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    夾層玻璃梁受彎性能研究

    作者:幕墻工程網 時間:2022-09-26 20:40:24

      玻璃除具有透明、耐久等優點外,同時還具有較高的強度。近年來,隨著技術水平與人們審美要求的提高,玻璃在建筑中開始作為結構材料直接承受荷載,如美國蘋果公司在全球的專賣店全部采用玻璃建造,這是玻璃結構應用的最新趨勢。
      玻璃是脆性材料,用作結構構件時的安全性能最受人們的關注。采用將兩片或多片玻璃用特殊的膠片粘結在一起的方法形成夾層玻璃,是解決安全性問題的主要方案之一。
      在工程實踐中,因為玻璃的脆性特性,夾層玻璃除了應具有足夠的承載力外,在玻璃開裂后還需要有足夠的受力性能,以保證玻璃在諸如撞擊、剮蹭等偶然作用下開裂后仍然能有一定剛度和承載能力。
      盡管鋼化玻璃的強度高于普通平板玻璃,但由于其存在無法避免的自爆風險,且開裂后基本無殘余承載力,最新研究成果認為主要承力構件的夾層玻璃不宜全部使用鋼化玻璃,而宜適當選用平板玻璃或半鋼化玻璃。
      本文對由平板玻璃制成的夾層玻璃梁進行了研究,分析了夾層平板玻璃梁在短期荷載和長期荷載條件下的破壞模式、計算受彎承載力時玻璃強度的合理取值,以及膠片類型對夾層玻璃梁開裂后受力性能的影響。

    1 試驗研究

      1.1 試件

      試驗所用試件基本信息見表1。試件分為離子性中間層(簡稱“SGP”)夾層玻璃和聚乙烯醇縮丁醛(簡稱“PVB”)夾層玻璃兩種類型,玻璃均為平板玻璃。

      試件截面夾膠層數分1層、2層、3層三種情況,玻璃的總厚度均為24mm。試件的全長為3900mm,有效跨度為3000mm,截面高度為150mm、200mm、300mm三種尺寸。

    表1 試驗試件

    注:玻璃厚度即為梁截面寬度

      1.2 試驗方案

      試驗采用如圖1(a)、(b)所示的四點彎曲加載方案,該方案能夠確保在支座區間內試件承受均勻彎矩并且不受任何側向約束。

      預制的叉形支座如圖1(c)所示,該支座能夠約束玻璃梁在豎直方向與側向的平動及軸向的扭轉,并釋放玻璃梁在平面內與平面外的彎曲轉動及扭轉翹曲變形,滿足理想鉸接邊界條件。

      玻璃與支座的接觸部位用橡膠條隔開,以防止應力集中對試件造成破壞。荷載按照約0.15mm/min的速度單調連續加載直至玻璃試件斷裂。

    圖1 試驗裝置


      1.3 試驗結果

      每個試件的試驗結果列于表2。表中試件截面厚度(t)、截面高度(h)以及試驗進行時的環境溫度均為實測值;破壞應力(σg)為玻璃受彎開裂時實測的應變與玻璃彈性模量(72000 N/mm2)的乘積;受彎承載力(Mu)為玻璃梁發生破壞時所承受的荷載實測值與荷載作用點至最近支座距離(400mm)的乘積。

    表2 試驗結果

    2 破壞模式

      2.1 短期荷載條件

      各試件的彎矩與跨中位移關系曲線如圖2所示。曲線按照試件的截面高度與所用膠片類型分為5組。


    圖2 試件的彎矩-位移關系曲線

      圖2(a)~(c)顯示SGP夾層玻璃梁的全過程受力表現具有玻璃開裂前的線彈性階段、玻璃開裂承載力突降階段、裂縫發展的非線性開裂后階段。

      圖2(d)~(e)顯示PVB夾層玻璃梁基本只具有玻璃開裂前的線彈性階段與玻璃開裂承載力突降階段,而無玻璃開裂后的裂縫發展階段,其玻璃開裂后的受力性能極為有限。

      試驗結果表明,盡管玻璃梁的純彎段達3000mm且均無側向支撐,但由于普通平板玻璃的強度低于玻璃梁的屈曲臨界應力,試件的受彎承載力受強度控制而非穩定性控制。

      2.2 長期荷載條件

      為了研究夾層平板玻璃梁在長期荷載條件下的受彎承載力是否由穩定性控制,對表1中的夾層平板玻璃試件進行線性整體穩定分析。

      在有限元軟件中采用實體單元模擬玻璃與中間層膠片。每種試件在長期荷載作用下的屈曲臨界彎矩(Mcr,l)、截面受彎承載力(Mc,l)及二者的比值列于表3中。為了進行對比,每種試件在短期荷載作用下的屈曲臨界彎矩(Mcr,s)也列于表3。

