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U型玻璃组合节能幕墙设计及应用
1.概述
建筑用U型玻璃（亦称槽型玻璃）事用先压延后成型的方法连续生产出来的，因其横截面呈“U”型，故得名。U型玻璃品种很多，有着理想的透光性、隔热性、保温性和较高的机械强度，不但用途广泛、施工简便，而且有着独特的建筑与装饰效果，并能节约大量轻金属型材，所以被世界上许多国家的城乡建筑所采用。
世界上最早生产U型玻璃的国家之一是奥地利，该过的Moosbrunner Glasfubrik公司从1957年开始生产底宽为262mm的U型玻璃，在此前后，比利时的Glaverbel公司、法国的Saint-Gobuin公司和Bouois公司、英国的皮尔金顿公司、原联邦德国的BauglaindustrieAG公司、美国的LOF公司和AFG公司、加拿大PPG工业公司和日本板硝子也先后建起了U型玻璃生产线。
东欧国家以前苏联为最早，1965年，俄联邦的首条U型玻璃生产线在波尔斯克玻璃厂投产，年产量为3万m2。随后，在鲍尔玻璃厂、红五月玻璃厂、切尔尼亚金玻璃厂、古雪夫玻璃厂、莫斯利石棉隔热材料联合公司等11家企业先后建起10多条U型玻璃生产线，到了1975年，前苏联的U型玻璃产量已达到400万m2。
前民主德国以及罗马尼亚、匈牙利、南斯拉夫、葡萄牙等国的U型玻璃生产，也大多始于60年代后期。
阿尔及利亚奥兰玻璃公司一窑双线的U型玻璃于1992年年底投产，开创了非洲U型玻璃生产之先河。
在我国，介绍U型玻璃的资料出现于70年代末期。因为玻璃生产企业和有关建筑部门对这种玻璃都十分陌生，所以这种新型建筑玻璃一直没得到开发，更谈不上推广和应用。1995年，云南省昆明创安U型玻璃有限公司从国外引进了关键设备，由秦皇岛玻璃工业研究设计员配套设计，于1996年初建成了我国第一条U型玻璃生产线，现已正式投产从而填补了我国国民经济的持续发展和人民生活水平的不断提高，在我国建筑和装饰设计部门、生产部门和流通领域等各方面的共同努力下，这种新型建筑玻璃在我国一定能够得到推广和应用，取得快速的发展。
2．说明
U型玻璃（U-Profile-Gla）亦称槽型玻璃，是一种新颖的建筑型材玻璃，国外有近40年的生产应用历史。因截面呈U型，使之比普通平板玻璃有较高的机械强度并具有理想的透光性、较好的隔音性、保温隔热性、能节省大量金属材料、以及施工简便等优点，适用于建筑的内外墙、隔墙、屋面及窗等。
昆明创安U型玻璃有限公司与德国RULEX公司合作，引进德国U型玻璃生产技术和设备，其产品经国家玻璃质量监督检验中心按前苏联「OCT-21992-83标准，参照德国DIN1249标准进行检测，各项指标合格，并通过省级产品鉴定会鉴定。．采用标准：
A.异型玻璃（国家标准报批稿）
2、U型玻璃/Q KYB01-1997
B.建筑工程质量检验评定标准GBJ301-88。
C.装饰工程施工及验收规范JGJ73-91。
D.中华人民共和国《U型玻璃外装修标准06J501》
4.适用范围：
由于U型玻璃具有较好的透光而不透视的特性和良好的装饰性，可用于机场、车站、体育馆、厂房、办公楼、宾馆、住宅、温室等工业与民用建筑非承重的内外墙、隔断、窗及屋面。
5.U型玻璃的建筑设计：
A.U型玻璃按表面处理方式不同，有普通压花玻璃、夹丝玻璃、彩色玻璃等，设计选用时除普通压花玻璃外，选用其余玻璃应予注明。
B.U型玻璃属不燃烧材料，如有特殊要求时应按有关规范进行设计。
C.U型玻璃分类：
?按颜色分：有色的和无色的。
?按表面状态分：有平滑的和带花纹的。
?按强度分：有钢化、贴膜、保温层
?按规格分：有钢化、贴膜、保温层
D.U型玻璃属不燃材料，如有特殊要求时按有关规范进行设计。
