不同温度下夹层玻璃受弯性能试验研究.docx
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不同温度下夹层玻璃受弯性能试验研究
不同温度下夹层玻璃受弯性能试验研究
文章概括：
夹层玻璃作为一种安全玻璃广泛应用于建筑门窗、幕墙中。
由于单片玻璃和中间层胶片的力学性质差异较大，夹层玻璃的力学性能和破坏形态也有较大的差别。
我国现行行业标准《玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ102-2003）中对于夹层玻璃的设计没有考虑中间层胶片的作用，是偏于安全的。
由于中间层胶片自身的力学性能受温度变化、荷载作用时间的影响较大，因此对夹层玻璃的受弯性能也有很大影响。
本文采用欧洲标准prEN/ISO1288-3中的试验方法，对普通玻璃、PVB夹层玻璃和离子性中间层夹层玻璃在不同温度下的短期和长期受弯性能进行了对比试验研究，同时对欧洲标准中的等效厚度设计方法进行了讨论，为夹层玻璃的工程应用和相关标准修订提供参考。
1 概 述
建筑幕墙已成为我国公共建筑外立面的主要表现形式之一，为建筑的多样性提供了很好的手段。
由于玻璃自身为脆性材料，在发生破坏时极易造成人员伤害，因此需采取可靠的措施，提高玻璃构件的安全性能。
夹层玻璃通过中间层胶片将2片或2片以上的单片玻璃粘合为整体，改变了玻璃的破坏形态和受力性能，是一种广泛应用的安全玻璃。
夹层玻璃的受力性能受到多种因素的影响。
我国现行行业标准《玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ102-2003）[1]中对于夹层玻璃的设计方法，并未考虑中间层胶片的有利作用，仅将荷载按刚度分配到各个单片玻璃进行设计，是偏于保守的；欧洲、美国、日本等发达国家在夹层玻璃设计计算中，均以不同方式考虑了中间层胶片的有利作用，比较客观的反映了夹层玻璃的特性。
研究[2]证明，不同中间层胶片夹层玻璃的受力性能存在很大差异。
目前，我国对于不同中间层胶片的夹层玻璃受力性能及胶片自身性质的研究尚在进行中。
由于胶片自身的特性，环境温度和荷载作用的时间（持荷时间）对夹层玻璃的受力性能有较大影响。
随着温度升高和持荷时间的增加，中间层胶片的弹性模量和剪切模量均有很大变化，进而对夹层玻璃的受力性能产生较大影响[2]。
本文采用欧洲标准prEN/ISO1288-3[3]中规定的四点受弯试验方法，对普通玻璃、PVB夹层玻璃和SentryGlas?
离子性中间层夹层玻璃（以下简称离子性中间层夹层玻璃）在不同温度下的短期和长期受弯性能进行了对比试验研究，同时对我国规范和欧洲标准中对于夹层玻璃的设计方法进行了讨论。
2 试验概况
在常温下，不同中间层胶片夹层玻璃，其短期和长期荷载作用下的受弯承载能力、变形性能和破裂后继续持荷的能力存在明显区别[2]。
本次试验对在25℃～80℃温度范围内的单片退火玻璃和两种中间层胶片夹层玻璃试件的短期和长期受弯性能进行了试验研究。
夹层玻璃的中间层材料分别采用PVB胶片和SentryGlas?
