结构玻璃和玻璃结构的发展外文翻译资料

 2021-12-09 10:12

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结构玻璃和玻璃结构的发展

前言

Fig.2:Glass roof of Museum for Hamburg History, Germany

Fig.1:Kibble Palace Glasgow, Scotland

玻璃在工程中被认定为一种真正的结构建筑材料。非存心地说,虽然从坚硬的玻璃嵌板到第一个玻璃-金属穹顶,人们已经受益非浅,但直到今天玻璃才被工程师们用作新型的结构元素。现在玻璃几乎可以做任何结构,例如 各种形式的玻璃穹顶,索网的墙壁,玻璃梁,玻璃片和玻璃柱。

玻璃穹顶

金属玻璃穹顶标志着对金属玻璃结构美观认识的最初形成。至十九世纪中叶以前,金属玻璃穹顶多用于屋顶市场,美术馆和火车站。伦敦的水晶宫是最具有代表性的,它不但证明了金属玻璃可以在建筑上有所作用,而且预示其将被合理得用于工业化系统之中,是第一个铸铁玻璃穹顶,尽管这只是巴黎的带肋的圆顶商业交易所。这种结构虽然建于1811年,但它就像十九世纪上半叶出现的花丝棕榈住宅一样,比现在得结构轻很多(Fig.2)。然而这种一个带肋穹顶依赖于肋骨的抗弯刚度得原则,受益于玻璃嵌板得变硬。这种玻璃板与今天的玻璃窗相比尺寸较小。但尺寸小也给我们提供了一定的余地,整体结构不会因为几块玻璃板的破坏而塌陷。

1863年,Schwedler在穹顶上添加了加劲肋,从而创造了膜壳结构,这种膜壳结构被成功的应用于多种结构中得同时,网状Schwedle Dome也成为了历史建筑得一部分。这种美在澳地利维也纳的Casometer任然可以看到。这种沿中心几何对称的结构正被用于各类建筑中。

在1954年,Buckminster Fullery用一个全新的拉压杆件建造出了球状穹顶。这种结构得发明获益于Bauersfeld的工作,他在1992年为耶拿的Zeiss Planetarium制作网架时是以二十面体开始的。这种规则得多面体是由20块球面等边三角形组成,它得表面覆盖了等边三角形的带肋网架。

所有这些圆顶解决方案可能不能,但还是被应用于自由曲面。1989年,这种实例得新解决方案得以开发出来,因而内卡苏姆和汉堡的网壳状玻璃屋顶才得以建成(图2 ) ,这种解决方案现在也很适用。这种方法是在由钢杆件和球节点组成的四边形网架,这种网架适合任何形式的斜拉锁,这样就允许壳结构仅仅由等边杆件组成,这是一个比较经济的解决方案。然而,随着Pilkington发明了浮法工艺,该工艺在确保高空玻璃框架安全的前提下,加大了玻璃结构的尺寸和厚度。

由于四边形网格是双曲面形式,这就要求在上面安装弧形玻璃嵌板,除非。。。柏林历史博物馆庭院的屋顶是网壳结构,它被设计成一种平面形式,是由常见的平面四边形网格组成,很容易在上面安装平面玻璃嵌板(Fig.3)。

虽然没有四边形网格那么有效,但三变形网格可以被用来做各种形式的空间结构(Fig.4)。

Fig.3:Glass roof of German Historical Museum, Germany

Fig.4:Glass roof of DZ-Bank, Germany

玻璃外墙

玻璃外墙是玻璃的一种典型应用,玻璃外墙的应用可以追溯到玻璃幕墙的发展,他们和骨骼框架结构几乎在十九世纪末的同一时间内出现,但是第一个玻璃幕墙的形成还要追溯到Bauhaus时代,玻璃第一次不仅仅是作为一个窗户,而是有了很大的发展,在这里,玻璃成为外墙结构的一种填充构件。因此,玻璃只能作为一个四边形的玻璃板而被应用。

