中空玻璃在幕墙设计中气压差的问题研究

费秀凤

摘要：主要阐述中空玻璃在高层以及超高层玻璃幕墙中的应用以及气压差引起的问题。随着高度的变化，空气稀薄，密度小，大气压强也就随着高度的的升高而减小。在高空使用的中空玻璃腔体气体的气压大于外界气压，从而导致腔体气体体积变大，中空玻璃出现外凸的视觉效果。本文根据理想气体状态方程（仅考虑体积变化），定量的求出玻璃的承受的气压差，并进一步计算由此气压差引起的玻璃的应力与变形的影响。从而可以生产加工时采取一定的措施消除此影响，以保证中空玻璃在高空使用的安全。一般消除气压差的措施就是在中空玻璃生产是在其密封的四周加设呼吸管或者毛细管，以达到内外气压差平衡的作用。

关键词：中空玻璃；大气压变化；理想气体；状态方程；呼吸管；毛细管

1.引言

随着低碳经济和建筑节能的发展。人们对生活环境和工作环境的舒适性要求越来越高，中空玻璃以其显著的优点：高强，轻质，通透，节能,色彩可变等，越来越受到建筑师的青睐。随便高层超高层的建筑的拔地而起，中空玻璃成为这些建筑的首选。但由于中空玻璃工厂生产地和使用建筑地的海拔高度不同，玻璃中空层气压与外部大气压也就不同，从而导致中空玻璃内外两片玻璃的两侧气压不同，存在气压差，引起中空玻璃两侧凸出的现象。

2.中空玻璃在玻璃幕墙中的运用

玻璃虽然是脆性材料，但是其有很好的抗拉和抗弯强度。根据规范钢化玻璃的设计强度高达84MPa。安全性还是有保障的。同时玻璃应该迄今为止最通透的材料了，可以很好的扩展视野，采光效果好，特别是在高层和超高层建筑中。同时，玻璃可以很好的帮助建筑师完成其想要达到的效果，为建筑物穿上一层光彩夺目的外衣。目前已建成的世界最高建筑是迪拜的哈利法塔，其高度高达828m，外墙装饰采用的就是中空夹胶玻璃的玻璃幕墙。国内的高层超高层建筑也越来越多，例如已建成的有上海中心，深圳平安金融中心，天津117大厦等，均在600米以上。也都采用的是玻璃幕墙。

中空玻璃是由两片或者两片以上的玻璃，玻璃之间采用间隔框间隔开，内部充入干燥气体，现在一般采用胶接法将玻璃粘接一起，形成一个完整的密封的中空玻璃系统。一般玻璃之间采用双道密封，第一道密封采用硅酮结构胶，在隐框幕墙中也起到传力的作用。第二道密封采用丁基胶主要是为了有效的阻挡湿气，同时配备干燥剂分子筛以保持空腔气体的干燥。中空玻璃由于空腔内充入干燥气体，如空气，氩气或者其他惰性气体的，空气的导热系数为0.0241W/m.K，氩气的导热系数为0.0163W/m.K，氪气的导热系数仅有0.0087W/m.K；因此中空玻璃起到很好的隔热效果。中空玻璃一般在加工厂整体加工，所以加工质量可以得到很好的保证。中空玻璃和片的原片玻璃可以根据安全性能和功能要求选择不同的玻璃，如安全性能好的钢化玻璃，舒适性好的镀膜玻璃，以及装饰性好的着色玻璃。

3.大气压强随高度的变化

由于在高层和超高层建筑安装框架幕墙施工难度很高。而单元式玻璃幕墙是在加工厂整体加工完整，运到建筑施工现场直接插接挂到与主体结构连接的牛腿上。单元幕墙安装基本可以在建筑物的楼层内部操作完成，避免了工人在外部高空作业，减少危险。因此，绝大部分的高层超高层幕墙均采用单元式幕墙。单元玻璃幕墙一般在低纬度工厂加工完成制作后在较高纬度安装。这就出现了本文所探讨的中空玻璃气压差的问题。

标准的大气压强为在标准大气压下海平面位置处的压强。随着高度的变化，大气压也在不断的减小，也并非线性的减小。跟高度，大气密度，气候，温度，湿度，风力等都有关系。此处主要考虑高度对对大气压的影响。查阅资料大气压强与高度变化的近似公式表示如下：

