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玻璃作为结构材料在建筑工程中的应用。玻璃同时具备透光、高强、轻质、耐久等四项性能，有别于其他结构材料，受到建筑师的青睐。全玻璃结构和玻璃 - 钢材混合结构，已经得到较多的采用)。
1 玻璃的结构性能
1.1 玻璃是独特的结构材料
不同于钢材、混凝土等传统建筑材料，玻璃本身是透明的;玻璃具有很高的强度，尤其是很高的抗拉强度，钢化玻璃的抗拉强度标准值可达到150N/mm2至200N/mm2，仅低于钢材;由于强度高，玻璃构件厚度很小，因而玻璃结构的自重很小，全玻璃墙的自重(包括玻璃面板和玻璃柱)在 80kg/m2 至 120kg/m2 范围内，只为混凝土墙和砌体墙的1/4至1/8;玻璃是化学稳定的物质，几乎没有能腐蚀玻璃的天然介质。
由于玻璃同时具备透明、高强、轻质、耐久四大特点，它成为独特的结构材料(表1)。
表1结构材料的性能
材料
透明
高强
轻质
耐久
玻璃
O
O
O
O
钢材和不锈钢材
X
O
O
O**
铝材
X
X
O
O
混凝土
X
X
X
O*
砖、砌块、石材
X
X
X
O
聚碳酸酯材料
O
X
O
X
* 铝材的耐久性取决于镀膜或涂装的质量 ; ** 不锈钢耐腐蚀，钢材的耐久性取决于防锈措施。
1.2 用于建筑结构的玻璃
(1)钢化玻璃：将平板玻璃加热到玻璃软化点温度，用冷风迅速降温，对玻璃施加预应力，就成为钢化玻璃。
图1 玻璃破裂图形
钢化玻璃的强度可以达到平板玻璃强度的3倍到4倍，可以更好地满足结构受力的要求。此外，如遇意外，钢化玻璃破损时，碎裂为颗粒状钝角小块，避免对人体产生严重伤害(图1)。
(2)夹胶玻璃：夹胶玻璃又称夹层玻璃。用于玻璃结构的玻璃，其厚度为6mm至22mm。为满足结构截面的受力厚度，或者为了提高玻璃破碎后的安全性，常常将几片玻璃用胶片粘结为一个整体。当采用PVB胶片时，夹胶玻璃的承载力和刚度等于各片玻璃的承载力或刚度之和;采用SGP胶片时，夹胶玻璃的等效厚度可采用各片玻璃的厚度之和，因而其承载力和刚度极大地提高(图2)。
图2 6层15mm玻璃夹胶的玻璃柱
1.3 超大尺寸玻璃
目前常用玻璃的长度在8m以内，各国热弯夹胶钢化玻璃的长度一般不超过6m。超过长度的结构构件，用不锈钢板和不锈钢螺栓连接而成(图3)。
图3 用不锈钢夹板连接的玻璃柱
2012年，中国已经生产世界最大尺寸的玻璃。目前生产最大的玻璃为18m X 4m，厚度最大为25mm(图4)。并且具备了相应的钢化、热弯、夹胶的能力。中国的超大玻璃已经为国内外的玻璃结构提供了强大的技术支持(图5、图6)。
图4 超大玻璃 18m X 4m，厚度 25mm
图5 为纽约苹果店生产的15m高、5夹胶玻璃柱
图6 为香港苹果店生产的18m高、6夹胶玻璃柱
2 玻璃结构
玻璃结构常用于板，包括墙板和承重楼板。此外，用于主要承重结构时，有梁、柱和框架。
2.1 梁式结构
玻璃梁通常作为玻璃采光顶的支承结构，用于高层建筑的顶部、裙房以及大型公共建筑。为了安全，采光顶的面板和承重梁都必须采用夹胶玻璃。
玻璃梁通常采用铰支座，按简支梁计算
图7 变截面梁(左)和等截面梁(右)
图8 北京海军总医院
图9 北京天文馆
图10 纽约第五大街苹果店交叉玻璃梁系
图11 交错布置的变截面玻璃梁系
图12 玻璃穹顶的支承梁系统
图13 英国维多利亚博物馆采光顶的梁支承结构体系
玻璃采光顶的夹层玻璃面板可以周边支承，也可以采用点支承。按照其支承条件分别进行计算，通常多采用板的有限元分析软件。
图14 点支承的玻璃面板，钢爪支承(左)和夹板支承(右)
2.2 玻璃柱
玻璃柱在受弯平面内截面尺寸很大，可以到800mm或更多;而在受弯平面外，受玻璃厚度所限，通常很小。为提高平面外的稳定性，除高度较小(通常高度6m以下)时可以采用底部支承外，多数情况下采用顶部悬挂的支承方式，使玻璃柱处于拉弯的受力状态。当玻璃柱的高度很大时，常采用多片玻璃夹胶以增大玻璃的厚度，从而加大玻璃柱截面的宽度(图15)。