从玻璃幕墙到密封层玻璃,相对而言只是发展了一小步。这种发展始于60年代末期美国高层办公楼的玻璃外墙。在这里,玻璃被安装在一个有密封层的结构中(通常是用铝)。这就使得玻璃板之间只需要很小的节点相连,这样就可以使玻璃板的表面非常光滑。由于界定的环境因素(如温度、适度等),这种连接过程最好用预制构件在工厂车间力完成,在密封玻璃结构中,只有风荷载是通过密封层来转换的,而静荷载通常是加在节点上的。遗憾的是从那时开始,每期的《结构玻璃》是与这些外墙系统联系在一起的。这就意味着玻璃本身具有一个真正的结构功能,但是与玻璃上的窗户相似,它只是被当作四边形的玻璃板而被应用。

在最近的五年里,双面强非常受欢迎。这种双面墙是在外墙的外边还有一个玻璃层(通常是单一的钢化玻璃或夹层玻璃),而且第一层玻璃和第二层玻璃的间距为0.6m到1.0m,最外层的玻璃墙是开口的,以便于外面的新鲜空气流入和里面的空气流出。在隔层中安装百叶窗,夏天可以控制太阳能暖气系统。这些窗户可以通过手动或自动化装置来开启。现今关于双面墙的优缺点有一个争论。

目前这种槽型玻璃外墙又被广泛使用。槽型玻璃是一种特殊的玻璃,在生产过程中它通常被制成C型(或U型)的边宽为25-50cm的特殊玻璃。它通常并不透明半透明的,但被作为一种外部装饰材料时是半透明的。几十年来,这些玻璃板已成为工业窗口和体育结构低成本的一个替代品。现在是用更多的在建筑上,例如在组合密封结构中的应用(Fig.5)。这使得外墙表面非常光滑,而且这种预制构件可以很容易的被安装到结构中。这种小宽度的C型轮廓使的它很容易上釉或形成各种形状的结构。

随着现代生产工艺的发展,虽然用曲面玻璃制成玻璃幕墙并不困难,但是它的造价非常高。

1986年在在巴黎Parc La Vilette建成的的温室花园是一种用悬索支撑的玻璃幕墙结构,这是玻璃幕墙结构发展的一个里程碑。在这里可以发现玻璃幕墙是由一块一块的玻璃板拼接而成的。索桁架用来承受风荷载;玻璃支撑的安装非常复杂,为了保证有足够的透明度,只有再有孔洞的地方才会安装(Fig.6)。这项工程项目仍然为玻璃幕墙结构的玻璃安装和钢索支撑提供了一个很好的范例。

Fig.6:Glass fixing for tempered glass panes with holes

Fig.5:Channel glass faccedil;ade, Ludenscheid

在1988年,钢索-网架幕墙原理得到发展,因为慕尼黑的Kempinski Hotel只用了单层预应力钢索网架,在节点端装上玻璃板(Fig.7)。在玻璃板的边缘钻孔被认为不会减弱玻璃的整体性而造成非常大的应力集中。虽然这种最小型的高透明度幕墙在风荷载下的变形非常大,但是这种变形可以通过预制钢索来控制,而且这种结构在设计过程中也会特别注意这一点。因此,这种玻璃嵌板的设计在整个设计中通常占主要地位。这种用玻璃嵌板作为前厅外墙的设计至今任然被广泛应用,例如做隔音层,保护具有历史价值的古迹,等等。在柏林的外交部的玻璃幕墙上加了双色玻璃条,当它暴露在阳光下时会不停的变换颜色。纽约世贸中心大楼7楼的前厅外墙是用柔性钢索网将特殊的玻璃板连接而成,,实践证明这种结构可以很好的抵抗爆炸荷载。

