0 引言

隨著大型公共建築的湧現，全玻幕墻的應用越發廣泛，高度也顯著增大，如天津美術館主入口全玻幕墻單塊玻璃肋高度為14米，杭州浙商財富中心大堂全玻幕墻拼接玻璃肋高度達到27米。隨著玻璃肋高度的不斷提高，玻璃肋穩定性問題也日益受到工程界的關註。

我國現行規范指出高度大於8m的玻璃肋宜考慮平面外的穩定驗算，高度大於12m的玻璃肋應進行平面外的穩定驗算，但規范中目前未給出玻璃肋穩定性驗算公式，工程中多采用有限元分析方法進行穩定性驗算。在國內外相關的學術研究中，以數值模擬居多，試驗研究還比較少。

針對現有研究存在的不足，中建研工程咨詢設計院開展瞭跨中無側向約束、玻璃面板提供側向連續約束兩種玻璃肋試件的穩定性試驗，同時考慮玻璃肋厚度的影響，以揭示玻璃肋彎扭失穩的破壞機理，為建立玻璃肋的穩定性設計方法提供試驗依據。

1 試驗設計

試驗所考察的玻璃肋分為兩類，第一類不考慮側向約束，試驗試件為單片玻璃肋，如圖2所示；第二類考慮玻璃面板對玻璃肋的側向連續約束作用，試驗試件為兩塊玻璃肋和一片玻璃面板組成的槽型構件，見圖3。

玻璃肋試件的跨高比取10:1，凈跨度取為3000mm，截面高為300mm，兩端各伸入支座150mm，測量玻璃肋彎扭失穩中會發生的平面內彎曲、平面外彎曲和扭轉三種位移。兩類試驗均采用6mm和10mm兩種厚度的玻璃肋，本文僅列出10mm厚度玻璃肋的試驗數據(6mm厚度玻璃肋試驗數據可閱讀參考文獻)。試驗試件尺寸及數量如表1所示。

2 無側向約束玻璃肋試驗

試件在試驗加載初始階段試件沒有可察覺的變化，隨著荷載的逐漸增大，可觀察到玻璃肋跨中有較小的側向彎扭變形，繼續加載可以看到玻璃肋面外側移和扭轉增長速度明顯加快，當達到80%破壞荷載後，每一級荷載都伴隨顯著的彎扭變形。

破壞在瞬間突然發生，沒有任何征兆，發出清脆的碎裂聲，破壞發生瞬間沒有可見的位移突然增大現象，僅在某一點或某一區域內瞬間產生多條裂紋。

10mm試件破壞荷載下的最大位移和內力見表2，表中最大拉應力是指試件幾個應力測量點中的最大值，且最大拉應力出現在側向彎曲中受拉面的底部。

試件的跨中上部側移、跨中截面扭轉角和跨中頂點豎向位移結果如圖5~圖7所示。

圖8中給出瞭10mm試件的應力，從圖中看到10mm的應力結果和理想截面強軸、弱軸彎矩共同作用的情況更為接近。其中試件1沒有發生明顯彎扭變形，因此玻璃肋兩側的應力結果差距小於其他試件。

中線應力如圖9，可以看出正應力和高度大致成線性關系，中性軸位於截面形心。同時，強軸彎曲引起的最大拉應力約為30 MPa，為表3中破壞時總應力(48.1MPa)的60%左右，弱軸彎曲引起的拉應力約占破壞時總應力的40%。

因為玻璃的破壞是由最大拉應力控制的，進一步關註各試件中最大拉應力隨荷載的變化，從圖中可以看出，在加載前期，試件彎扭變形未明顯發展，跨中截面最大拉應力和強軸彎矩成正比，表現為曲線隨荷載線性增長。

隨著荷載加大，截面發生側向位移和扭轉後，最大拉應力受強軸彎曲和弱軸彎曲共同影響，曲線斜率下降，拉應力增長速度加快，試件表現出不同程度拉應力增速加快。因此彎扭變形對單片試件產生明顯影響，降低瞭試件承載能力。

