2.071\×1000\×{2.792}^2}{{15}^2}=56.87N/\mathrm{mm}{}^2$

查表fs＝126N/mm2满足σ＜fs 56.87N/mm2＜126N/mm2

且 $\frac{\mathrm{\σ}}{f_s}=\frac{56.87}{126}=45.39\%$

结论：玻璃面板满足风荷作用下的最大应力条件。

●玻璃面板在风荷作用下最大挠度的验算

因为L_b方向挠度由加劲肋加强了，因此算L_a方向。

其中β1挠度系数，查表0.1655

qk＝2.071KN/m2

La＝1292mm

E——玻璃弹性模量E＝0.72x105N/mm2

t——玻璃厚度，t＝15mm

$\mathrm{\μ}=\frac{0.1655\×2.071\×1000\×{12.92}^4\×{10}^6}{0.72\×{10}^5\×{15}^3}=3.93\mathrm{mm}$

[μ]——挠度容许值，

规定：[μ]＝b/100＝1292/100＝12.92mm  其中b为玻璃面板计算长。

μ＜[μ]，所以挠度计算满足。

●在年温度变化影响下玻璃边缘的挤压应力的计算

${\mathrm{\σ}}_t=E(\mathrm{a\ΔT}-\frac{e-d_c}{b})$

σt——玻璃面板挤压应力

e——玻璃边缘与边缘间的空隙，现设计5mm。

dc——施工误差可取3mm

b(或a)——垂直于边缘的玻璃面板长。取b＝3000mm

ΔT——年温度变化设计值(℃)取80℃

α——玻璃的线膨胀系数。α＝1.0x10‑5

E——玻璃弹性模量，E＝0.72x105N/mm2

${\mathrm{\σ}}_t=0.72\×{10}^5(1.0\×{10}^{-5}\×80-\frac{5-3}{3000})=9.604N/{\mathrm{mm}}^2$

σt＜＜边缘强度88.2N/mm2(查表)

所以在年温度变化影响下玻璃边缘的挤压应力满足要求。

●用玻璃幕墙技术规定计算的结论

玻璃面板在抗风，挠度及温度作用下，皆有满足作为蒙皮结构件的要求。

4、四点支撑玻璃板与窗裙梁(浅梁)连结节点的依据

因为玻璃板要与钢梁组合，因此玻璃幕墙中常用的连结节点，不太适宜，因此要设计一 套节点既要受力安全，以提高玻璃与浅梁之间的组合质量，又要保证施工简捷和安全，同时 将来容易更换玻璃板，

从图6单元平面图上看出A‑A剖面的位置，图8是A‑A剖面图，是本发明专利中的一套 玻璃板与窗裙梁(浅梁)的连接节点。

●连接节点材质

连接节点采用Q345钢材，而不考虑奥氏体不锈钢材，主要有二个原因：

1中国的Q345供货和工程施工有保证。

2不锈钢不作防腐处理，在外露条件下的防腐效果不如作防腐处理的Q345。Q345的防腐处 理：钢件镀锌，富锌漆作底漆，膜厚＞75μ，氟碳涂料膜厚＞150μ。

●玻璃板

图9为玻璃板打孔图，板长x板宽为3000mmx1500mm，厚15mm的钢化玻璃，玻璃在钢化 前先钻四个孔，孔完成以后，必须要用镀过锌的Φ55x15无缝钢管作试件，检查孔与其紧密 配合的质量，然后才能再进行钢化工艺。

图10为15mm厚钢化玻璃垫片与玻璃板PVB夹胶图，15mm厚钢化玻璃垫片与玻璃板的PVB 夹胶，可采用层压法(一步法)来夹胶。这样大大地加强了玻璃板的受力能力。但是必须注 意玻璃垫片在钢化前就要打Φ55的孔，如上述的用镀过锌的Φ55x15无缝钢管作试件，检查 孔与其紧密配合的质量，然后才能再进行钢化工艺。玻璃垫片的孔和玻璃板的孔要对准，并 用试件检查，才能进行PVB夹胶工艺。