离子型胶片。
2.1 试件
试件包括普通单片玻璃、PVB夹层玻璃和离子性中间层夹层玻璃三种，其中短期受弯试验共9片，每种三片；长期受弯试验共6片，每种2片。
试件尺寸均为1100mm×360mm×10mm，中间层胶片厚度均为0.76mm。
试件编号及基本参数如表2.1和表2.2。
表2.1 短期荷载受弯性能试验试件
编号
类型
b×l（mm）
实测厚度（mm）
夹层厚度（mm）
ANN-1
退火玻璃
360×1100
10.01
0
ANN-2
9.99
0
ANN-3
9.98
0
PVB-1
PVB夹层玻璃
10.10
0.76
PVB-2
10.09
0.76
PVB-3
10.11
0.76
SGP-1
离子性夹层玻璃
（SentryGlas®胶片）
10.20
0.76
SGP-2
10.12
0.76
SGP-3
10.10
0.76
表2.2 长期荷载受弯性能试验试件
编号
类型
b×l（mm）
实测厚度（mm）
夹层厚度（mm）
L-ANN-1
退火玻璃
360×1100
9.98
0
L-ANN-2
10.00
0
L-PVB-1
PVB夹层玻璃
10.12
0.76
L-PVB-2
10.09
0.76
L-SGP-1
离子性夹层玻璃
（SentryGlas®胶片）
10.10
0.76
L-SGP-2
10.11
0.76
2.2 试验设备
制作了专门的试验保温箱以保持试件温度环境，利用电子电热器控制保温箱内温度，采用手动液压千斤顶加载，如图2.1。
采用欧洲标准prEN/ISO1288-3[3]中的四点受弯试验方法进行加载，如图2.2。
图2.1试验装置 图2.2试验装置简图
2.3 加载步骤
2.3.1短期荷载受弯试验
首先安装试件和数据采集设备（位移计、应变片、导线），将保温箱封闭，开动加热器，将箱内温度加热到指定温度，恒温稳定1h；将仪表调零，采用手动液压千斤顶缓慢均匀加载，由数据采集设备读取测点的应变值，采集数据的时间间隔为2s。
当试件中点应变达到350με左右时，保持荷载1min；卸载后将温度升高到下一温度级别，重复上述步骤。
环境温度共分为6级，分别是25℃、40℃、50℃、60℃、70℃和80℃。
2.3.1长期荷载受弯试验
安装试件和数据采集设备（位移计、应变片、导线），将保温箱封闭；开动加热器，将箱内温度加热到指定温度，恒温稳定1h；仪表调零后将标定好重量的铁块缓慢放置于试件上进行加载，荷载大小为100N；持荷2小时，采集试验数据，每次采集的时间间隔为5min；卸载后将温度升高到下一级别，重复以上步骤。
环境温度分为3级，分别是30℃、50℃和80℃。
2.4 量测方案
量测每级荷载下试件下表面中点的挠度和应变、加载时间、应变片附近温度。
挠度、应变以及温度的测点布置如图2.3。
图2.3测点布置图
3 试验结果
3.1 短期荷载受弯性能试验结果
3.1.1 应力分布
在不同温度下，试件下表面应力达到20MPa时试件承受的荷载如图3.1所示。
图3.1试件承受荷载随温度变化曲线
由图3.1可知，当试件下表面中点的表面应力达到20MPa时，三种试件呈现以下特性：
1）在不同的温度等级下，单层退火玻璃承受的荷载值基本维持不变，约为560N，即在应力为常数时所承受的荷载值随温度的变化不明显；
2）在相同的温度等级下，PVB夹层玻璃承受的荷载值较等厚度单层玻璃和离子性中间层夹层玻璃承受的荷载低。
随温度升高，其差异逐渐增大，在温度为25℃时约为480N，在40℃时荷载值已降低到约400N，在80℃时荷载值约为300～350N；
3）在40℃以下时，离子性中间层夹层玻璃承受的荷载值基本不随温度变化而改变，而且稍高于单层退火玻璃承受的荷载值，约为580N；温度超过40℃后，其所承受的荷载随温度升高逐渐降低，在50℃时约550N，在80℃时，荷载降低较多，但仍有约450N，与同厚度的PVB夹层玻璃在25℃时的荷载（约480N）较接近。
三种试件在不同温度下的荷载-应力曲线如图3.2，可进一步验证上述结论。
（a）单层退火玻璃 （b）PVB夹层玻璃 （c）离子性中间层夹层玻璃
图3.2不同温度下三种试件的荷载-应力曲线
