建筑室内无立柱玻璃栏板水平推力荷载试验研究
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摘 要：玻璃栏板作为一种围护结构，在商业建筑中被广泛运用，因其材料易碎，延展性较强等特点，易受施工工艺及环境的影响，因此玻璃栏板在水平荷载影响下其安全性能是否满足设计要求，成为了急待研究的问题。本次研究对水平推力装置及水平荷载作用下的无立柱玻璃栏板结构性能进行了研究。
关键词：玻璃栏板;水平推力;反力装置;荷载试验
1 前言
商业建筑是提供商品交換和商品流通的建筑，由于商业建筑属于公共性建筑，在满足正常使用功能的同时，其外观及内部装璜也应满足一定的艺术效果和美学效果，随着玻璃在建筑上的普及，人们越来越多的将玻璃运用到商业建筑的栏板等围护结构上，带来轻巧通透、外观时尚、占用面积小、增大视觉空间的作用，但由于玻璃易碎、延展性较强等特点，与传统混凝土栏板及钢制栏杆相比，更容易受施工工艺及环境影响，具有一定的安全隐患。而在实际工程中，往往不易于对原位玻璃栏板施加水平推力，故本次研究将根据实际工程有针对性的设计推力装置，并通过相关试验研究不同施工工艺情况下同批玻璃栏板在水平推力下的结构性能。
2 工程概况
该项目位于云南省昆明市，为某商业综合体建筑，总建筑面积25万㎡，建筑室内区域有中空中庭，二层至顶层室内步行街装潢通过无立柱玻璃栏板结构围护。该无立柱玻璃栏板为12mm+1.52sgp+12mm钢化夹胶超白玻璃，单片玻璃尺寸为1495mm×1710mm×25.52mm×嵌入高度300mm。无立柱玻璃栏板通过Q235B级U型槽预埋固定在主体结构外悬挑钢结构上，外悬挑钢结构与混凝土主体结构采用预埋件连接，预埋件锚筋为HRB400级钢筋，玻璃栏板根部直接插入通长12mm厚的镀锌U型槽口内，槽口内灌注10mm厚CGM高强灌浆料并填满，栏板扶手连接为顶装壁厚3mm以上的不锈钢型材或铝合金型材，扶手型材与玻璃栏板采用线连接。现场实际工程中，无立柱玻璃栏板共有2种标准样板段，上沿栏杆通长。2种标准段整体安装线型略为不同，分别为直线标准段及弧线标准段，其中弧线标准段所安装的玻璃栏板最大起拱4～5mm。
3 推力装置研究
玻璃栏板主要受到水平荷载，试验研究可考虑集中荷载造成的最不利荷载影响，拟采用二点集中力三等分加载。针对本次试验进行推力装置的设计，包含施力装置液压千斤顶，测力装置压力计，找平用穿心垫片，加载装置爪件等，并成功申请专利（实用新型CN201520544124.6），用该装置可在施工现场搭设脚手架等反力台直接对玻璃栏板上沿进行水平推力加载。
4 玻璃栏板水平推力试验研究
考虑商场人流量大，玻璃栏板处可能产生密集的人体挤压、硬物挤压及撞击等荷载影响，在受到最不利荷载影响的情况下，玻璃栏板仍需有一定的安全储备，故本次试验研究荷载取值宜偏大，栏杆水平荷载标准值为1.0kN/m[1]，试验目标荷载取栏杆水平荷载标准值的3倍进行，按栏板宽度为1.495m进行计算，试验目标荷载不宜小于3×1.4（活荷载分项系数）×1.0 kN/m×1.495m≈6.3kN。
本次研究结合实际工程，共选择5块现场不同施工工艺的玻璃栏板进行试验，选择试验的玻璃栏板分别为：（1）试件1，直线段未安装扶手且根部未灌浆（仅插入嵌固）玻璃栏板;（2）试件2，直线段未安装扶手玻璃栏板;（3）试件3，弧线段未安装扶手玻璃栏板;（4）试件4，直线段安装扶手玻璃栏板;（5）试件5，弧线段安装扶手玻璃栏板。试验以测量加载时玻璃栏板位移为主要测量值，试验中观察玻璃栏板是否出现裂纹。试验加载点及测量点如图2所示。测点编号从左到右，从下到上分别为W1、W2、W3、W4、W5。
在正式试验前进行了预加载以消除试验装置的影响。加载过程中同步观测试件锚固端的连接情况以及试件表面是否有裂纹。
出现以下情况时视为破坏：（1）栏板位移不收敛（荷载不能稳定）;（2）在荷载作用下，栏板玻璃发生开裂;（3）连接部位松弛或脱落。出现以上破坏情况时，应终止加载，其前一级的荷载值即为极限承载力。
4.1 直线段未安装扶手且根部未灌浆玻璃栏板试验
