本文作者：陳峻 陶志雄
前言和研究思路
隨著建筑
玻璃幕墻在國內的迅猛發展,
夾膠玻璃作為一種
安全玻璃越來越多的應用于
高層建筑幕墻中。
夾層玻璃一般是由兩片或數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)。夾膠玻璃是一種典型的
復合材料,其工作性能取決于夾層膠片的抗剪剛度。當抗剪剛度無窮大時,夾層玻璃的工作性能以整體截面作為分析,其結果作為其承載性能的上限;當夾層膠片的抗剪剛度為零時,其工作性能等同于簡單疊加的分離截面,分析結果作為夾層玻璃承載性能的下限。如果簡單的按照上下限取值進行計算,顯然不是最理性的做法,其力學模型應該是考慮夾層膠片抗剪剛度的復合截面形式而更加趨于合理。
現行玻璃幕墻規范中是按照保守的承載性能下限進行規定的,這主要是目前國內沒有對PVB膠片的力學性能進行相關的研究,從而導致對其性能參數缺乏試驗數據的支持。鑒于以上原因,本文究思路如下:首先,通過試驗研究組成夾層玻璃材料的力學性能(PVB膠片);其次,通過夾層玻璃
承載力試驗,并結合數值模擬(代人PVB膠片試驗值)來驗證所測得的材料參數的
可靠性;最后,根據夾層玻璃承載力試驗和數值模擬結果,對現行規范的計算公式進行相應的修正,使其計算結果符合實際受力情況。
1 夾層玻璃PVB膠片的材性試驗
1.1 PVB膠片的拉伸試驗
1.1.1 試驗介紹
夾層
玻璃膠片的
彈性模量E的測量,參考《
塑料拉伸性能試驗方法(GB/T1040-92)》提供的方法進行,試樣尺寸如圖1所示。根據膠片粘彈性的特點,取常溫(20℃)與高溫微機控制電子萬能(40℃ )(拉力)情況下不同厚度膠片(1.14和2.28mm厚兩種)的試樣,由試驗機與高低溫箱來進行PVB膠片的拉伸試驗。
1.1.2 試驗結果及結論
(1)試驗結果圖2給出了兩種不同的膠片厚度,試驗中測得的PVB膠片的拉伸應力一應變關系曲線。試驗結果表明,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,其材料的力學性能受溫度變化影響很大。因此,試驗中進行了PVB膠片高溫下的拉應力-應變關系的試驗。所得環境溫度為40℃時其拉應力-應變關系曲線與上圖類似。
(2)膠片拉伸試驗結論通過上面的試驗數據并通過反復的數據擬合,可以得出如圖3所示的PVB膠片的拉應力應變關系曲線。
1.2 PVB膠片的剪切試驗
1.2.1 試件及測.點布置
PVB膠片的抗剪模量的測量試驗,參考《夾芯結構或芯子剪切性能試驗方法(GB/T1455-2005)》進行試驗,并參考國外的試驗研究方法。夾層玻璃試樣尺寸取為150 mm× 273mm(6mm+1.14(2.28)PVB+6mm兩種)。試驗過程中為了測量夾層玻璃在
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測點,其位移之就是膠片的剪切位移,在此基礎上根據材料力學計算公式即可求出膠片的平均剪切應力與平均剪切應變。如圖4所示。
1.2.2 試驗結果及結論
(1)試驗結果
試驗中考慮膠片受溫度影響較大,分別對不同厚度膠片在常溫與高溫下進行了相應的剪切試驗。圖5給出了不同厚度的膠片在常溫下的剪切應力-應變關系曲線,并且與國外的研究成果進行了對比分析,符合較好。高溫下不同厚度的膠片剪應力-應變關系此處略。試驗表明,厚度對膠片剪切性能的影響較小,工程中可以忽略。
(2)試驗結論
通過上面的試驗數據可以得出,PVB膠片的剪切應力-應變關系比較復雜,受溫度影響較大,受膠片厚度變化影響較小。綜合以上數據并進行數據擬合,得出如圖6所示PVB膠片的材料本構關系,供數值模擬使用。
2 夾層玻璃承載力性能的試驗
2.1 試驗概況
2.1.1 試件介紹
參照殷永煒[7]等人做過的關于點式
中空玻璃的試驗尺寸,本試驗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 測點布置
本試驗主要是測量在荷載作用下夾層玻璃的
撓度,為此在玻璃上布置了7個位移測點。其中1-5號測點主要是測量在各級荷載作用下,夾層玻璃各點的位移值。6-7號位移測點主要是考慮在荷載作用下玻璃墊片的變形產生的位移,修正1-5號的位移值,使其得到準確的實際位移數值。其測點布置如圖8所示。
2.1.3 試驗方法
對于一般的玻璃幕墻來說,主要承受的是
風荷載作用。試驗中模擬風荷載主要是通過砂袋均勻布置于夾層玻璃上。加載時,共分為10級荷載施加,每級荷載施加8個砂袋,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。在每級荷載量值下分別測量各測點的撓度值。
2.2 試驗結果與分析
(1)圖9給出了四邊簡支的6+1.14+6夾層玻璃在常溫(20℃)下,玻璃試塊中點處的撓度試驗值與規范值的比較結果。
根據圖9的曲線可知,在常溫下,夾層玻璃中點的撓度與規范值相比誤差較大,并且隨著荷載等級的增加,誤差也越來越大,甚至達到100%,這主要是因為規范沒有考慮膠片對兩片玻璃承載力的影響。
(2)圖10給出了四邊簡支的6+1.14+6夾層玻璃在不同的溫度下,玻璃試塊中點處的撓度試驗值與規范值的比較結果。由圖可以得出,隨著溫度的升高,夾層玻璃的承載力降低。這主要是因為規范沒有考慮膠片對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處的荷載-位移關系。試驗表明,膠片厚度對夾層玻璃承載力的影響不大,兩者相差約為3%左右。根據目前試驗的結果表明,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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