随着美国苹果公司对玻璃结构创造性应用，玻璃结构进入全球民众视野。从20世纪晚期开始，玻璃结构已在国外发展了30多年，从试探阶段进入到广泛应用的阶段[1,2]，同时国外对玻璃结构的研究也积累了非常丰富的成果[3]。而国内，对玻璃承重结构的研究比较有限[4-11]。苹果公司上海旗舰店有力证明了国内的玻璃制造和装配业具备制造玻璃结构的能力。但对玻璃结构的设计研发，我国还处于试验和探索阶段。
图1 2014年幕墙年展的玻璃梁(作者拍摄)
为了探讨玻璃结构的承载力验算方法，笔者尝试运用幕墙和钢结构的设计方法对玻璃盒子进行结构设计。
图2 玻璃盒子平立面图(自绘图片)
玻璃盒子为边长5m的立方体，为简化方案，忽略门窗的设计。每个玻璃面分三格，玻璃面板尺寸为1.67 m宽×5 m高(长)。综合考虑设计强度、剩余强度和耐温性，本项目玻璃均选用半钢化SGP夹胶玻璃，玻璃尺寸由结构计算决定，考虑SGP对结构玻璃的作用 [。
玻璃屋面板通过橡胶垫片和硅酮结构胶与相关构件连，将橡胶垫片（词条“垫片”由行业大百科提供）视为竖向支座（词条“支座”由行业大百科提供），硅酮结构胶视为弹簧支座(其弹簧刚度由结构胶的变型量决定);玻璃墙面板通过酮结构胶与玻璃柱连接，通过螺栓与底部支座连接。
玻璃柱的底部为固接，顶部与玻璃梁铰接。主梁的两端与玻璃柱铰接形成主排架。次梁与玻璃柱铰接形成次排架。次梁与主梁交接处，次梁使用钢件穿过主梁进行等强连接。
图3 玻璃盒子结构体系(自绘图片)
图注：1为中柱，2为主梁，3为次梁，4为角柱，5为边梁;A为刚接柱脚，B为梁柱间铰接，C为次梁接长刚接，D为角柱与边梁的连接;
假设玻璃盒子处于广州城区，按50年使用年限进行考虑，其基本风压为0.5kPa，粗糙度类别为C类。抗震设防类别为“丙类”，抗震设防烈度为7度。
玻璃盒子所在地基为尺寸足够大的C40混凝土（词条“混凝土”由行业大百科提供），其抗压强度：
，抗拉强度：
。
玻璃盒子按建筑结构荷载规范GB5009-2012进行荷载取值和组合，玻璃的承载力设计值按建筑玻璃应用技术规程JGJ113-2009取值。根据玻璃幕墙工程技术规范JGJ102-2003和钢结构设计规范GB50017-2014对玻璃盒子进行强度和挠度（词条“挠度”由行业大百科提供）验算。
1玻璃盒子各构件的承载分析
1.1玻璃屋面板的承载分析
在风荷载作用下，中间位置处的屋面板平面外承受竖向风荷载，同时平面内承受墙面板传递的水平风荷载。边缘处的屋面板，三边与墙面板连接，均承受墙面板传递的风荷载。
图4 屋面板的荷载情况(自绘图片)
图中：g为面板自重，q为面板活荷载，W1为竖向风荷载，W2为水平风荷载，Q为集中活荷载
由于硅酮结构胶长度远大于宽度，宽度方向对玻璃的支承力可以忽略，所以屋面板的水平支座只沿结构胶的长度方向设置。
图5 屋面板的支座布置(自绘图片)
图中：箭头方向为水平支座设置方向
1.2玻璃墙面板的承载分析
玻璃墙面承受的荷载有五种情况，见图6。
图6 墙面板的荷载情况(自绘图片)
图中：a)为自重和活荷载组合，b)为中间墙面板自重和风荷载的组合，c)为转角墙面板自重和风荷载的组合，d)为中间墙面板自重、风荷载和地震作用的组合，e)为转角墙面板自重、风荷载和地震作用的组合。
Gw为墙面板自重，gr为支承屋面板的重量，q为支承屋面板承受的面活荷载，Q为支承屋面板承受的集中活荷载，w1为支承屋面板的竖直风荷载，w2为墙面板直接承受的水平风荷载，w3为支承转角墙面板的水平风荷载，qEK为墙面板直接承受的地震荷载，qEK1为支承转角墙面板的地震荷载
玻璃墙面板的支座布置见图7，具体的设置见表1。
图7 墙面板的支座布置(自绘图片)
1.3玻璃排架的承载分析
图8 玻璃主排架的荷载情况
