本文作者：陳峻 陶志雄
前言和研究思路
隨著建筑
玻璃幕墻在國(guó)內(nèi)的迅猛發(fā)展,
夾膠玻璃作為一種
安全玻璃越來越多的應(yīng)用于
高層建筑幕墻中。
夾層玻璃一般是由兩片或數(shù)片玻璃其間夾粘聚乙烯醇縮丁醛(
PVB)或SGP膠片的一種
玻璃板,夾層的厚度一般為0.76、1.14或2.28mm(0.38mm的倍數(shù))。夾膠玻璃是一種典型的
復(fù)合材料,其工作性能取決于夾層膠片的抗剪剛度。當(dāng)抗剪剛度無窮大時(shí),夾層玻璃的工作性能以整體截面作為分析,其結(jié)果作為其承載性能的上限;當(dāng)夾層膠片的抗剪剛度為零時(shí),其工作性能等同于簡(jiǎn)單疊加的分離截面,分析結(jié)果作為夾層玻璃承載性能的下限。如果簡(jiǎn)單的按照上下限取值進(jìn)行計(jì)算,顯然不是最理性的做法,其力學(xué)模型應(yīng)該是考慮夾層膠片抗剪剛度的復(fù)合截面形式而更加趨于合理。
現(xiàn)行玻璃幕墻規(guī)范中是按照保守的承載性能下限進(jìn)行規(guī)定的,這主要是目前國(guó)內(nèi)沒有對(duì)PVB膠片的力學(xué)性能進(jìn)行相關(guān)的研究,從而導(dǎo)致對(duì)其性能參數(shù)缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)的支持。鑒于以上原因,本文究思路如下:首先,通過試驗(yàn)研究組成夾層玻璃材料的力學(xué)性能(PVB膠片);其次,通過夾層玻璃
承載力試驗(yàn),并結(jié)合數(shù)值模擬(代人PVB膠片試驗(yàn)值)來驗(yàn)證所測(cè)得的材料參數(shù)的
可靠性;最后,根據(jù)夾層玻璃承載力試驗(yàn)和數(shù)值模擬結(jié)果,對(duì)現(xiàn)行規(guī)范的計(jì)算公式進(jìn)行相應(yīng)的修正,使其計(jì)算結(jié)果符合實(shí)際受力情況。
1 夾層玻璃PVB膠片的材性試驗(yàn)
1.1 PVB膠片的拉伸試驗(yàn)
1.1.1 試驗(yàn)介紹
夾層
玻璃膠片的
彈性模量E的測(cè)量,參考《
塑料拉伸性能試驗(yàn)方法(GB/T1040-92)》提供的方法進(jìn)行,試樣尺寸如圖1所示。根據(jù)膠片粘彈性的特點(diǎn),取常溫(20℃)與高溫微機(jī)控制電子萬能(40℃ )(拉力)情況下不同厚度膠片(1.14和2.28mm厚兩種)的試樣,由試驗(yàn)機(jī)與高低溫箱來進(jìn)行PVB膠片的拉伸試驗(yàn)。
1.1.2 試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論
(1)試驗(yàn)結(jié)果圖2給出了兩種不同的膠片厚度,試驗(yàn)中測(cè)得的PVB膠片的拉伸應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系曲線。試驗(yàn)結(jié)果表明,膠片厚度不一樣,材料性能有一定的差異,但是影響不大。
由于PVB膠片是一種
高分子材料,其材料的力學(xué)性能受溫度變化影響很大。因此,試驗(yàn)中進(jìn)行了PVB膠片高溫下的拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的試驗(yàn)。所得環(huán)境溫度為40℃時(shí)其拉應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線與上圖類似。
(2)膠片拉伸試驗(yàn)結(jié)論通過上面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)并通過反復(fù)的數(shù)據(jù)擬合,可以得出如圖3所示的PVB膠片的拉應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系曲線。
1.2 PVB膠片的剪切試驗(yàn)
1.2.1 試件及測(cè).點(diǎn)布置
PVB膠片的抗剪模量的測(cè)量試驗(yàn),參考《夾芯結(jié)構(gòu)或芯子剪切性能試驗(yàn)方法(GB/T1455-2005)》進(jìn)行試驗(yàn),并參考國(guó)外的試驗(yàn)研究方法。夾層玻璃試樣尺寸取為150 mm× 273mm(6mm+1.14(2.28)PVB+6mm兩種)。試驗(yàn)過程中為了測(cè)量夾層玻璃在
