本文作者：陈峻 陶志雄
前言和研究思路
随着建筑
玻璃幕墙在国内的迅猛发展,
夹胶玻璃作为一种
安全玻璃越来越多的应用于
高层建筑幕墙中。
夹层玻璃一般是由两片或数片玻璃其间夹粘聚乙烯醇缩丁醛(
PVB)或SGP胶片的一种
玻璃板,夹层的厚度一般为0.76、1.14或2.28mm(0.38mm的倍数)。夹胶玻璃是一种典型的
复合材料,其工作性能取决于夹层胶片的抗剪刚度。当抗剪刚度无穷大时,夹层玻璃的工作性能以整体截面作为分析,其结果作为其承载性能的上限;当夹层胶片的抗剪刚度为零时,其工作性能等同于简单叠加的分离截面,分析结果作为夹层玻璃承载性能的下限。如果简单的按照上下限取值进行计算,显然不是最理性的做法,其力学模型应该是考虑夹层胶片抗剪刚度的复合截面形式而更加趋于合理。
现行玻璃幕墙规范中是按照保守的承载性能下限进行规定的,这主要是目前国内没有对PVB胶片的力学性能进行相关的研究,从而导致对其性能参数缺乏试验数据的支持。鉴于以上原因,本文究思路如下:首先,通过试验研究组成夹层玻璃材料的力学性能(PVB胶片);其次,通过夹层玻璃
承载力试验,并结合数值模拟(代人PVB胶片试验值)来验证所测得的材料参数的
可靠性;最后,根据夹层玻璃承载力试验和数值模拟结果,对现行规范的计算公式进行相应的修正,使其计算结果符合实际受力情况。
1 夹层玻璃PVB胶片的材性试验
1.1 PVB胶片的拉伸试验
1.1.1 试验介绍
夹层
玻璃胶片的
弹性模量E的测量,参考《
塑料拉伸性能试验方法(GB/T1040-92)》提供的方法进行,试样尺寸如图1所示。根据胶片粘弹性的特点,取常温(20℃)与高温微机控制电子万能(40℃ )(拉力)情况下不同厚度胶片(1.14和2.28mm厚两种)的试样,由试验机与高低温箱来进行PVB胶片的拉伸试验。
1.1.2 试验结果及结论
(1)试验结果图2给出了两种不同的胶片厚度,试验中测得的PVB胶片的拉伸应力一应变关系曲线。试验结果表明,胶片厚度不一样,材料性能有一定的差异,但是影响不大。
由于PVB胶片是一种
高分子材料,其材料的力学性能受温度变化影响很大。因此,试验中进行了PVB胶片高温下的拉应力-应变关系的试验。所得环境温度为40℃时其拉应力-应变关系曲线与上图类似。
(2)胶片拉伸试验结论通过上面的试验数据并通过反复的数据拟合,可以得出如图3所示的PVB胶片的拉应力应变关系曲线。
1.2 PVB胶片的剪切试验
1.2.1 试件及测.点布置
PVB胶片的抗剪模量的测量试验,参考《夹芯结构或芯子剪切性能试验方法(GB/T1455-2005)》进行试验,并参考国外的试验研究方法。夹层玻璃试样尺寸取为150 mm× 273mm(6mm+1.14(2.28)PVB+6mm两种)。试验过程中为了测量夹层玻璃在
荷载作用下胶片的剪切变形,在夹层玻璃的两片玻璃上分别固定两个测点,其位移之就是胶片的剪切位移,在此基础上根据材料力学计算公式即可求出胶片的平均剪切应力与平均剪切应变。如图4所示。
1.2.2 试验结果及结论
(1)试验结果
试验中考虑胶片受温度影响较大,分别对不同厚度胶片在常温与高温下进行了相应的剪切试验。图5给出了不同厚度的胶片在常温下的剪切应力-应变关系曲线,并且与国外的研究成果进行了对比分析,符合较好。高温下不同厚度的胶片剪应力-应变关系此处略。试验表明,厚度对胶片剪切性能的影响较小,工程中可以忽略。
(2)试验结论
通过上面的试验数据可以得出,PVB胶片的剪切应力-应变关系比较复杂,受温度影响较大,受胶片厚度变化影响较小。综合以上数据并进行数据拟合,得出如图6所示PVB胶片的材料本构关系,供数值模拟使用。
2 夹层玻璃承载力性能的试验
2.1 试验概况
2.1.1 试件介绍
参照殷永炜[7]等人做过的关于点式
中空玻璃的试验尺寸,本试验夹层玻璃试样采用尺寸为1500mm×1500mm的6mm+1.14(2.28)PVB+6mm的夹胶玻璃。试样的基本形状如图7所示。
2.1.2 测点布置
本试验主要是测量在荷载作用下夹层玻璃的
挠度,为此在玻璃上布置了7个位移测点。其中1-5号测点主要是测量在各级荷载作用下,夹层玻璃各点的位移值。6-7号位移测点主要是考虑在荷载作用下玻璃垫片的变形产生的位移,修正1-5号的位移值,使其得到准确的实际位移数值。其测点布置如图8所示。
2.1.3 试验方法
对于一般的玻璃幕墙来说,主要承受的是
风荷载作用。试验中模拟风荷载主要是通过砂袋均匀布置于夹层玻璃上。加载时,共分为10级荷载施加,每级荷载施加8个砂袋,换算成均布荷载为:0.36、0.71、1.07、1.60、2.13、2.67、3.2、40.9、4.89、5.87KPa,直到夹层玻璃破坏为止。在每级荷载量值下分别测量各测点的挠度值。
2.2 试验结果与分析
(1)图9给出了四边简支的6+1.14+6夹层玻璃在常温(20℃)下,玻璃试块中点处的挠度试验值与规范值的比较结果。
根据图9的曲线可知,在常温下,夹层玻璃中点的挠度与规范值相比误差较大,并且随着荷载等级的增加,误差也越来越大,甚至达到100%,这主要是因为规范没有考虑胶片对两片玻璃承载力的影响。
(2)图10给出了四边简支的6+1.14+6夹层玻璃在不同的温度下,玻璃试块中点处的挠度试验值与规范值的比较结果。由图可以得出,随着温度的升高,夹层玻璃的承载力降低。这主要是因为规范没有考虑胶片对两片玻璃承载力的影响。
(3)图11给出了在一定的高温条件下,不同厚度胶片的夹层玻璃中点处的荷载-位移关系。试验表明,胶片厚度对夹层玻璃承载力的影响不大,两者相差约为3%左右。根据目前试验的结果表明,1.14mm厚的夹层玻璃承载力稍微高于2.28mm厚夹层玻璃的承载力。
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