式中：f1、f2—中空玻璃内外玻璃微小区域内挠度值；

A—中空玻璃的面积域。

中空玻璃为四边支撑，简化为四边简支，因此，计算时按照矩形薄板挠度理论计算公式。此处采用适合四边简支的纳维解法，如下所示：

式中：D—内外玻璃的刚度；

t—内外玻璃的厚度

υ—玻璃的泊松比

E—玻璃的弹性模量

—玻璃承受的均布荷载

a,b—玻璃短边和长边尺寸

为简化计算，计算时只取m=1，n=1进行计算分析，将式（2）中空玻璃变形后的内外压差ΔPH带入式（4）挠度计算公式，则就可以得出内外两片玻璃任意位置的挠度。再将挠度带入式（3）得出中空玻璃空腔气体层的体积变化量ΔV：

式中：μ—挠度系数，由玻璃的长短边之比a/b根据JGJ102表6.1.3采用；

k—弯矩系数，由玻璃的长短边之比a/b根据JGJ102表6.1.2-1采用；

η—折减系数，由参数θ根据JGJ102表6.1.2-2采用。

5.中空玻璃在气压差的计算实例

某工程玻璃为8mm+12A+8mm中空钢化玻璃，玻璃的短边尺寸为a=1500mm，长边尺寸为b=2000mm；玻璃的弹性模量为E=72000MPa,泊松比为υ=0.2，此中空玻璃内外玻璃的刚度为D1=3.2×106N⋅mm，D2=3.2×106N⋅mm；式（6）参数K=2.622×1010，中空层初始体积为V0=3.6×107mm3；a/b=0.75，根据规范JGJ102表6.1.2-1弯矩系数为k=0.0683，表6.1.3挠度系数μ=0.00663；经计算参数θ在1500m高度下也是小于5的，因此在进行玻璃的最大应力和挠度计算时不考虑折减系数η的影响。

现将计算结果整理如所示：

上表为因气压差作用引起的中空玻璃的应力和变形大小。对于中空玻璃产地和使用低的高度差小于500m的，玻璃的变形未超过1mm，对中空玻璃变形影响视觉较小。应力影响也相对较小。但气压差引起的应力是持久应力，因此会影响玻璃的可靠性；在恶劣条件下同时叠加外界的荷载，这样就增加了中空玻璃承载的危险性；如果玻璃高空破裂，形成玻璃雨，高空坠落，这样带来的危险性不可估量，为保证中空玻璃在高空使用的安全性，就有必要采取一定的措施减少危险。最直接的办法就是增加的玻璃的厚度，但是这样不经济，造成资源浪费。因此，一般采用在工厂加工时，增设毛细管或者呼吸管。

6.毛细管和呼吸管的运用

查阅国外规范，对中空玻璃生产位置与使用位置高差超过500m的，在低纬度工厂加工时，在中空玻璃的四周密封位置处加设毛细管和呼吸管。使中空玻璃腔体气压和外界气压始终处于动态平衡的状态，减少气压差，降低对玻璃带来的挠曲现场，增加人们透过玻璃开阔视野的舒适度。对采用的毛细管和呼吸管做稍微详细的叙述，分析其利弊

1）采用毛细管。中空玻璃生产时，就将内径小于0.5mm的毛细管，插入中空玻璃中以平衡中空玻璃在高空气压差下的压强。毛细管的内径都比较小，因此一般处于常开口状态，几乎不会产生什么不利的影响。

2）采用呼吸管。在生产中空玻璃时，将内径大于1mm的呼吸管，插入中空玻璃内，使中空玻璃腔体的与外界处于联通的状态，以达到气压平衡。由于呼吸管直径相对较大，因此当中空玻璃在高空安装完成时，一定要封闭呼吸管。如果忘记封闭呼吸管，腔体进入湿气，导致腔体密封效果失效，内部胶体脱落，则中空玻璃就失去了其效果，造成安全隐患和不可估量的损失。因此，相比较而言还是采用毛细管相对安全可靠些。

7.结论及建议

根据理想气体方程及薄板理论，求解出中空玻璃的内外压差；根据玻璃幕墙技术规程求解出玻璃相应的应力与变形。并通过实例计算列出各个高度的相应数值，进行比较分析；

对生产地和使用地超过500m的中空玻璃，建议采取措施消除低压引起的影响，即采用毛细管或者呼吸管。

参考文献：

[1]中国建筑科学研究院.玻璃幕墙工程技术规范:JGJ102-2003[S].

[2]上海市金属结构行业协会.建筑幕墙工程技术规范:DGJ08-56-2012.

[3]Glassinbuildings–SelectionandinstallationAS1288-2006.

[4]建筑玻璃生产与应用.罗忆,刘忠伟编著.

[5]赵西安,超高摩天大楼的玻璃幕墙.中国建筑金属结构[J].2014(4):64-70.

[6]建筑结构静力计算手册(第二版).