E.U型玻璃两翼的朝向测试结果表明两翼向迎风买内，强度高于两翼背风面。
F.型玻璃按造型及建筑使用功能分别采取以下组合方式：
⑴单排 翼朝外(或内）
⑵单排 楔形结构,互相咬合⑶单排 楔形结构,互相贴合⑷双排 翼在接缝处成对排列
⑸双排 翼对翼
G.型玻璃隔墙长度大于6000，高度超过4500时，应核算墙身的稳定，采取相应的措施。
H.型玻璃用于湿度较大的房间且室内外温差较大时，应处理好玻璃表面露水的排泄及下滴问题。
I.型玻璃用于圆型墙及屋面时，曲率半径不应小于1500。
J.点构造详见国家标准图集《U型玻璃外装修标准06J501》。
6.性能指标
?抗压强度700～900 N/mm2。抗拉强度30～50 N/mm2。
?莫氏硬度6～7。
?弹性模量60000～70000 N/mm2。
?线膨胀系数（温度每升高1℃）(75～85)×10-7。
?化学稳定性0.18 mg。
?弯曲强度 ?透光率：当表面有小花纹装一排时为89%，装两排时81%。
?传热系数：①单排安装时3.65W/m2K。②双排安装时1.74W/m2K。③贴膜时1.57 W/m2K ④填充保温层1.2 W/m2K
?隔声能力：单排安装时27db，双排安装时38dB。
?耐火极限：0.75h（单排）。
7.安装要点:
?U型玻璃的端面和平面应无锯齿状缺口或裂纹。
?各独立的U型玻璃构件应支撑在具有均匀弹性的衬垫上。
?玻璃与临近的金属件、混凝土和砂浆结构之间不能有硬性接触。
?在U型玻璃的上端与更高处的建筑物件（如过梁、大梁、屋面板等）之间必须留有缝隙。
?U型玻璃上端与临近的上部结构之间的空气缝隙不应小于25mm，以应付其变形，便于安装更换。
?必须用弹性密封材料填充U型玻璃之间的纵缝。
?密封材料，通常有二组分的聚硫塑料、硅铜胶、柔性聚氯乙烯型材等，用于U型玻璃与固定件、U形玻璃条之间的密封。
?圆绳，用于U型玻璃与边框之间的密封。
?条形衬垫、柔性聚氯乙烯型材、浸过沥青的条带、硬泡沫塑料等，用作U型玻璃与边框之间的胀缝和滑缝。
?膨胀螺栓，用于固定边框
规格（注：最大出厂长度并不等于使用长度）8.U型型玻璃的安装：
A.用膨胀螺栓或射钉将边框料固定在建筑物的洞口中，边框可用指直角或斜角连接。边框每侧应至少由个固定点。上下框料每隔400~600应有一个固定点。
B.将起稳定作用的塑料件截成相应长度，放入框中上下型材内。
C.U型玻璃入框时，应将玻璃内面仔细擦洗干净。
D.将U型玻璃条依次插入。U型玻璃插入上框料的深度应≥20。插入下框料的深度应≥12，插入左右框料的深度应≥20。当U型玻璃插至最后一块，洞口宽于玻璃宽不一致时，沿长度方向裁切玻璃，按18页“端头玻璃安装顺序”将所裁切玻璃装入，同时将塑料件截成与玻璃相应长度放入边框一侧。
E.在边框与玻璃间的缝中塞入弹性垫条，垫条与玻璃和边框接触面不得少于10。
F.在边框与玻璃，玻璃与玻璃，边框与建筑结构体的接缝中，填入玻璃胶类弹性密封材料（或称硅酮胶）密封。玻璃与边框的弹性密封厚度最窄处≥2，深度应≥3，U型玻璃块之间的弹性密封厚度应在3-5之间。
G.玻璃全部安装完，将表面的污垢清除干净。
9.U型玻璃的验收：
U型玻璃的验收除参照建筑装饰工程及验收规范（JGJ73-91）第三、四章门窗工程及玻璃工程有关章节外，还应重点检查：
A.边框是否直接固定在建筑上，之间的缝隙是否密封。边框承受的荷载应直接传给建筑，不应使U型玻璃受力。
B.玻璃与玻璃之间，玻璃与边框之间的缝隙，是否按上述要求进行密封。
C.应使U型玻璃在框了中沿玻璃长度方向能自由伸缩，在上框料与U型玻璃之间要留有适当缝隙。
D.为防止膨胀螺栓等固定件与框料之间相互接触发生化学反应产生接触腐蚀，在钢膨胀螺栓等固定件与铝框之间应用合成材料垫圈或油漆类物质隔开。
10.U型玻璃使用长度的计算