Fig.7b:Cable clamp with glass fitting

Fig.7a:Cable-net faccedil;ade at Kempinski Hotel, Munich

玻璃结构杆件

虽然今天有可能用玻璃做成各种结构形式,但是为一种脆性材料做合适的设计是一件不容易的事情。应该避免玻璃表面产生局部应力,这种应力可以通过有效的计算方法来确定。这就是为什么现代玻璃设计中需要用到有限元法和电脑。但是,浮法玻璃通常并不适合在实际结构中应用,由于其相对较低的抗弯强度和亚临界裂纹的扩展,随着时间的推移,可能会造成破坏。只有在玻璃之间连接内部加预应力的钢化玻璃和热强化玻璃得到发展,使其具有一定的抗弯能力和稳定性,玻璃结构才会被接受。从回火炉中生产出来的钢化玻璃的抗弯能力高达200MPa。初步看来,这种抗弯能力似乎能满足设计要求。但是,在玻璃结构设计中,后期裂缝发展非常重要,由于玻璃是脆性材料,随着裂缝的发展很容易破裂。对于夹层浮法玻璃和夹层钢化玻璃,或其裂缝的发展对其影响是非常大的。因此,这种带孔或不带孔的局部受压的玻璃被用于莱比锡的Central Glass Hall of the New Fair的玻璃屋顶(有孔玻璃),或Stadtbahn Heilbronn的屋顶(无孔玻璃,Fig.8)

Fig.8:Hanging glass roof for Stadtbahn Heilbronn, Germany

玻璃梁或桁架是和幕墙中的玻璃板一起使用的。由于这种连接是长期性的,还需要做更多的调查研究,虽然这种连接的可行性仍在讨论之中,但在Broad- field House的著名建筑物玻璃博物馆证明了这种连接的可

行性,这个建筑中的连接为胶结和凹槽连接(Fig.9)。

在鹿特丹的一个小型玻璃连接桥中,玻璃梁被设计成一种框架形式(Fig.10)。

Fig.10:Glass connecting bridge in Rotterdam,The Netherlands

Fig.9:Glass beams and fins at Broadfield House Glass Museum, England

玻璃砖通常是用印刷玻璃或不透明的玻璃制成。这种结构现今非常容易见到,第一个用玻璃砖建成的建构是1993年在慕尼黑建造的Kempinski Hotel。通常玻璃楼梯是由三层夹层玻璃组成,其顶层在设计时并不考虑受力。很明显,在人们的主观意识里,玻璃结构仍然很危险,人们更愿意走在有钢杆件的地方。

有一种理论认为玻璃壳结构是通过跳过受压网壳把荷载直接加在玻璃上来加强结构的抗压能力。这种思想在Maxi- milianmuseum in Augsburg第一次被认识到(Fig.11)。另一种做法如Loggia Wasseralfingen中用冷弯夹层玻璃板来做壳结构(Fig.12)。当夹层玻璃板被加热到60°c时PVB-inter- layer的剪切模量几乎减为零,然后再把玻璃板弯成指定形状网站。钢索采取横向推力。

Fig.12:Loggia Wasseralfingen, Germany

Fig.11:Glass shell for Maximilianmuseum, Germany

真正的剪切板结构出现在2002年在西班牙举行的世博会上的Glasspool中(Fig.13),在索中施加预应力是为了确保玻璃节点处有压应力,用来抵消有人群引起的水平荷载。在Temple de Talus,只有夹层玻璃是才被用于用于做墙壁。它们作为抗弯和抗剪杆件来加强结构的整体性(Fig.14)。

1995年,在法国的St-Ger- main en Laye,玻璃柱第一次被用于办公楼,玻璃柱的更进一步发展是在Rheinbach Pavilion(Fig.15)。夹层玻璃管在框架结构中已经有应用,最近已被用于伦敦塔玻璃外墙的支撑。对于玻璃管,从实验中得到的结果表明,未来这种玻璃管可能被用于柱子中。

Fig.14:Temple of Talus, France

Fig.13:Glasspool Cyberhelvetin, Switzerland

Fig.15:Glass columns at Rheinbach Pavilion, Germany

结论

对结构玻璃设计的发展产生巨大影响的是玻璃穹顶和玻璃外墙的发展。就如上面所说,从那时开始各种玻璃结构杆件都得以发展。在玻璃设计和计算上的进步使得原来不可能的事变成现实。不过,虽然如今可以用玻璃做成多种结构,但并不是所有的玻璃在面对局部压应力时都表现得脆性、易损坏。设计者们应该尽可能的避免局部应力集中。玻璃结构的后破坏将会成为另一个研究课题。现在,夹层玻璃中间层有了新的发展,现状令人满意。高抗压强度玻璃在结构中的应用和玻璃结构本身具有的安全性将开创玻璃结构应用的新篇章。

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资料编号:[5976]

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