玻璃柱上下端均采用铰支承，承受玻璃面板传来的自重、风荷载和地震力。玻璃面板可以采用边缘支承方式或点支承方式与玻璃柱连结(图16)。
图15 采用夹胶玻璃的玻璃柱
图16 北京地铁新国展站玻璃墙上的玻璃柱
玻璃柱较高时,可以采用不锈钢板将几段玻璃柱连接为长柱(图17)。
图18为北京芳草地中心高层办公综合建筑，大面积玻璃墙面用玻璃柱支承，形成通透的室内空间。
玻璃柱平面外刚度很小，其平面外稳定性问题要有足够的注意。虽然玻璃柱的一侧有玻璃面板作为平面外的支撑，但是另一侧玻璃柱是无约束的，当承受风吸力时，自由边受压，存在失稳的危险。因此·，当玻璃柱的高度大于8m时，应考虑玻璃柱的稳定问题;大于12m时，必须进行平面外稳定性计算。必要时增加平面外的支撑(图19)。
平面外支撑可以采用水平玻璃梁、水平不锈钢撑杆、水平不锈钢板等。图20为厦门国际会议中心玻璃柱的不锈钢板水平梁式支撑，不锈钢梁自重由竖向不锈钢吊杆支承。
图17 用不锈钢板连结玻璃柱
图18 北京芳草地中心高层办公楼玻璃墙面
图19 深圳观澜球会12m玻璃柱
图20 厦门国际会展中心不锈钢梁支撑(左)和钢梁的吊杆(右)
图21 厦门马可波罗酒店，玻璃梁作为平面外支撑
图22 昆明西山万达，不锈钢管平面外支撑
苏州科技园区设计院高层办公楼，整座建筑的各层玻璃外墙均采用玻璃柱支承，大大扩展了玻璃结构的应用领域(图24)。
图23 苏州科技园区设计院办公楼全高各层布置的玻璃柱
2015年，杭州浙商财富中心的全玻璃大堂创造了全世界最高玻璃柱的记录，玻璃柱高度达到28m。玻璃柱分为3段，在现场安装、就位、连接。玻璃柱截面高度850mm，截面厚度104.1mm，采用5片19mm超白钢化玻璃用2.25mm厚的SGP高强胶片夹胶。三段玻璃柱构件用不锈钢板和不锈钢螺栓现场连接。
柱的上下端均采用不锈钢夹板形成铰支座(图24)。
图24杭州浙商财富中心28m高玻璃墙
2.3 超大尺寸玻璃面板
我国已有多家玻璃公司可以生产世界最大规格的玻璃平板(18m X 4m X 25mm)，并且北京玻璃公司已具有相应的钢化、热弯、夹胶等深加工能力。所以目前世界各地的超大玻璃面板均由中国供应。
2012年，我国首先生产了12m X 2.6m 热弯、钢化、夹胶玻璃，供应上海苹果店，打破了国外长度不大于6m 的局限。12块弯曲玻璃，每块玻璃价格达到RMB 120万元。从此，更大规格的面板玻璃不断供应客户要求(图25)。
图25超大尺寸玻璃面板
2.4 无立柱玻璃板外墙
2015年，形状如同巨型飞碟的苹果公司总部在美国加州兴建，玻璃外墙采用14m X 3.3m的超大热弯、钢化、中空玻璃(图26)，玻璃加工设备由中国供应。玻璃外墙不设玻璃柱，全部荷载由玻璃板单独承担。
图26美国加州苹果公司总部(左)和采用的14m超大弯玻璃(右)
图27为美国华盛顿总部办公楼，外墙全部为一层楼高的热弯玻璃，由上下层楼面结构简支，玻璃尺寸为3.2m X 1.5m。室内向外望非常通透。
图27 华盛顿TBS总部办公楼采用大尺寸弯弧玻璃(左)，室内非常通透(右)
同样的设计也在巴黎的UNIC项目13层住宅中采用，全部外墙为无玻璃柱支承大尺寸玻璃板，连外挑阳台的栏板也全部采用透明玻璃(图28)。
图28 巴黎UNIC项目住宅楼独立玻璃板外墙
2.5 玻璃框架
全玻璃建筑要求采用透明的玻璃框架。玻璃框架的梁柱构件受力很大，要采用夹胶钢化玻璃。框架梁柱节点为刚性连接时，可以采用不锈钢板和不锈钢螺栓连接，也有工程采用胶接(图29，图30)。
图29框架梁柱采用不锈钢板连接
图30 框架梁柱采用胶结
图31为2000年建成的第一个苹果店，位于纽约曼哈顿第五大街，由于当时没有超大玻璃，玻璃面板沿高度分为3块，玻璃柱整根，高度9m，5片15mm玻璃夹胶。玻璃框架梁柱用不锈钢螺栓连接，双向布置，顶部成为交叉梁系。
图31 纽约曼哈顿苹果店的玻璃框架结构