U型玻璃垂直安装时使用长度的计算
在有风荷载的情况下，应通过计算来确定U型玻璃的最大使用长度。
不同规格的U型玻璃的抗弯模量见表12：
Wf1=翼的抗弯模量 Wst=底版的抗弯模量
单排U型玻璃墙体的风荷载,在翼朝室内安装时，采用翼的抗弯模量计算最大使用长度
在翼朝外安装时，采用底版的抗弯模量计算最大使用长度
单排U型玻璃墙体的风荷载情况
双排U型玻璃构造的墙体：
外层玻璃承担一半风荷载和全部风量。
计算实例：
采用单排500/41/6U型玻璃构筑垂直墙体，U型玻璃翼朝室内安装。
U型玻璃的最大使用长度用下式计算：
式中：L=U型玻璃最大使用长度（m）
=U型玻璃的弯曲应力（N/mm2）
Wf1=U型玻璃翼的抗弯模量（cm3）
Wst=U型玻璃翼的抗弯模量（cm3）
P=风荷载（KN/m2）
A=U型玻璃的底宽（m）
1000=转换系数
设：风荷载P=0.5KN/m2
弯曲应力 =30N/mm2
=2.31
由计算得知，在已知风荷载和弯曲应力（一般为30N/mm2）的情况下，使用规格为500/41/6的U型玻璃构筑单排墙体，U型玻璃的最大使用长度为2.31m。
11.U型玻璃露点的计算
根据《采暖通风与空气调节设计规范》
A.根据用户的要求，确定以下参数，B.室内计算温度16℃，相对湿度60%，室外温度－23℃，风速0.2m/s。
C.根据给定参数，求出U型玻璃墙内表面的温度：
∑=tm－Rn/R0×(tn－twn)。设中∑－U玻墙内表面温度，Rn－内表换热阻取0.11 W/(m2.k)，R0－总热阻双层U玻（两翼相对安装）取0.476W/(m2.k)，tn－室内计算温度，twn－室外计算温度，U玻墙内表面温度是∑=14.99℃，近视为15℃。
D.根据要求：室内16℃，相对湿度60%，含水量为12.477g/m3,而-23℃相对湿度100%时，相对湿度含水量为12.84 g/m3，由12.477g/m3
12.U型玻璃的保温性能
衡量建筑材料的保温性能通常以传热系数或传热阻来评价。
在物理手册中，我们很容易查到一些材料的热传导率，如玻璃的传导率为0.7-0.9W/（M.K），与红砖0.8W/(M.K)差不多，而空气的热传导率为0.03W/（M.K），仅为玻璃的1/27，U型玻璃墙体就是应用了这一原理，在两块玻璃中间留有空气层作为介质，那么这个空气层对玻璃来讲，就是热阻，从而使玻璃的传热系数降低，起到保温的性能，中空玻璃就是根据这个原理而加工制成的。
以22MM厚的中空玻璃为例：它是由两片5MM的玻璃，中间夹有12MM厚的空气层，它的传热系数为3.17W/（M2.K），厚度等于5 5 12=22MM，那么等厚的22MM的普通玻璃的传热系数为4.93-5.0W/（M2.K）。
双层安装U型玻璃（等于两片6MM的玻璃加上一个35MM厚的空气层）其传热系数为2.8W/（M2.K），及相当于240MM厚的粘土砖墙。
如果用双层翼高60MM的U型玻璃（等于两片8MM厚的玻璃加上52MM厚的空气层）。其传热系数进一步降低至2.1W/（M2.K）。及相当于270MM厚的粘土砖墙。
13.U型玻璃幕墙大样节点：
U型玻璃立面图 U型玻璃安装平面投影图
U型玻璃安装剖面图 U型玻璃端头安装顺序
14、U型玻璃工程实例：
15.U型玻璃的计算方法：
基本参数：
1：计算点标高：100m；
2：力学模型：按简支梁形式计算；
3：玻璃跨度：L=4050mm；
4：玻璃类型：单片玻璃P260/60/7；
5：玻璃翼朝向：室内；
6：玻璃安装方式：单排连接，垂直布置；
7：玻璃材料物理性能级截面参数：
玻璃强度设计值：30MPa；
玻璃弹性模量E：70000MPa；
玻璃截面积A：25.62mm2；
翼板部分截面抗弯矩Wx1：53780mm3；