图中：a)为自重和活荷载组合，b) 为自重和风荷载组合(顺风向)c) 为自重和风荷载组合(侧风向)d)为自重、风荷载(顺风向)和地震作用组合e)为自重、风荷载(侧风向)和地震作用组合
玻璃主排架承受荷载的情况有五种，见图8，其受荷宽度为1666.7mm。由于不了解结构胶与玻璃共同作用的机理，以及玻璃面板有效宽度的选取办法，所以本文不考虑玻璃面板对玻璃排架(梁柱)的抗弯作用，只考虑玻璃面板对玻璃柱梁的侧向支撑作用时，玻璃梁不会发生弯扭失稳，玻璃排架不发生侧向失稳。
在主排架失效时，次排架会代替主排架，成为主承重骨架，因此次排架的荷载情况与主排架相同。次排架的计算简图如图9，假设次梁为三段玻璃构件刚接而成的接长梁。
图9 次排架计算简图
2玻璃盒子的承载力验算
本文选择SAP2000对各构件进行有限元分析，得到各构件的最大应力最和挠度值。
2.1玻璃面板的承载力验算
通过SAP2000运算，屋面板选用8+1.52(SGP)+8mm厚半钢化夹胶玻璃(有效厚度（词条“有效厚度”由行业大百科提供）为16.05mm)，墙面板10+1.52(SGP)+10mm厚半钢化夹胶玻璃(有效厚度为21.07mm)，验算结果见表2，图10-图13。
图10 屋面板的应力分布图
图11 屋面板的挠度分布图
a) 自重和活荷载组合b) 自重和风荷载组合c) 自重、风荷载和地震组合
图12 墙面板的应力分布图
图13 墙面板的挠度分布图
2.2玻璃排架的承载力验算
经验算，玻璃梁柱均选用高度为300mm的10mm+1.52mm(SGP)+ 10mm厚夹层半钢化玻璃，最大应力值见表3，弯矩图见图14，图15。最大挠度值见表4，变形图见图16，图17。
图14 不同荷载组合的主排架的弯矩图
图15 不同荷载组合的次排架的弯矩图
表中：a)为自重和活荷载组合，b) 为自重和风荷载组合(顺风向)c) 为自重和风荷载组合(侧风向)d) 为自重、风荷载(顺风向)和地震作用组合e) 为自重、风荷载(侧风向)和地震作用组合。轴力栏中正值为拉力值，负值为压力值
图16 不同荷载组合的主排架的变形图
图17 不同荷载组合的次排架的变形图
表中：a)为自重和活荷载组合，b) 为自重和风荷载组合(顺风向)c) 为自重和风荷载组合(侧风向)
3玻璃盒子剩余强度分析
玻璃结构中，玻璃构件的破坏存在不可预见性、突发性和不可避免性。所以必需考虑玻璃构件破坏后，结构的安全性。除非极端情况，玻璃盒子一般只会产生局部构件破坏，所以本文只考虑某一构件破坏对玻璃结构的影响。
由于玻璃选用SGP的夹胶玻璃，根据制造商提供的实验证明[13]，即使玻璃面板破碎，也会保留在原位，玻璃骨架承受荷载没有改变。只是破碎构件不再承受荷载，荷载将传到其相邻的玻璃构件上。
当中间面板破坏时，对玻璃结构影响不大。当边角面板破坏时，会影响相邻玻璃面板，要求进行相关面板的强度复核。当中柱破坏时，与之连接的梁退出工作，与之组成排架的另一中柱成悬挑构件，需要进行强度复核。当主次梁破坏退出工作时，屋面板的支承情况有改变，但不会引起面板破坏，与之相连的中柱成悬挑构件，需要进行强度复核。因此，玻璃盒子的剩余强度验算包括：缺少支撑的玻璃墙面板的强度复核，和悬挑中柱的强度复核。由于构件破坏后，有临时支护才可上屋面检修，所以剩余强度验算不考虑1kN的屋面检修集中荷载。
3.1玻璃墙面板的剩余强度验算
结构胶轴向与面板平行的转角墙面板为不利墙面板，对其进行剩余强度验算，自重和风荷载组合视为墙面板剩余强度验算时的最不利荷载组合，最大应力值见表5。
图18 不同支承下墙面板的应力分布图
3.2玻璃屋面板的剩余强度验算
