1 玻璃的結構性能

　　1.1 玻璃是獨特的結構材料

　　不同于鋼材、混凝土等傳統建筑材料，玻璃本身是透明的;玻璃具有很高的強度，尤其是很高的抗拉強度，鋼化玻璃的抗拉強度標準值可達到150N/m㎡至200N/m㎡，僅低于鋼材;由于強度高，玻璃構件厚度很小，因而玻璃結構的自重很小，全玻璃墻的自重(包括玻璃面板和玻璃柱)在 80kg/㎡ 至 120kg/㎡ 范圍內，只為混凝土墻和砌體墻的1/4至1/8;玻璃是化學穩(wěn)定的物質，幾乎沒有能腐蝕玻璃的天然介質。

　　由于玻璃同時具備透明、高強、輕質、耐久四大特點，它成為獨特的結構材料(表1)。

　　表1 結構材料的性能

　　* 鋁材的耐久性取決于鍍膜或涂裝的質量 ; ** 不銹鋼耐腐蝕，鋼材的耐久性取決于防銹措施。

　　1.2 用于建筑結構的玻璃

　　1 鋼化玻璃：將平板玻璃加熱到玻璃軟化點溫度，用冷風迅速降溫，對玻璃施加預應力，就成為鋼化玻璃。

　　鋼化玻璃的強度可以達到平板玻璃強度的3倍到4倍，可以更好地滿足結構受力的要求。此外，如遇意外，鋼化玻璃破損時，碎裂為顆粒狀鈍角小塊，避免對人體產生嚴重傷害(圖1)。

　　2 夾膠玻璃：夾膠玻璃又稱夾層玻璃。用于玻璃結構的玻璃，其厚度為6mm至22mm。為滿足結構截面的受力厚度，或者為了提高玻璃破碎后的安全性，常常將幾片玻璃用膠片粘結為一個整體。當采用PVB膠片時，夾膠玻璃的承載力和剛度等于各片玻璃的承載力或剛度之和;采用SGP膠片時，夾膠玻璃的等效厚度可采用各片玻璃的厚度之和，因而其承載力和剛度極大地提高(圖2)。

　　1.3 超大尺寸玻璃

　　目前常用玻璃的長度在8m以內，各國熱彎夾膠鋼化玻璃的長度一般不超過6m。超過長度的結構構件，用不銹鋼板和不銹鋼螺栓連接而成(圖3)。

　　2012年，中國已經生產世界最大尺寸的玻璃。目前生產最大的玻璃為18m X 4m，厚度最大為25mm(圖4)。并且具備了相應的鋼化、熱彎、夾膠的能力。中國的超大玻璃已經為國內外的玻璃結構提供了強大的技術支持(圖5、圖6)。

　　2 玻璃結構

　　玻璃結構常用于板，包括墻板和承重樓板。此外，用于主要承重結構時，有梁、柱和框架。

　　2.1 梁式結構

　　玻璃梁通常作為玻璃采光頂的支承結構，用于高層建筑的頂部、裙房以及大型公共建筑。為了安全，采光頂的面板和承重梁都必須采用夾膠玻璃。

　　玻璃梁通常采用鉸支座，按簡支梁計算。

　　玻璃采光頂的夾層玻璃面板可以周邊支承，也可以采用點支承。按照其支承條件分別進行計算，通常多采用板的有限元分析軟件。

　　2.2 玻璃柱

　　玻璃柱在受彎平面內截面尺寸很大，可以到800mm或更多;而在受彎平面外，受玻璃厚度所限，通常很小。為提高平面外的穩(wěn)定性，除高度較小(通常高度6m以下)時可以采用底部支承外，多數情況下采用頂部懸掛的支承方式，使玻璃柱處于拉彎的受力狀態(tài)。當玻璃柱的高度很大時，常采用多片玻璃夾膠以增大玻璃的厚度，從而加大玻璃柱截面的寬度(圖15)。

　　玻璃柱上下端均采用鉸支承，承受玻璃面板傳來的自重、風荷載和地震力。玻璃面板可以采用邊緣支承方式或點支承方式與玻璃柱連結(圖16)。

　　玻璃柱較高時,可以采用不銹鋼板將幾段玻璃柱連接為長柱(圖17)。

　　圖18為北京芳草地中心高層辦公綜合建筑，大面積玻璃墻面用玻璃柱支承，形成通透的室內空間。

　　玻璃柱平面外剛度很小，其平面外穩(wěn)定性問題要有足夠的注意。雖然玻璃柱的一側有玻璃面板作為平面外的支撐，但是另一側玻璃柱是無約束的，當承受風吸力時，自由邊受壓，存在失穩(wěn)的危險。因此·，當玻璃柱的高度大于8m時，應考慮玻璃柱的穩(wěn)定問題;大于12m時，必須進行平面外穩(wěn)定性計算。必要時增加平面外的支撐(圖19)。

　　平面外支撐可以采用水平玻璃梁、水平不銹鋼撐桿、水平不銹鋼板等。圖20為廈門國際會議中心玻璃柱的不銹鋼板水平梁式支撐，不銹鋼梁自重由豎向不銹鋼吊桿支承。

　　蘇州科技園區(qū)設計院高層辦公樓，整座建筑的各層玻璃外墻均采用玻璃柱支承，大大擴展了玻璃結構的應用領域(圖24)。

　　2015年，杭州浙商財富中心的全玻璃大堂創(chuàng)造了全世界最高玻璃柱的記錄，玻璃柱高度達到28m。玻璃柱分為3段，在現場安裝、就位、連接。玻璃柱截面高度850mm，截面厚度104.1mm，采用5片19mm超白鋼化玻璃用2.25mm厚的SGP高強膠片夾膠。三段玻璃柱構件用不銹鋼板和不銹鋼螺栓現場連接。