    表3 屈曲臨界彎矩與截面受彎承載力對比

      對于相同截面厚度與截面高度的試件,在短期荷載工況下,SGP夾層玻璃梁的屈曲臨界彎矩隨膠片數量的增加有所增加,而PVB夾層玻璃梁的屈曲臨界彎矩隨膠片數量的增加顯著減小。

      在長期荷載工況下,無論SGP夾層玻璃梁還是PVB夾層玻璃梁,屈曲臨界彎矩均隨膠片數量的增加顯著減小,表明長期荷載工況下SGP膠片或PVB膠片層數越多,截面的有效扭轉剛度與弱軸方向的彎曲剛度越低,從而導致夾層玻璃梁的屈曲臨界彎矩降低。

      各試件在長期荷載下的屈曲臨界彎矩均高于截面受彎承載力,表明在長期荷載作用下,所有試件的受彎承載力均由強度控制。

    3 受彎承載力

      圖3顯示采用玻璃端部強度獲得的計算值與試驗值的比值在1.0~0.58范圍內,平均比值為0.75,整體結果偏于安全一側;而采用玻璃邊緣強度和玻璃中部強度獲得的計算值與試驗值的平均比值分別有12.5%和62.5%的結果偏于危險一側。因此對夾層平板玻璃梁的受彎承載力進行設計時宜采用玻璃的端面強度。

    圖3 試件受彎承載力計算值與試驗值對比

    4 玻璃開裂后受力性能

      SGP夾層玻璃梁與PVB夾層玻璃梁的典型開裂形態如圖4所示。

    圖4 典型開裂形態

      對于SGP夾層玻璃梁,隨著荷載逐漸增加,裂縫最初發生于跨中附近受拉邊緣,并發展形成一個扇形的碎裂域,SGP中間層膠片阻止了裂縫進一步向受壓區發展,防止了裂縫貫穿整個梁截面;在玻璃開裂后階段SGP夾層玻璃梁表現出一定的殘余承載能力。

      對于PVB夾層玻璃梁,裂縫最初同樣發生于跨中附近受拉邊緣,但與SGP夾層玻璃梁不同的是裂縫會迅速發展并貫穿整個截面,導致PVB夾層玻璃梁幾乎不具有開裂后承載能力。

    結論

      (1)在短期或長期荷載工況下,對于高厚比不超過12.5且跨高比不超過20的夾層平板玻璃梁,其受彎承載力主要受玻璃強度而非整體穩定性控制。

      (2)在短期荷載工況下,對于相同截面厚度與截面高度的試件,SGP夾層玻璃梁的屈曲臨界彎矩隨膠片數量增加有所增加,而PVB夾層玻璃梁的屈曲臨界彎矩隨膠片數量增加顯著減小。

      (3)在長期荷載工況下,對于相同截面厚度與截面高度的試件,SGP夾層玻璃梁與PVB夾層玻璃梁的屈曲臨界彎矩均隨膠片數量增加顯著減小。

      (4)計算夾層平板玻璃梁的受彎承載力時宜采用玻璃的端面強度。

      (5)PVB夾層玻璃梁開裂后裂縫迅速發展并貫穿整個梁截面,因此PVB夾層玻璃梁開裂后基本不具有剩余承載能力。

      (6)SGP夾層玻璃梁開裂后裂縫并不貫穿整個截面,而是形成一個扇形的碎裂域,在梁截面內部形成一個新的承力機制,因此SGP夾層玻璃梁開裂后仍具有一定的剩余承載力。

    參考文獻:

    劉強,黃小坤,韓偉濤,崔明哲,付瑞佳.夾層玻璃梁受彎性能研究[J].建筑科學,2018,34(05):44-49


    作者簡介

    劉  強

      劉強,中國建研院中建研科技股份有限公司 研發中心主任助理 玻璃結構研究中心副主任,副研究員,博士,兼任中國建筑學會建筑幕墻學術委員會常務理事。

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