屋面板的支承构件破坏情况有五种。图19a为短边处墙面板失效，屋面板支承减少，与屋面板和失效墙面板连接的墙面板传来的荷载增加。图19b为次梁失效有两种情况，次梁直接失效，中柱失效导致次梁失效。后一种情况会使屋面板承受墙面传来的水平荷载增大，作为验算的对象。图19c为长边处边缘墙面板失效，此时，其分析与图19a情况相似。图19d为长边处中间墙面板失效。图19e为主梁失效。经验算，屋面板的最大应力值，见表6。
图19 屋面板剩余强度时的支座情况
注：a)为短边处墙面板失效，b)为次梁失效，c)和d)为长边处墙面板失效，e)为主梁失效
图20不同支承下屋面板的应力分布图
3.3玻璃排架的剩余强度验算
图21 玻璃柱破坏可能情况(自绘图片)
玻璃柱破坏有三种可能情况，如图21。情况一，支承主梁的中柱破坏，相应玻璃面板变为三边支承，该主排架上的另一中柱视为悬挑构件，玻璃主梁承受的荷载传递到玻璃次梁上，次排架变为主排架承担荷载。情况二，支承次梁的中柱破坏，相应玻璃面板变为三边支承，该次排架上的另一中柱视为悬挑构件，相应的次梁退出工作。情况三，角柱破坏，即面板破坏。
图22 玻璃梁破坏可能情况(自绘图片)
玻璃梁破坏有三种可能情况，如图22。情况一，主梁破坏，相应玻璃面板荷载由次梁承受，相连的中柱成悬挑构件。情况二和情况三，均为次梁破坏，玻璃面板受荷支承减少，但不会引起面板破坏，相连的中柱成悬挑构件。因此，排架结构的剩余强度验算就是玻璃中柱的悬挑验算。
图23 悬挑柱的荷载情况
基于上述分析，悬挑柱的不利荷载情况出现在主排架另一中柱失效，有两种荷载情况，一是自重和风荷载组合(迎风)，二是自重、风荷(迎风)和地震的组合。经验算，最大应力值见表7。
图24 不同荷载组合的次排架的弯矩图
表中：a)为自重和风荷载组合(顺风向)，b)为自重、风荷载(顺风向)和地震作用组合，轴力栏中正值为拉力值，负值为压力值。
4玻璃盒子连接节点设计
面板的连接和玻璃柱脚的连接设计与幕墙相同，此处不再详述，只对梁柱连接，次梁接长连接进行介绍。为保护玻璃梁柱，在玻璃柱梁的两面各增加一片玻璃，作为柱梁的保护层(牺牲层)，因此实际玻璃梁柱为4×10mm厚SGP夹层半钢化玻璃。
玻璃主排架的梁柱连接构造图见图25。玻璃梁和玻璃柱做成榫眼和凸榫形式，锲在一起，通过1颗等级为A4-70的M12不锈钢猪鼻螺栓固定，玻璃的开孔直径为25mm，详见图26。
图25 玻璃梁柱连接构造图
图26 梁柱连接处的螺栓节点图
次梁接长构造图，见图27。次梁遇到主梁时需要断开，通过钢连接件穿过主梁(主梁上开∅25×80mm的长圆孔)进行接长连接。钢连接件当于次梁的一部分，承受相应的段的荷载和内力。钢件通过螺栓与主梁连接，对次梁接长节点起侧向支撑作用。
图27 次梁接长构造图
5小结
本文运用弹性力学，对玻璃盒子进行传统理论上的结构设计，尝试探讨玻璃结构设计的方法。本文按荷载传递过程依次对玻璃面板、玻璃排架、玻璃节点进行强度和刚度的验算。并且根据玻璃脆性（词条“脆性”由行业大百科提供）的特点，尝试提出玻璃盒子剩余强度分析的思路和验算方法。玻璃盒子方案图见图28-图32。各构件验算结果见表8。
本文玻璃盒子的结构设计只停留在理论计算阶段，没有经过实验进行复核，也不能较全面考虑玻璃结构在实际工程中可能遇到的问题(如门窗洞、排水、防雷（词条“防雷”由行业大百科提供）、备管线布置等)，不一定能真正反映玻璃结构的实际受力情况。只能是玻璃结构设计的一种尝试性的探讨，为国内玻璃结构的研发提出一些想法，希望能引起国内同行的关注，使玻璃结构能在国内发展起来。
图28 玻璃盒子立面图
图29 玻璃盒子平面图(地面)
图30 玻璃盒子平面图(梁高)
图31 玻璃盒子剖面图(主梁)
图32 玻璃盒子剖面图(次梁)
参考文献
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