第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 昆明西山万达广场曲面玻璃幕墙冷弯成形分析 李滇，缪春霞，郭传军，王超，梁云东 （中国建筑科学研究院，北京100013） 摘要：曲面玻璃幕墙已经广泛应用于建筑工程中，对玻璃面板冷弯成形的方法可以较好实现建筑效果，但是玻 璃的安全性一直是各方关注的焦点.
本文以昆明西山万达广场实际工程为例，对玻璃冷弯成形的计算分析方法及 施工方式进行探讨，运用有限元软件ANASYS11.0对玻璃冷弯后应力、变形及荷载最不利组合进行了模拟分析.
结果表明：冷弯变形产生的初始应力在规范允许范围内：冷弯作用在组不利组合中所占比例较小：通过精细地计 算和设计，冷弯成形的玻璃面板依然具有足够的安全性.
关键词：曲面幕墙玻璃冷弯成形有限元 1引言 曲面玻璃幕墙因其造型美观、样式鲜明在建筑工程中有着广泛的应用.
建筑物外观多样化、风格化、 个性化的需求不断增长，对建筑幕墙尤其是玻璃幕墙设计提出了更高的要求.
为了实现建筑物的曲面效果， 有三种方法可以采用：第一种是折线拟合法，即用平板玻璃来拟合曲面玻璃幕墙：第二种是玻璃热弯法， 即在工厂中将玻璃高温热弯成所需的曲面形状：第三种是冷弯成形法，即利用平板玻璃本身具备一定弹性 可弯曲的特点，在现场安装时将平板玻璃合理压弯就位，通过多块平板玻璃的压弯扭曲而拟合成曲面幕墙 的效果.
第一种折线拟合法形成的面板不是真正的曲面，棱角分明，不能完全实现建筑师的意图，如果是双曲 面幕墙，还需将板块划分成三角形：第二种玻璃热弯法相邻幕墙板块自然过度，外形流畅关观，但是不仅 玻璃需要热弯成曲面，同时支撑框架也需弯弧成形，使得造价大幅增加，供货周期延长.
第三种方法形成 的曲面效果介于热弯法和折线拟合法之间，施工方便，不增加成本，不影响工期，但是玻璃面板在安装中 会产生内力，给使用者带来不安.
本文将以实际工程为例，采用有限元分析的方法，研究冷弯成形玻璃的应力和变形状态，探讨冷弯作 用对玻璃安全性的影响，为今后的类似工程提供借鉴.
2工程概况 昆明西山万达广场（B地块二标段）地上总建筑面积约30.27万 m，包括两栋316米超高层写字楼以及连接写字楼的配套商铺.
设 计以“山茶花开一七彩云南”立意，凸显高楼在城市中的定位，同 时也是对昆明经济腾飞、文化发展的隐喻.
效果图如图1所示.
建 成后将成为昆明的城市地标.
超高层写字楼采用明框单元式幕墙， 配套商铺采用构件式幕墙.
图1昆明西山万达广场效果图 作者简介：李滇(1981-) 男， 本科， 工程师
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 3超高层明框单元式幕墙玻璃翘曲分析 3.1分析原理 在AUTOCAD中三维放样分析，采用平板玻璃拟合为曲面幕墙.
分别以玻璃面板的三个角点确定一个 平面，第四个角点到该平面的距离即为翘曲值，取翘曲最大的角点翘曲值为该面板的翘曲值，如图2所示.
/ 图2玻璃板块示意图 图3幕境三维线模型图 3.2分析目标 昆明西山万达广场超高层立面形态是“中间大，两头小”的橄榄球双曲面造型，取55~57层单元板块 为研究对象，层高4100mm，板块分格尺寸4100×1500mm，玻璃尺寸为2800×1500mm、1300×1500mm （如图3所示）.
分析每个板块的翘曲度，通过高度比例折算为玻璃的翘曲值，得到每块玻璃的翘曲值.
