四边简支夹层玻璃受弯承载力试验研究及有限元分析精.docx

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四边简支夹层玻璃受弯承载力试验研究及有限元分析精

建筑结构学报󰀁JournalofBuildingStructures

文章编号:

1000󰀂6869（2010）10󰀂0114󰀂06第31卷第10期2010年10月Vol󰀁31No󰀁10Oct󰀁2010016

四边简支夹层玻璃受弯承载力试验研究及有限元分析

陶志雄,张其林,陈󰀁俊,陈󰀁峻,谢步瀛

3.华东建筑设计研究院有限公司,上海200002）11231（1.同济大学建筑工程系,上海200092;2.中国民航机场建设集团公司,北京110101;

摘要:

通过拉伸试验和剪切试验,得到了PVB胶片的材料性能参数,并通过受弯承载力试验,研究夹层玻璃的受力特点,进而分析PVB胶片的厚度、温度变化对其承载能力的影响。

试验结果表明:

胶片对夹层玻璃的受力性能有显著影响,且胶片的粘结作用不能忽略,随着温度的升高,其承载力降低。

运用ANSYS有限元软件对试验模型的受力性能进行数值模拟,有限元计算结果与试验结果吻合较好。

试验结果和有限元分析结果均表明:

现行国家规范关于夹层玻璃位移的计算值大于试验值和有限元分析值,计算偏于保守。

关键词:

夹层玻璃;PVB胶片;材料性能;静力试验;数值模拟;受弯承载力

中图分类号:

TU382󰀁TQ171󰀁727󰀁TU317󰀁1󰀁󰀁文献标志码:

A

Expermientalstudyonflexuralcapacityandfiniteelementanalysis

oflaminatedglasssmiplysupportedonfoursides

TAOZhixiong,ZHANGQilin,CHENJun,CHENJun,XIEBuying

（1.DepartmentofBuildingEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;

2.ChinaAirportConstructionGroupCorporationofCAAC,Beijing110101,China;

3.EastChinaArchitecturalDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,Shanghai200002,China）11231

Abstract:

FirstlythetensionandsheartestofthematerialswerecarriedoutonPVBfilmsoastodetermineitspropertyparameters,andthenthemainfactorsaffectingtheflexuralcapacityofthelaminatedglasssmiplysupportedonfoursideswerestudiedbymeansofflexuralexpermients.Theresultsshowthattheflexuralcapacityiscloselyrelatedtothefilmanditsadhesiveeffectscannotbeignored.Astheincreaseofthetemperaturethebearingcapacitydecrease.Further,theexpermientalresultshavegoodagreementwiththosesmiulatedbyANSYSprogram.Comparisonofexpermientalresultswithcalculatedonesindicatethatthecurrentdesigncodewillleadtoconservativeresultsandtheequivalentthicknessoflaminatedglassesprovidedinthecodeshouldbefurtherdiscussed.

Keywords:

laminatedglass;PVBfilm;materialproperty;statictest;numericalsmiulation;flexuralcapacity基金项目:

国家自然科学基金项目（50978195）。

作者简介:

陶志雄（1978󰀂󰀁）,男,湖北武汉人,博士研究生。

E󰀂mai:

lzhixiongtao@163󰀁com

通讯作者:

张其林（1962󰀂󰀁）,男,江苏海门人,工学博士,教授。

E󰀂mai:

lzhaqilin@mail󰀁tongji󰀁edu󰀁cn

收稿日期:

2009年10月

的方法测量夹层玻璃PVB胶片的弹性模量E,试样

0󰀁引言

随着玻璃幕墙的快速发展,夹层玻璃作为一种安全性、装饰性较高的玻璃越来越多地应用于高层建筑幕墙中。

夹层玻璃是由两片或数片玻璃之间夹一层以聚乙烯醇缩丁醛（PVB）或SGP胶片为主要成分的玻璃复合板

[1]

尺寸如图1所示。

取胶片厚度为1󰀁14mm和2󰀁28mm试件各16块,分别在常温（20∀）与高温（40∀）条件下,通过微机控制电子万能（拉力）试验机与高低温箱来进行PVB

胶片的拉伸试验。

夹层厚度一般为0󰀁76mm、

1󰀁14mm或2󰀁28mm（0󰀁38mm的倍数）。

夹层玻璃是一种典型的复合板材,其工作性能主要取决于内夹层胶片的抗剪刚度

[2]

。

因此,PVB胶片传递剪力的

图1󰀁试件尺寸Fig.1󰀁Dimensionofspecimen

能力越强,夹层玻璃的受弯性能越高。

目前国内外对PVB材料的数据资料比较有限,Vallabhan等

[3]

提出了测量夹层玻璃PVB材料特性

[4]