板面部分截面抗弯矩Wx2：13710mm3；
绕Y轴截面抗弯矩Wy：170230mm3；
X轴截面惯性矩Ix：655500mm4；
Y轴截面惯性矩Iy：22129400mm4；
(对于夹层玻璃，该处的各抗弯矩和惯性矩采用的是内片玻璃参数)
U型玻璃可以按支撑于两点的简支梁力学模型进行设计计算，受力模型如下：
15.1 U型玻璃荷载计算：
(1)风荷载作用的线荷载集度(按矩形分布)：
qwk：风荷载线分布最大荷载集度标准值(N/mm)；
wk：风荷载标准值(MPa)；
B：U型玻璃宽度，也就是承载宽度(mm)；
qwk=wkB
=0.001×260
=0.26N/mm
qw：风荷载线分布最大荷载集度设计值(N/mm)
qw=1.4qwk
=1.4×0.26
=0.364N/mm
(2)水平地震作用线荷载集度(按矩形分布)：
qEk：水平地震作用线荷载集度标准值(N/mm)；
qEAk：垂直于幕墙平面的分布水平地震作用标准值(MPa)；
βE：动力放大系数,取5.0；
αmax：水平地震影响系数最大值，取0.16；
Gk：幕墙构件的重力荷载标准值(N)，(含面板和框架)；
A：幕墙构件的面积(mm2)；
qEAk=βEαmaxGk/A ……5.3.4[JGJ102-2003]
qEk=qEAkB
qEk=5.0×0.16×0.0000256×25.62
=0.0005N/mm
qE：水平地震作用线荷载集度设计值(N/mm)；
qE=1.3qEk
=1.3×0.0005
=0.0007N/mm
(3)幕墙受荷载集度组合：
用于强度计算时，采用Sw+0.5SE设计值组合： ……5.4.1[JGJ102-2003]
q=qw+0.5qE
=0.364+0.5×0.0007
=0.364N/mm 用于挠度计算时，采用Sw标准值： ……5.4.1[JGJ102-2003]
qk=qwk
=0.26N/mm
(4)U型玻璃在组合荷载作用下的弯矩设计值：
Mx：弯矩组合设计值(N•mm)；
Mw：风荷载作用下产生的弯矩设计值(N•mm)；
ME：地震作用下产生的弯矩设计值(N•mm)；
L：U型玻璃跨度(mm)； 采用Sw+0.5SE组合：
Mw=qwL2/8
ME=qEL2/8
Mx=Mw+0.5ME
=qL2/8
=0.364×40502/8
=746313.75N•mm 15.2 U型玻璃的抗弯强度计算：
按简支梁抗弯强度公式,应满足：σ=Mx/Wnx≤fg 上式中：
Mx：弯矩组合设计值(N•mm)；
对于单片的U型玻璃，该参数就是上面计算得到的Mx；
对于夹层的U型玻璃，参考JGJ102-2003关于夹层玻璃计算的规定，该参数为参数Mx再乘以系数1/2，2层玻璃强度相同；
Wnx：在弯矩作用方向的净截面抵抗矩(mm3)，翼板朝向室外时取面板部分的抗弯矩，翼板朝向室内时取翼板部分抗弯矩；
对于夹层玻璃，该参数采用内片玻璃参数；
fg：玻璃的抗弯强度设计值，取30MPa； 则： σ=Mx/Wnx
=746313.75/53780
=13.877MPa≤30MPa
U型玻璃抗弯强度能满足要求。1５.3 U型玻璃的挠度计算：
根据简支梁挠度计算公式，得：df=5qkL4/384EIx
对于单片的U型玻璃，该处qk就是上面计算得到的qk；
对于夹层的U型玻璃，按等刚度分配原理，该处qk为上面计算所得参数qk再乘以系数1/2；
对于夹层玻璃，公式中的惯性矩采用内片玻璃参数；
df=5qkL4/384EIx
=5×0.26×40504/384/70000/655500
=19.85mm
而df,lim=4050/200=20.25mm
所以，U型玻璃挠度能满足规范要求。
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