因为该建筑沿对角线对称，本文仅分析其中的一个面即能代表四个面的翘曲分布情况.
3.3分析结果 将标准层高（层高4100mm）的板块翘曲进行统计分析，可以得到： （1）翘曲后单元板块竖框、横梁呈曲线形（近似直线），玻璃面板为曲面： （2）单元面板在错台位置处翘曲最大，最大翘曲值为15.1mm： （3）玻璃（1500×2800mm）最大翘曲值为10.3mm，玻璃（1500×1300mm）最大翘曲值为4.8mm： （4）大面单元板块的翘曲很小，不到0.5mm，翘曲值在允许范围内，本文不做分析.
3.4板块翘曲处理方案 为尽量实现建筑效果，且节约成本，本工程采用玻璃冷弯成形的方案进行设 计，具体做法如下： （1）在幕墙单元单元板块内，通过1、2、3三点确定一个平面，将玻璃板块 对应的三点约束在同一平面，将4点根据放样测量的翘曲值进行压弯到实际需求 点，如图4所示.
调整幕墙龙骨固定点的位置，带动压板弯曲来实现曲面成形.
对的板块都实施上述措施，即可完成整个玻璃幕墙的安装.
（2）玻璃采用冷弯成形，方案阶段需分析计算玻璃冷弯成形产生的应力值， 该应力值应远小于玻璃的强度设计值.
在玻璃弹性变形范围内，玻璃冷弯不会引 起自爆或破裂.
图4玻璃板块冷弯示意图 2
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 4超高层明框单元式幕墙冷弯玻璃应力分析 4.1分析目标 本文分析的玻璃板块有两种形式：一种分格尺寸1500×1300mm，配置为8mm钢化玻璃，玻璃翘曲值 为4.8mm，另一种分格尺寸1500×2800mm，配置为812A8钢化中空玻璃，玻璃翘曲值为10.3mm：玻璃 翘曲边位移分布无规则.
为了方便计算，翘曲挠度分析时，中空玻璃简化为等效单块玻璃建模，在玻璃面 板翘曲分析时，假定角部的翘曲值沿着玻璃翘曲边成线性分布.
分析对象：（1）分析玻璃面板在强制翘曲位移作用下，玻璃面板内部的应力分布情况：（2）当风荷载 标准值取2.3kPa时，在风荷载、水平地震荷载和角部强制翘曲位移共同作用下，玻璃内部应力以及玻璃挠 度的变化情况.
4.2建模及分析 采用有限元软件ANASYS11.0，玻璃面板采用shell单元模拟，玻璃弹性模量E=0.72×10MPa，钢 化玻璃强度设计值为84MPa，泊松比为0.20，玻璃临边采用较接约束，翘曲边施加线性约束，玻璃面板施 加面荷载².
4.2.1建立有限元模型 8mm玻璃左上角施加4.8mm强制翘曲值，翘曲位移的施加沿翘曲边成线性分布，如图5所示，玻璃 翘曲呈带状曲线分布：812A8中空玻璃左上角施加10.3mm强制翘曲值，翘曲位移的施加沿翘曲边成线 性分布，如图6所示，玻璃翘曲也呈带状曲线分布.
ANTS AAF 图58mm玻璃翘曲分布图 图6812A8中空玻璃翘曲分布图 4.2.2受力分析 在仅考虑翘曲的作用下，8mm玻璃最大应力为1.509MPa，如图7所示：812A8中空玻璃最大应力 为1.123MPa，如图8所示.
应力较大位置均位于玻璃的角部.
WT ARR 图78mm玻璃翘曲应力图 图8812A8中空玻璃翘曲应力图
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 玻璃面板在翘曲强制位移作用下，玻璃面板的应力分布跟玻璃面板的长短边比例有关：当玻璃面板长 短边比例接近时，翘曲点的应力最大：当玻璃面板长短边比例变大时，翘曲点的应力不是最大，应力最大 值在短边方向与翘曲点相邻的点上.