3 連續側向約束玻璃肋試驗

槽型10mm試件破壞荷載下的最大位移和內力見表3，破壞荷載指分配到單一玻璃肋三個加載點的荷載之和。

對比單片試件結果可以看出，槽型試件破壞時的豎向位移有所降低，槽型10mm試件約為單片10mm試件的50%；側向位移顯著降低，槽型10mm試件約為單片10mm試件的1%；測到的最大軸向拉應力約為單片試件的50%；承載力方面，槽型10mm試件比單片10mm試件無明顯提升。

槽型10mm試件破壞發生所在玻璃肋的位移結果如圖12~圖14所示。

所有試件在破壞前發生的側向位移十分微小，均小於0.5mm，可以忽略不計，其中試件1-3仍能看出側向位移隨荷載的變化趨勢，側向位移從加載開始或某一荷載點開始隨荷載線性增長，直至破壞。

圖13中，截面扭轉十分微小(小於0.1°)，可以忽略不計，試件2-3仍能看出截面轉角隨荷載的增大而線性增大。圖14中，試件的豎向位移與荷載成典型線性關系，這是因為試件側向位移、截面扭轉很小，破壞前對豎向剛度的影響可忽略不計。

將各個試件破壞時，玻璃肋跨中全部測點應力見圖15。

從圖15中可以看出10mm槽形試件應力測量結果有如下規律：(1) 玻璃肋兩側的應力和所處截面高度近似成正比；(2) 玻璃肋兩側應力相差很少，弱軸彎曲拉應力占強軸、弱軸彎曲總拉應力的比例不足10%，即側向彎扭對玻璃肋兩側應力幾乎沒有影響；(3) 玻璃肋的最大壓應力和最大拉應力基本相同，玻璃肋和玻璃面板形成整體T型截面抗彎的組合作用很小；(4) 同一試件中兩片玻璃肋最大拉應力十分相近，破壞可能出現於任一片肋上。

玻璃肋最大拉應力隨荷載變化曲線如圖16所示。

從圖中可得，對於槽形試件中大部分玻璃肋，在加載全程中，試件的彎扭變形始終無明顯發展，跨中截面最大拉應力和強軸彎矩成正比，表現為曲線隨荷載線性增長，直至破壞。因此通過結構膠與玻璃肋連接的玻璃面板對玻璃肋的側向變的約束作用較強，彎扭變形在槽型試件中，尤其是10mm試件未明顯發展。

4 單片與槽型玻璃肋主要試驗結果對比

單片與槽型玻璃肋主要試驗結果對比列於表4，由表4可知：與相對應的單片玻璃肋相比，槽型玻璃肋的破壞荷載提高7%~133%，豎向位移減少48%~78%，側向位移減少97%左右，最大拉應力降低47%左右，表明玻璃面板和結構膠對玻璃肋側向約束作用明顯，大幅提升穩定性。

5 結論

通過玻璃肋穩定性試驗和數據分析，得出以下結論：

(1) 無側向約束玻璃肋承受面內荷載時總伴隨平面外彎扭失穩，側向彎扭幅度隨截面厚度的增加而顯著減小，10mm試件側向位移約為6mm試件的50%。

(2) 對於無側向約束玻璃肋，彎扭失穩發生後截面受力狀態由單純的強軸彎曲改變為強軸、弱軸彎曲共同作用，截面厚度越小弱軸彎曲影響越大。彎扭失穩很大程度上增大軸向拉應力，使玻璃肋破壞荷載降低，明顯削弱瞭面內荷載作用下的承載能力。

(3) 對於玻璃面板提供側向約束的玻璃肋，平面外彎扭變形比無約束試件大幅減小，側向位移僅為無側向約束試件的1%-5%，彎扭失穩未明顯發展，最終截面受拉端達到材料強度而發生脆性斷裂。

(4) 玻璃面板為玻璃肋長邊提供的側向約束作用明顯，大幅度提高瞭玻璃肋的承載力，承載力比無側向約束試件提高約1倍。