3.1.2 挠度
普通单片玻璃、PVB夹层玻璃和离子性中间层夹层玻璃试件在不同温度等级下的荷载-挠度曲线如图3.3。
由图3.3可知，在不同温度下，单层退火玻璃试件的荷载-挠度曲线几乎重合，说明单层退火玻璃的抗弯性能对温度变化不敏感；PVB夹层玻璃试件荷载挠度曲线的斜率则随着温度的升高不断增大；在温度达到60℃以后，离子性中间层夹层玻璃也呈现出与PVB夹层玻璃相似的性质，但是在50℃以下，其荷载挠度曲线较为接近，说明在50℃以下离子性中间层夹层玻璃的受弯性能随温度变化不大。
（a）单层退火玻璃 （b）PVB夹层玻璃 （c）离子性中间层夹层玻璃
图3.3不同温度下三种试件的荷载-挠度曲线
为比较单层退火玻璃、PVB夹层玻璃、离子性中间层夹层玻璃三种试件在同一温度级别时的受弯性能差异，图3.4分别给出了25℃、50℃、80℃三个温度级别的荷载-挠度曲线。
（a）25℃ （b）50℃ （c）80℃
图3.4 三种温度下三种试件的荷载-挠度曲线
由图3.4可看出：
1）在25℃时，随着荷载的增加，试件挠度基本随荷载呈线性增长，离子性中间层夹层玻璃和单层退火玻璃的荷载-挠度曲线几乎重合；PVB夹层玻璃的挠度则高于前者，在荷载达到600N时，差值达到3mm左右；
2）在50℃时，荷载-挠度曲线仍呈线性增长，离子性中间层夹层玻璃和单层退火玻璃挠度曲线仍然很接近；PVB夹层玻璃的挠度曲线斜率明显增大，在荷载为600N时，其位移已超过单层退火玻璃和离子性中间层夹层玻璃位移的2倍；
3）在80℃时，离子性中间层夹层玻璃的荷载挠度曲线与单层退火玻璃的曲线也已明显分离，说明此时离子性中间层夹层玻璃的受弯性能已明显受温度的影响，刚度减小，挠度增加。
在600N荷载作用下，退火玻璃的挠度约为6mm，离子性中间层夹层玻璃挠度约为9mm，PVB夹层玻璃的挠度约为19mm。
3.2 长期荷载受弯性能试验结果
3.2.1 应力
在环境温度分别为25℃、50℃和80℃，荷载为100N时，单层退火玻璃试件、PVB夹层玻璃试件和离子性中间层夹层玻璃试件经长期荷载作用，其时间-应力曲线如图3.5。
（a）单层退火玻璃 （b）PVB夹层玻璃 （c）离子性中间层夹层玻璃
图3.5三种试件长期荷载下应力-时间曲线
由图3.5（a）可知，单层退火玻璃试件的应力基本不随温度和时间变化，在给定的荷载作用下，其应力约为3～4MPa；
由图3.5（b）可知，PVB夹层玻璃试件的表面应力随着加载时间的增长逐步增加，变化较明显。
在30℃时，持荷2小时后，应力由5MPa左右增加到接近9MPa；50℃时，持荷2小时后，应力由6MPa增加到接近10MPa；80℃时，持荷2小时后，应力由8MPa增加至10MPa；
由图3.5（c）可知，离子性中间层夹层玻璃试件在持荷过程中，其应力也随时间而增长，但增长的速率较PVB夹层玻璃试件明显要小。
30℃时，持荷2小时，应力由3MPa增加到4MPa；50℃时，持荷2小时后，应力由4MPa增加到5MPa；80℃时，持荷2小时后，应力由4.8MPa增加至6MPa。
三种温度等级下，离子性中间层夹层玻璃的应力在持荷2小时后仅增加1MPa左右，可见其徐变现象远小于PVB夹层玻璃。
3.2.2 挠度
在环境温度分别为25℃、50℃和80℃，荷载为100N时，单层退火玻璃试件、PVB夹层玻璃试件和离子性中间层夹层玻璃试件在长期荷载作用下的时间-挠度曲线如图3.6。
（a）单层退火玻璃 （b）PVB夹层玻璃 （c）离子性中间层夹层玻璃
图3.6不同温度下三种试件中点的时间-挠度曲线
由图3.6（a）可知，在不同温度时，单层退火玻璃试件的挠度基本不随时间而变化；
由图3.6（b）、（c）可知，PVB夹层玻璃试件和离子性中间层夹层玻璃试件的挠度随着时间增加而不断增大，但不同温度时，其挠度增加也存在很大差异。
对于PVB夹层玻璃，其挠度随着时间增长比较显著，从开始加载到持荷2小时后，30℃和50℃时，挠度较加载初期分别增加约0.5mm，而在80℃时，其挠度较加载初期增加约1mm；离子性中间层夹层玻璃试件，在30℃持荷2小时后，其挠度较加载初期增加约0.2mm，50℃和80℃持荷2小时后，其挠度与加载初期增加约0.1mm，远小于PVB夹层玻璃的增长幅度。