　　柱的上下端均采用不銹鋼夾板形成鉸支座(圖25)。

　　2.3 超大尺寸玻璃面板

　　我國已有多家玻璃公司可以生產世界最大規(guī)格的玻璃平板(18m X 4m X 25mm)，并且北京玻璃公司已具有相應的鋼化、熱彎、夾膠等深加工能力。所以目前世界各地的超大玻璃面板均由中國供應。

　　2012年，我國首先生產了12m X 2.6m 熱彎、鋼化、夾膠玻璃，供應上海蘋果店，打破了國外長度不大于6m 的局限。12塊彎曲玻璃，每塊玻璃價格達到RMB 120萬元。從此，更大規(guī)格的面板玻璃不斷供應客戶要求(圖26)。

　　2.4 無立柱玻璃板外墻

　　2015年，形狀如同巨型飛碟的蘋果公司總部在美國加州興建，玻璃外墻采用14m X 3.3m的超大熱彎、鋼化、中空玻璃(圖27)，玻璃加工設備由中國供應。玻璃外墻不設玻璃柱，全部荷載由玻璃板單獨承擔。

　　圖28為美國華盛頓總部辦公樓，外墻全部為一層樓高的熱彎玻璃，由上下層樓面結構簡支，玻璃尺寸為3.2m X 1.5m。室內向外望非常通透。

　　同樣的設計也在巴黎的UNIC項目13層住宅中采用，全部外墻為無玻璃柱支承大尺寸玻璃板，連外挑陽臺的欄板也全部采用透明玻璃(圖29)。

　　2.5 玻璃框架

　　全玻璃建筑要求采用透明的玻璃框架。玻璃框架的梁柱構件受力很大，要采用夾膠鋼化玻璃?？蚣芰褐?jié)點為剛性連接時，可以采用不銹鋼板和不銹鋼螺栓連接，也有工程采用膠接(圖30，圖31)。

　　圖32為2000年建成的第一個蘋果店，位于紐約曼哈頓第五大街，由于當時沒有超大玻璃，玻璃面板沿高度分為3塊，玻璃柱整根，高度9m，5片15mm玻璃夾膠。玻璃框架梁柱用不銹鋼螺栓連接，雙向布置，頂部成為交叉梁系。

　　此后,蘋果店大量采用玻璃框架結構。上海浦東蘋果店2012年首次采用了12塊高度達12.6m的整片超大玻璃，相應布置了12榀12.6m高的玻璃框架，匯交于頂部的玻璃環(huán)梁上。其中4榀組成正交的門式框架 。

　　2014年建成的北京三里屯蘋果店采用L形玻璃框架，梁柱一體，由整塊玻璃切割而成(圖34)。

　　2.6 玻璃樓梯

　　在玻璃建筑中，樓梯自然也采用玻璃結構。玻璃樓梯，無論直樓梯還是螺旋樓梯，都以扶手欄板為承重主梁，樓梯踏板安裝在欄板上。欄板和踏板都采用夾膠玻璃以保證安全。踏板通常3片玻璃夾膠，面層玻璃常用刻花玻璃防滑(圖35、圖36)。

　　類似于玻璃樓梯，美國洛杉磯國民銀行大樓300m高空設置了玻璃滑梯，也是以玻璃欄板作為主梁，32mm厚的夾膠玻璃底板承重(圖37)。

　　3 玻璃結構設計的一些問題

　　玻璃雖然強度高，但畢竟是脆性材料，而且玻璃構件很薄，所以設計時必須進行認真的強度和剛度計算，玻璃柱還應考慮側向穩(wěn)定的問題。曾經發(fā)生過玻璃結構在強風作用下破壞的事例。如世界上建筑面積最大的單體工程—成都環(huán)球中心的玻璃墻，2016年8月7日，12m高的玻璃柱在強風作用下破壞，導致玻璃墻大面積塌落(圖38)。

　　3.1 玻璃的材料力學性能

　　1 強度設計值

　　玻璃是脆性材料，一直到臨近破壞，應力與應變幾乎是直線關系。玻璃的總設計安全系數K一般取為2.5?？紤]到主要荷載風力分項系數K1為1.4，所以材料分項系數K2取為1.8。按照《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》 JGJ 102 的規(guī)定，玻璃的強度設計值可按表2的規(guī)定采用。表2中端面指玻璃切割后所形成的表面，其寬度等于玻璃的厚度。邊緣指臨近端面的玻璃表面，因切割產生微裂縫，強度有所降低。

　　玻璃存在許多微觀裂縫，在持續(xù)應力作用下，其后期強度會降低。因此，采光頂的玻璃面板、玻璃梁、長期水壓作用下的水族箱板、水池底板等永久性受力的玻璃構件，其強度設計值應按表2數值的50%采用。

　　2 其他力學性能

　　玻璃的彈性模量E為0.72 X 105 N/m㎡，玻璃的線膨脹系數為1.0 X 10-5。

　　3.2 內力分析和截面計算

　　玻璃可以認為是彈性均質材料，按彈性構件進行內力分析，并采用通行的彈性內力分析軟件。

　　截面計算可按材料力學方法進行。

　　3.3 相關鋼結構設計

　　與玻璃結構相關的鋼結構，包括鋼—玻璃混合結構的鋼結構部分，按《鋼結構設計規(guī)范》 GB50017進行。采用不銹鋼板連接玻璃構件，連接計算也按鋼結構的方法進行。

　　4 結語

　　對于大多數結構設計人員來說，玻璃是一種尚待熟悉的結構材料，玻璃結構設計經驗還較少。近年來建筑師采用玻璃結構逐漸增多，結構設計也開始接觸這一領域。新材料、新結構，對于我們將是新的機遇。