摩擦型高强螺栓在玻璃结构中的连接应用研究

王飞勇、花定兴、张桂先、姚裕昌

【摘 要】： 本文通过试验的方法论证了摩擦型高强螺栓在玻璃结构连接应用的可行性，并根据试验数据归纳得出了玻璃与钢板的静摩擦系数，为以后的工程实践提供了设计依据。

【关键词】： 摩擦型高强螺栓摩擦系数玻璃结构玻璃肋全玻幕墙

一、引言

全玻幕墙由于其通透性的特点得到了建筑师的喜爱，应用较为广泛，特别是在一些公共建筑的大堂、主出入口等位置，大多达到了预期的建筑效果；但不少全玻幕墙，特别是一些较高的全玻幕墙，在施工过程中或投入使用之后，部分玻璃面板、玻璃肋爆裂率明显过多，有的甚至大部分需要更换，既存在安全隐患，也影响业主使用，还导致维修成本的增加，产生了较大的负面社会效益。

经过笔者多年的工程实践和事故分析处理经验，发现大多发生质量事故的全玻幕墙，既存在没有有效释放主体位移的原因，也有不少是因为连接节点不可靠而破坏。全玻幕墙设计及施工时玻璃面板及玻璃肋应能够适应主体结构的相对位移，不承担主体结构传来的荷载，这点通过改进设计和提高施工管理水平是能够做到的。但是，全玻幕墙的连接，特别是玻璃肋的连接，由于没有成熟的设计标准和施工工艺，存在或多或少的缺陷，产生了很多质量问题和安全隐患。

二、目前玻璃结构的连接方式

目前玻璃结构的连接，主要有三种方式，一是采用螺栓与玻璃孔壁直接接触受力，或者在玻璃孔壁与螺栓之间加尼龙套、铝合金套之类的；玻璃是脆性材料，孔边受力会引起应力集中，即使加一些介质材料，也无法从根本上避免孔边应力集中的问题，笔者曾经做过玻璃孔壁承载能力的试验，通过多组数据对比分析，离散型较大，不能很好的应用于工程实践。图一是玻璃孔边承载能力试验照片：

第二种方式是通过粘结的方式受力，即通过钢板与玻璃粘结，让钢板与玻璃成为一个整体；如图二是一个失败的玻璃肋拼接节点，玻璃肋通过两块钢板拼接起来，钢板与玻璃通过环氧树脂胶或者改良型的树脂胶粘结，这样确实避免了玻璃孔边受力，但施工难度很大，由于钢化玻璃与钢板面不平整，很难保证钢板与玻璃整个面都有效粘结，而且工人的素质参差不齐，工地环境并不理想，管理难度很大。环氧树脂胶等耐老化性及耐热性均比较差，用在主受力部位并不可靠，图二中的钢板与玻璃间缝隙很大，树脂胶基本失效了。

第三种方式就是通过摩擦型高强螺栓作为玻璃肋节点的连接，既不靠玻璃孔壁受力，也不靠粘结力受力，而靠两种不同材料之间的摩擦力受力；高强螺栓在施工时，要施加很大的预紧力，我们知道，钢化玻璃受压能力很强，但是玻璃表面比较光滑，摩擦系数如何取值呢，笔者查阅了五金手册、机械手册，还查阅了很多相关文献，均未见到相关参数；同时，如果要采有此方法受力，还要保证是靠摩擦力受力而不是孔边受力，保证加预紧力时孔边缘不受到挤压，需要采取一定的构造措施；因此笔者制定了一个实验方案，来验证摩擦型高强螺栓在玻璃连接中的应用，并通过试验数据推导出钢板与玻璃之间的摩擦系数的大小，可以作为以后的工程实践的依据。

三、试验方案

上图是试验加压示意图，10.9级的M16高强螺栓通过预紧力把12mm的钢板与玻璃紧密的夹在一起，有两个细节需要注意，一是螺栓与玻璃孔壁之间采用了3mm尼龙套，防止高强螺栓与玻璃孔边受力，见图四；二是要防止钢板与玻璃孔壁的挤压，故钢板在孔边区域铣了一个圆孔，见图四；三是玻璃与钢板之间要采用一定的介质防止硬碰硬接触。

四、试验过程

扭矩扳手扭矩值控制在215N.m，如下图六，图五是在试验台用扭矩扳手施加扭矩；对应M16预紧力为100kN。破坏形态见图六、图七

五、试验数据及结果分析

玻璃试样的荷载时间（位移）曲线均大致相同，如图八是一个典型的荷载时间曲线，其几何意义如下：保证一定的速率加载，随着时间的增加，荷载越来越大，直到达到极限值的A点，此时达到最大承载能力，随后钢板与玻璃发生滑移，玻璃与钢板之间的静摩擦变成动摩擦，承载能力变小，再随着时间的增加，螺栓开始挤压尼龙套，并间接与玻璃孔边挤压，此时承载能力又有小幅的增加，承载能力达到次高点B，然后玻璃孔边挤压破坏，完全丧失承载能力。

总共做了6组试验，试验数据表如下：

1、承载力强度标准值及设计值确定

取4组介质为EPDM的数据进行分析，根据《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068-2001条文说明5.0.3，当材料强度按正态分布时，其标准值为：

根据《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 102-2003条文说明5.2.1，玻璃强度试验结果离散值较大，范围为70~160N/mm²，故总安全系数取为2.5；本连接方式破坏形态也为脆性破坏，但试验结果离散性明显比玻璃的好很多，故笔者认为总安全系数可以比玻璃的总安全系数偏小，可取为2.0；考虑荷载分项系数k₁=1.4,则材料分项系数可取为k₂=1.43,则承载力设计值为：