4 分析与讨论
我国现行行业标准《玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ102-2003）[1]规定，作用于夹层玻璃上的风荷载可按下列公式分配到每个单片玻璃上：
……………………………………（4.1）
……………………………………（4.2）
、
——分别为分配到每块单片玻璃上的风荷载标准值（N/mm2）；
t1、t2——分别为各单片玻璃的厚度（mm）。
当进行刚度计算时，可采用下式计算等效厚度te，然后按等效的单片玻璃计算构件的挠度。
……………………………………（4.3）
由上述规定可知，我国规范JGJ102的夹层玻璃设计方法，并未考虑中间层胶片自身对夹层玻璃受力性能的有利影响。
在欧洲标准prEN13474[4]中，提出了采用等效厚度的设计方法，计算时考虑了中间层胶片自身的性能。
双片玻璃构成夹层玻璃的等效厚度计算方法如下：
计算挠度时，等效厚度可取为：
……………………………（4.4）
计算应力时，等效厚度可取为：
………………………………（4.5）
………………………………（4.6）
式中：
Γ——夹层玻璃中间层胶片的剪力传递系数，
；
G——夹层玻璃中间层的剪切模量，参见文献[2]；
h1、h2、hv——分别为双片玻璃夹层玻璃中第1片、第2片和中间层胶片的厚度。
根据试验加载简图，试件在承受荷载F时，其下表面中心的最大应力为：
………………………………（4.7）
根据前文试验数据可通过公式（4.7）反算出夹层玻璃的等效厚度。
试验反算的等效厚度与公式（4.5）或（4.6）计算的等效厚度比较，结果如图4.2。
图中，红色折线为公式（4.5）计算的夹层玻璃等效厚度，其他折线为通过试验测得的表面应力和公式（4.7）反推得到的等效厚度。
（a）离子性中间层夹层玻璃 （b）PVB夹层玻璃
图4.2试验等效厚度与计算等效厚度比较
由图4.2可知，通过试验结果反算的等效厚值与通过欧洲标准prEN13474[4]建议公式的计算值比较接近，说明该规范建议的公式具有一定的准确性。
同时，在50℃之前离子性中间层夹层玻璃的等效厚度基本不随温度改变，而PVB夹层玻璃的等效厚度随温度升高而明显减小。
相同温度下，离子性中间层夹层玻璃的等效厚度大于PVB夹层玻璃的等效厚度。
5 结论
5.1不同温度环境、短期荷载作用下
1）单层退火玻璃的受弯性能基本不受温度变化的影响；
2）PVB夹层玻璃的受弯性能受温度影响较大。
在相同荷载下，随温度的增加，其刚度逐渐降低、应力不断增加；40℃时应力增大已十分明显；
3）在50℃以下时，离子性中间层夹层玻璃的受弯性能受温度变化的影响较小，50℃以上时影响逐步增大，但比PVB夹层玻璃的影响程度明显小；
4）温度相同时，50℃以下，单片退火玻璃试件与离子性中间层夹层玻璃试件的受弯性能较为接近，PVB夹层玻璃试件的受弯性能较低；50℃以上时，离子性中间层夹层玻璃试件的受弯性能低于单片退火玻璃的性能，但仍明显高于PVB夹层玻璃试件的性能。
5.2不同环境温度、长期荷载作用下
1）单层退火玻璃在不同温度等级时，随着持荷时间的增加，其挠度和应变基本维持不变。
2）PVB夹层玻璃和离子性中间层夹层玻璃的性能在不同温度等级时均有变化。
PVB夹层玻璃的徐变较大，经持荷2h后，其挠度在30℃时达到2.52mm，50℃时达到3.02mm，80℃时达到4.38mm；离子性中间层夹层玻璃经持荷2h后，在30℃时试件挠度达到1.01mm，50℃时1.16mm，80℃时1.56mm。
因此，离子性中间层夹层玻璃的长期荷载受弯性能要明显优于PVB夹层玻璃。
5.3夹层玻璃的等效厚度
通过试验结果与按欧洲标准prEN13474给出的等效厚度计算方法计算结果的分析比较，计算结果和试验结果比较接近，表明该建议公式可以反映夹层胶片在承载过程中的作用，在进行夹层玻璃的抗弯设计时可以参考使用。
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