在“风荷载水平地震荷载强制翘曲位移”的组合作用下，8mm玻璃最大应力为19.328MPa，应力 最大位置均位于玻璃中心和角部，如图9所示.
812A8中空玻璃内片最大应力为29.748MPa，如图10 所示：中空玻璃外片最大应力为32.426MPa，应力较大位置均位于玻璃角部，如图11所示.
NRST: ANSIS 图98mm玻璃应力图 图10812A8中空玻璃内片应力图图11812A8中空玻璃外片应力图 玻璃面板在风荷载、地震荷载和强制翘曲位移共同作用下，玻璃面板的最大应力均在翘曲点.
4.2.3变形分析 在考虑风荷载标准值作用下，8mm玻璃最大挠度为7.116mm，如图12所示：812A8中空玻璃最大 挠度为15.945mm，如图13所示.
提度最大值均位于玻璃中心.
图128mm玻璃变形图 图13812A8中空玻璃变形图 4.3有限元结果分析 经过以上的计算和分析可以得到： （1）对玻璃板块的一角施加强制位移，玻璃翘曲呈带状曲线分布：两种玻璃的翘曲分布形态基本一致.
（2）在仅考虑翘曲的作用下，两种玻璃的应力都很小，应力最大值分布跟玻璃面板的长短边比例有关， 远远小于玻璃的安全许用规定.
（3）在考虑风荷载水平地震荷载强制翘曲位移的组合作用下，8mm玻璃最大应力为19.328MPa， 812A8中空玻璃内片最大应力为29.748MPa、外片最大应力为32.426MPa，内层玻璃在冷弯状态时应力 稍小.
两种玻璃的应力值均小于强度设计值84MPa.
（4）在风荷载标准值作用下，8mm玻璃最大浇度为7.116mm，是玻璃短边尺寸的1/182：812A8中 空玻璃最大负位移为15.945mm，是玻璃短边尺寸的1/95，满足《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003 中规定的不大于1/60的要求.
第二十三届全国高层建筑结构学术会议论文 2014年 5结论 双曲面幕墙玻璃冷弯成形技术，正逐渐得到广泛的应用.
通过工程实例分析，本文得到以下结论： （1）冷弯成形技术的应用，可以有效降低成本，并且可以较好地实现建筑师的意图.
（2）经冷弯引起的玻璃板块中最大应力值较低，远小于钢化玻璃的强度设计值，不影响面板安全性.
（3）冷弯作用与风荷载、水平地震作用引起的应力分布不同.
冷弯状态下，玻璃应力较大区域位于玻 璃板块的角部：在风荷载、水平地震作用下，应力较大区域位于玻璃板块中心区域.
（4）在荷载最不利组合中，与其他荷载相比，冷弯作用产生的应力所占比例较小.
（5）冷弯成形后，玻璃周边支承铝框、幕墙与主体结构的连接件的强度和变形需通过验算，并确保能 满足规范要求.
（6）为满足建筑外形需要，采用冷弯成形，使平板幕墙板块安装形成曲面是安全可行的.
（7）当幕墙采用单元式系统时，连接支座的位置精度将十分重要，当板块三点就位后再弯曲第四点就 位，达到曲面拟合.
冷弯成形并非意味着野蛮施工，而是需要精心的设计和计算.
需具体工程具体分析，选择适合于该工 程的建设方法.
设计时，务必计算确认玻璃和型材因曲翘而产生的内应力加上外部荷载仍在安全允许范围 内，切勿盲目使用，以免留下安全隐患或造成事故.
参考文献 [1]徐鹤山.ANSYS在建筑工程中的应用[M]北京：机械工业出版社，2005. [2]王新敏.ANSYS工程结构数值分析[M].北京：人民交通工业出版社，2007. [3]JGJ102-2003.玻璃幕墙工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2003. [4]孙立雄《曲面玻璃幕墙建设新法一冷弯成形法》