●连接钢件

图8A‑A剖面为连接钢件，由压紧螺杆、Φ55x15无缝钢管、压紧螺帽组成。

压紧螺杆：杆长200mm，直径Φ25，压紧螺杆的头部即压紧块用冷墩法形成。

Φ55x15的无缝钢管：钢管内壁为内螺纹，与压紧螺杆的外螺纹紧密配合。

压紧螺帽：其头部长84mm，螺帽内壁为内螺纹与Φ25压紧螺杆的外螺纹紧密配合，压紧螺帽 的外边缘焊接4片加紧片，尺寸见图8A‑A剖面所示，压紧螺帽与加紧片焊接后的透视图见 图11。

镀锌时把压紧螺杆和压紧螺帽组装后一起镀锌，以保证内外螺纹的紧密配合。

●玻璃板与窗裙梁(浅梁)的安装

(1)玻璃板安装前在四个Φ55的孔内插入镀锌的Φ55x15的无缝钢管，在Φ55x15无缝钢管 与孔间的空隙涂以硅酮胶，凝固后成为一个整体。把压紧螺杆拧入Φ55x15的无缝钢管内， 在压紧螺杆头部压紧块与加劲玻璃垫板之间垫有橡胶片。

(2)用吸盘吸住玻璃板起吊，穿进窗裙梁的预留孔，把压紧螺帽拧上，此时四块加紧片的端 部顶住T型钢梁的翼缘，检查无误以后，可撤去吸盘。

(3)最后在四块加紧片与钢梁顶住的部位进行焊接，进行精细的补漆。

图1，为美国匹次堡梅隆银行大厦平面图；图2为钢板与梁柱关系图；图3为密柱深梁围成 的框架筒体；图4为稀柱浅梁围成的方形结构；图5为密柱浅梁与玻璃组成的结构；图6为 单元平面图；图7为单元透视图；图8为A‑A剖面图；图9为玻璃打孔图；图10为15mm厚 钢化垫片与玻璃板PVB夹胶图；图11为压紧螺帽透视图

具体实施方式一：建筑平面外圈，建立密柱浅梁，成为框筒，由于密柱浅梁建立的框筒是弱 框筒，因此不能满足抗震和抗风的需要，因此把玻璃板和浅梁组合，加大浅梁的截面惯性矩 使浅梁变成深梁，成为密柱深梁，组成的框筒是强框筒，这样不仅节省较多的钢材，而且整 个结构体系的力学性能得到了较大的提高，不仅如此，玻璃既是受力蒙皮，而且也是具有许 多优点的围护结构，对于建筑的舒适度的提高起了积极作用。利用本发明专利的组合方法， 如图6所示，玻璃板与框架浅梁组合，组合的质量与连接节点有密切的关系，本发明专利从 四点来保证这个质量

(1)见图10所示，15mm厚的钢化玻璃板的连接孔夹胶了15mm厚的Φ150玻璃垫圈；这样 加强了通过玻璃板孔的连接处的强度。

(2)用吸盘吸住玻璃板，与玻璃板接触的浅梁外翼缘涂刷硅酮胶，把玻璃板孔和浅梁的预留 孔对准，把压紧块带上橡胶垫片，拧入Φ55x15无缝钢管，并在该管与玻璃孔的接触处涂刷 硅酮胶，这些措施都加强了玻璃板的承压力。把压紧螺帽压上，与压紧螺杆的尾部外螺纹连 接，此时焊在压紧帽上的加劲片顶住浅梁翼缘内侧，拧紧。可撤去吸盘，这样安装很安全。

(3)检查各种情况后确实无误，则把加劲片与浅梁翼缘接触处焊牢，并做好精细补漆，安装 完成。此时Φ55x15无缝钢管与玻璃孔内壁的接触的硅酮胶凝固了，玻璃与浅梁翼缘接触的 硅酮胶也凝固了，对于加强玻璃板的强度是有利的。

(4)如果遇到罕遇的强地震，有可能部分玻璃板处于破坏状态，但由于钢化玻璃是安全玻璃， 因此决不会产生伤人现象，但需换玻璃板，本发明专利的连接结点既便于安装，又便于更换， 只要把加劲片与浅梁翼缘的焊缝气割后就能便于更换。

总之本发明专利不仅有利于设计，而且施工也十分安全、简捷。