（1）第一级加载应加载至1.26kN，实际加载最大值为0.52kN时荷载不能增加，力值逐渐减小;（2）荷载减小至0.50kN后继续加荷，加载至最大值为0.60kN时荷载不能增加，力值逐渐减小;（3）在此状态持续5min后再次进行读数，力值减小为0.50kN，此时荷载力值变小而位移不断增大;（4）由于荷载不能增加，而位移不断增大，即位移不收敛，因此进行卸载，卸载后仍有残余变形，且残余变形较大，实际观察发现下部嵌入部分松动。可判定该玻璃栏板试件在加载至0.50kN～0.68kN时下部嵌入部分已破坏（见表1）。
4.2 直线段未安装扶手玻璃栏板试验过程
对未安装扶手的直线段玻璃栏板试件进行试验，在加载过程中未发现异常，在第三级到第四级加载时玻璃栏板嵌入部分发出轻微声响，而玻璃栏板未发现裂缝，加载到试验目标荷载后，玻璃仍未出现裂缝，结束后进行卸载，卸载后发现仍有部分残余变形，但变形较小（见表2）。
4.3 弧线段未安装扶手玻璃栏板试验过程
弧线段玻璃栏板在加载过程中未发现异常，在第三级到第四级加载时玻璃栏板嵌入部分发出轻微声响，而璃栏板未发现裂缝，加载到试验目标荷载后，玻璃未出现裂缝。继续加载值6.76kN时预埋件处发生巨响并脱开，试件破坏（见表3）。
4.4 直线段安装扶手玻璃栏板试验过程
前五级加载未发现异常，在第六级加载时玻璃栏板发出明显声响，加载到试验目标荷载后，玻璃未出现裂缝，继续加载至6.89kN，约达到极限荷载的110%，结束后进行卸载，卸载后读数发现仍有部分残余变形，但变形较小（见表4）。 4.5 弧线段安装扶手玻璃栏板试验过程
在第五级加载过程中，玻璃与扶手同时发出声响，确认玻璃无裂缝后继续进行加载，达到试验目标荷载时未出现裂缝，继续加载至6.72kN时荷载不稳定，出现荷载值下滑的情况，当荷载值稳定时进行读数，此时荷载值为6.60kN，约为试验荷载极限值的105%，卸载后再次测量位移，残余变形较大（见表5）。
5 结论与展望
5.1 结论
（1）试件1在加载后，不能持荷，位移不收敛，且卸载后发现嵌入U型槽部分有明显的松动和脱落，证明试件1已破坏，可推断简单的根部嵌固并不能保证栏板的稳定，不能达到使用要求。
（2）试件2在达到荷载6.30kN（试验目标荷载）时，玻璃栏板未破坏，且实际观测未出现裂缝，此时玻璃栏板整体有明显的变形;试件3在达到荷载6.30kN时，玻璃栏板未破坏，且实际观测未出现裂缝，继续加载至6.76kN时玻璃栏板下部预埋件灌胶处发生巨响并脱开。可推断，相同施工工艺的玻璃栏板在根部嵌固灌浆后水平荷载承载力得到有效提高，但总体变形均较大，仍不能达到使用要求。
（3）试件4在达到2倍水平荷载标准值之前，荷载和位移曲线基本呈线弹性关系，继续加载至试验目标荷载时玻璃栏板仍未出现裂缝，此时玻璃栏板整体有明显的变形，卸载后仍有一定的残余变形。试件5在达到1.8倍水平荷载标准值之前，位移与荷载基本呈线弹性关系，加载至试验目标荷载玻璃栏板仍未出现裂缝，此时玻璃栏板有明显变形，继续加载后荷载不稳定，出现荷载值下滑的情况，卸载后残余变形仍较大。可推断当上部安装通长的扶手后，玻璃栏板在水平推力荷载影响下，位移得到有效约束，超过荷载标准值后，在一定范围内荷载与位移仍可处于弹性阶段，但就相关比较而言，直线段栏板的位移、弹性阶段、残余变形均好于弧线段栏板。
5.2 展望
（1）在正常使用状态下，无立柱玻璃栏板通长的扶手和下部嵌固部分有效提高了栏板承载力，并对处于荷载影响下位移有一定的约束作用，其结构是在一定荷载影响下是安全可靠的，但因结构有一定残余变形，因此定期对无立柱玻璃栏板进行检修是必须的，在不影响使用及美观的前提下，采用有立柱固定或幕墻爪件固定的玻璃栏板更为安全。
（2）目前根据该试验研究进行了反力装置的设计，但该反力装置仍有一定的局限性，仍有研究空间，后续可根据相应的需求对反力装置进行改装，保证其加载位置、荷载形式均可自由调整，以达到适用大部分结构水平推力试验的要求。
参考文献：
[1] GB 50009—2012.建筑结构荷载规范[S].
[2] DBJ50-123—2010.重庆市建筑护栏技术规程[S].
[3] GB 50784—2013.混凝土结构现场检测技术标准[S].
[4] JG/T 342—2012.建筑用玻璃与金属护栏[S].
[5] 周武东，王盼.阳台悬臂式玻璃栏板抗推力试验研究解析[J].科学与信息化，2018（25）.
[6] 谢得亮.玻璃栏板设计的常见问题及解决方案[J].中国建筑金属结构，2017（5）.
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