荷載作用下膠片的剪切變形,在夾層玻璃的兩片玻璃上分別固定兩個(gè)測(cè)點(diǎn),其位移之就是膠片的剪切位移,在此基礎(chǔ)上根據(jù)材料力學(xué)計(jì)算公式即可求出膠片的平均剪切應(yīng)力與平均剪切應(yīng)變。如圖4所示。
1.2.2 試驗(yàn)結(jié)果及結(jié)論
(1)試驗(yàn)結(jié)果
試驗(yàn)中考慮膠片受溫度影響較大,分別對(duì)不同厚度膠片在常溫與高溫下進(jìn)行了相應(yīng)的剪切試驗(yàn)。圖5給出了不同厚度的膠片在常溫下的剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線,并且與國(guó)外的研究成果進(jìn)行了對(duì)比分析,符合較好。高溫下不同厚度的膠片剪應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系此處略。試驗(yàn)表明,厚度對(duì)膠片剪切性能的影響較小,工程中可以忽略。
(2)試驗(yàn)結(jié)論
通過上面的試驗(yàn)數(shù)據(jù)可以得出,PVB膠片的剪切應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系比較復(fù)雜,受溫度影響較大,受膠片厚度變化影響較小。綜合以上數(shù)據(jù)并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合,得出如圖6所示PVB膠片的材料本構(gòu)關(guān)系,供數(shù)值模擬使用。
2 夾層玻璃承載力性能的試驗(yàn)
2.1 試驗(yàn)概況
2.1.1 試件介紹
參照殷永煒[7]等人做過的關(guān)于點(diǎn)式
中空玻璃的試驗(yàn)尺寸,本試驗(yàn)夾層玻璃試樣采用尺寸為1500mm×1500mm的6mm+1.14(2.28)PVB+6mm的夾膠玻璃。試樣的基本形狀如圖7所示。
2.1.2 測(cè)點(diǎn)布置
本試驗(yàn)主要是測(cè)量在荷載作用下夾層玻璃的
撓度,為此在玻璃上布置了7個(gè)位移測(cè)點(diǎn)。其中1-5號(hào)測(cè)點(diǎn)主要是測(cè)量在各級(jí)荷載作用下,夾層玻璃各點(diǎn)的位移值。6-7號(hào)位移測(cè)點(diǎn)主要是考慮在荷載作用下玻璃墊片的變形產(chǎn)生的位移,修正1-5號(hào)的位移值,使其得到準(zhǔn)確的實(shí)際位移數(shù)值。其測(cè)點(diǎn)布置如圖8所示。
2.1.3 試驗(yàn)方法
對(duì)于一般的玻璃幕墻來說,主要承受的是
風(fēng)荷載作用。試驗(yàn)中模擬風(fēng)荷載主要是通過砂袋均勻布置于夾層玻璃上。加載時(shí),共分為10級(jí)荷載施加,每級(jí)荷載施加8個(gè)砂袋,換算成均布荷載為:0.36、0.71、1.07、1.60、2.13、2.67、3.2、40.9、4.89、5.87KPa,直到夾層玻璃破壞為止。在每級(jí)荷載量值下分別測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的撓度值。
2.2 試驗(yàn)結(jié)果與分析
(1)圖9給出了四邊簡(jiǎn)支的6+1.14+6夾層玻璃在常溫(20℃)下,玻璃試塊中點(diǎn)處的撓度試驗(yàn)值與規(guī)范值的比較結(jié)果。
根據(jù)圖9的曲線可知,在常溫下,夾層玻璃中點(diǎn)的撓度與規(guī)范值相比誤差較大,并且隨著荷載等級(jí)的增加,誤差也越來越大,甚至達(dá)到100%,這主要是因?yàn)橐?guī)范沒有考慮膠片對(duì)兩片玻璃承載力的影響。
(2)圖10給出了四邊簡(jiǎn)支的6+1.14+6夾層玻璃在不同的溫度下,玻璃試塊中點(diǎn)處的撓度試驗(yàn)值與規(guī)范值的比較結(jié)果。由圖可以得出,隨著溫度的升高,夾層玻璃的承載力降低。這主要是因?yàn)橐?guī)范沒有考慮膠片對(duì)兩片玻璃承載力的影響。
(3)圖11給出了在一定的高溫條件下,不同厚度膠片的夾層玻璃中點(diǎn)處的荷載-位移關(guān)系。試驗(yàn)表明,膠片厚度對(duì)夾層玻璃承載力的影響不大,兩者相差約為3%左右。根據(jù)目前試驗(yàn)的結(jié)果表明,1.14mm厚的夾層玻璃承載力稍微高于2.28mm厚夾層玻璃的承載力。
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