此后,苹果店大量采用玻璃框架结构。上海浦东苹果店2012年首次采用了12块高度达12.6m的整片超大玻璃，相应布置了12榀12.6m高的玻璃框架，汇交于顶部的玻璃环梁上。其中4榀组成正交的门式框架。 (图32)
图32 上海普通苹果店 空间玻璃框架系统
2014年建成的北京三里屯苹果店采用L形玻璃框架，梁柱一体，由整块玻璃切割而成(图33)。
图33由大尺寸玻璃切割出来，再进行夹胶的L形梁柱整体框架
2.6 玻璃楼梯
在玻璃建筑中，楼梯自然也采用玻璃结构。玻璃楼梯，无论直楼梯还是螺旋楼梯，都以扶手栏板为承重主梁，楼梯踏板安装在栏板上。栏板和踏板都采用夹胶玻璃以保证安全。踏板通常3片玻璃夹胶，面层玻璃常用刻花玻璃防滑(图34、图35)。
图34 玻璃楼梯
图35 踏板固定在玻璃栏板(主梁)上
类似于玻璃楼梯，美国洛杉矶国民银行大楼300m高空设置了玻璃滑梯，也是以玻璃栏板作为主梁，32mm厚的夹胶玻璃底板承重(图36)。
图36洛杉矶国民银行大楼300m高空的玻璃滑梯
3 玻璃结构设计的一些问题
玻璃虽然强度高，但毕竟是脆性材料，而且玻璃构件很薄，所以设计时必须进行认真的强度和刚度计算，玻璃柱还应考虑侧向稳定的问题。曾经发生过玻璃结构在强风作用下破坏的事例。如世界上建筑面积最大的单体工程—成都环球中心的玻璃墙，2016年8月7日，12m高的玻璃柱在强风作用下破坏，导致玻璃墙大面积塌落(图38)。
图37 成都环球中心玻璃墙在强风作用下塌落
3.1 玻璃的材料力学性能
1 强度设计值
玻璃是脆性材料，一直到临近破坏，应力与应变几乎是直线关系。玻璃的总设计安全系数K一般取为2.5。考虑到主要荷载风力分项系数K1为1.4，所以材料分项系数K2取为1.8。按照《玻璃幕墙工程技术规范》 JGJ 102 的规定，玻璃的强度设计值可按表2的规定采用。表2中端面指玻璃切割后所形成的表面，其宽度等于玻璃的厚度。边缘指临近端面的玻璃表面，因切割产生微裂缝，强度有所降低。
玻璃存在许多微观裂缝，在持续应力作用下，其后期强度会降低。因此，采光顶的玻璃面板、玻璃梁、长期水压作用下的水族箱板、水池底板等永久性受力的玻璃构件，其强度设计值应按表2数值的50%采用。
2 其他力学性能
玻璃的弹性模量E为0.72 X 105 N/mm2，玻璃的线膨胀系数为1.0 X 10-5。
表2玻璃的强度设计值 (N/mm2)
种类
厚度（mm）
大面
端面
边缘强度
平板玻璃
5～12
28.0
20.0
22.0
15～19
24.0
17.0
19.0
≥20
20.0
14.0
16.0
钢化玻璃
5～12
84.0
59.0
67.0
15～19
72.0
51.0
58.0
≥20
59.0
42.0
47.0
注：1 夹层玻璃和中空玻璃的强度设计值可按所采用的玻璃类型确定;
2 当钢化玻璃的强度标准值达不到平板玻璃强度标准值的3倍时，表中数值应根据实测结果予以调整;
3.2 内力分析和截面计算
玻璃可以认为是弹性均质材料，按弹性构件进行内力分析，并采用通行的弹性内力分析软件。
截面计算可按材料力学方法进行。
3.3 相关钢结构设计
与玻璃结构相关的钢结构，包括钢—玻璃混合结构的钢结构部分，按《钢结构设计规范》 GB50017进行。采用不锈钢板连接玻璃构件，连接计算也按钢结构的方法进行。
4 结语
对于大多数结构设计人员来说，玻璃是一种尚待熟悉的结构材料，玻璃结构设计经验还较少。近年来建筑师采用玻璃结构逐渐增多，结构设计也开始接触这一领域。新材料、新结构，对于我们将是新的机遇。
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专家介绍
赵西安
铝门窗幕墙委员会专家组
工作单位:中国建筑科学研究院
技术职称:研究员
专业:建筑结构,建筑幕墙
专长:建筑结构,建筑幕墙
作者：赵西安
来源：《建筑幕墙创新与发展》
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