在实际工程中,PVB胶片的应变一般不超过0󰀁5,表1中列出拉应变小于0󰀁5时,不同试验条件下,PVB胶片拉伸应变和拉伸应力的平均值。

表1󰀁PVB胶片的拉伸应力󰀂应变试验值Table1󰀁ExpermientresultsofPVBfiml

stretchingstress󰀂strainvalue

常温20∀

拉应变

1󰀁14mm胶片应力/MPa

0󰀁050󰀁100󰀁150󰀁200󰀁250󰀁300󰀁350󰀁400󰀁450󰀁50

0󰀁260󰀁370󰀁520󰀁670󰀁820󰀁951󰀁101󰀁261󰀁461󰀁58

2󰀁28mm胶片应力/MPa0󰀁220󰀁320󰀁430󰀁550󰀁640󰀁760󰀁921󰀁141󰀁301󰀁47

高温40∀1󰀁14mm胶片应力/MPa0󰀁080󰀁140󰀁200󰀁250󰀁290󰀁310󰀁340󰀁360󰀁390󰀁41

2󰀁28mm胶片应力/MPa0󰀁060󰀁󰀁120󰀁170󰀁210󰀁240󰀁270󰀁310󰀁330󰀁350󰀁37

（剪切模量）的方法,并且测定了不同温度条件下,PVB胶片的剪切模量。

GR󰀁F等

给出了PVB胶片

剪切模量的试验值,并得出随着温度升高,承载时间持续,PVB胶片剪切模量G将减小,夹层玻璃层间抗剪作用将减弱的结论。

Vallabhan等

[5]

对不同尺寸夹

层玻璃进行相关的研究试验,分析影响夹层玻璃性能的各种因素。

并建立了三种理论模型（即分离模型、整体模型和复合模型）来进行分析。

近年来,国内研究者针对夹层玻璃进行研究。

殷永炜等

[6]

对点支式夹层玻璃的承载性能做了短期

[7]

加载和长期加载试验,得到夹层玻璃的承载性能受荷载持续时间影响较大的结论。

庞世红等明,现行玻璃幕墙工程技术规范的等效厚度低于实测值。

我国现行玻璃幕墙工程技术规范没有考虑PVB胶片在夹层玻璃受弯承载中的作用,这主要是由于国内并未开展夹层玻璃PVB胶片的材料力学性能的相关研究,缺乏夹层玻璃中PVB胶片材料参数的试验数据,从而无法建立精确的夹层玻璃力学模型。

本文通过对PVB胶片进行拉伸和剪切试验,得到了PVB胶片的材料性能参数,为理论分析提供试验数据支持,然后通过受弯承载力试验,研究了不同厚度、温度条件下的四边简支夹层玻璃的受力特性,并与有限元软件模拟结果及现行玻璃幕墙工程技术规范的计算结果进行比较,进一步探讨了PVB胶片对夹层玻璃受弯性能的影响。

[8]

[8]

通过试

验研究了夹层玻璃的等效厚度及受弯性能,结果表

中计算夹层玻璃

通过对试验结果分析,拟合PVB胶片在常温（20∀）和高温（40∀）下的应力󰀂应变关系式为:

常温（20∀）:

󰀁（0#󰀂#0󰀁5）󰀁󰀁󰀁=

0󰀁18

（0#󰀂#0󰀁2）（0󰀁2<󰀂#0󰀁5）

（2）

式中:

󰀁为PVB胶片的拉应力,MPa;󰀂为PVB胶片的拉应变;E为胶片的弹性模量。

1󰀁1󰀁2󰀁PVB胶片剪切模量的测量

目前,国内还未见到进行PVB剪切模量的有关试验研究。

鉴于胶片受剪性能对夹层玻璃的影响,本文在参照国外的试验研究方法

[3]

（1）

1󰀁试验概况

1󰀁1󰀁PVB胶片材料试验1󰀁1󰀁1󰀁PVB胶片弹性模量的测量

参照GB/T1040󰀂92塑料拉伸性能试验方法!

和GB/T1455󰀂

200夹芯结构或芯子剪切性能试验方法!

的基础上开展了PVB胶片剪切模量的试验研究。

夹层玻璃试

样尺寸为150mm∃273mm。

厚度分别为6mm+1󰀁14mmPVB+6mm、6mm+2󰀁28mmPVB+6mm。

为了测量在荷载作用下夹层玻璃胶片的剪切变形,在夹层玻璃的两片玻璃上分别固定两个测点（图2）,其位移之差即为胶片的剪切位移,由剪切应力󰀂应变关系计算公式即可求出胶片的平均剪切应力与平均剪切

应变。

=

G1!

=0󰀁45!

G2!

-0󰀁07=0󰀁8!

-0󰀁07

（0#!

#0󰀁2）（0󰀁2

#0󰀁5）

（4）

式中:

为PVB胶片的剪切应力,MPa;!

为PVB胶片的剪切应变;G1为剪切应变在0~0󰀁2范围内时,PVB胶片的剪切模量值;G2为剪切应变在0󰀁2~0󰀁5范围内时,PVB胶片的剪切模量值。

1󰀁2󰀁夹层玻璃试件设计

夹层玻璃试件的面板几何尺寸为1500mm

∃1500mm,厚度分别为6mm+1󰀁14mmPVB+6mm、6mm+2󰀁28mmPVB+6mm

。

试件按厚度、试验温度（常温（20∀）与高温（40∀））分为4组,每组3块。

每组试件的构造组成如图3所示。

为了防止夹层玻璃与钢支承架直接接触,在玻璃与钢支架之间垫有玻璃垫片,其材质为三元乙丙,如图4所示。

图2󰀁试验装置Fig.2󰀁Testset󰀂up

针对常温（20∀）和高温（40∀）条件及胶片厚度,试验用试件分为4组,每组8块,高温（40∀）试验在恒温试验室进行。

表2为剪切应变小于0󰀁5时,不同试验条件下PVB胶片剪切应变和剪切应力的平均值。

表2󰀁PVB胶片的剪切应力󰀂应变值Table2󰀁ExpermientresultsofPVBfiml

shearingstress󰀂strainvalue

常温20∀

应力/MPa

0󰀁050󰀁100󰀁150󰀁200󰀁250󰀁300󰀁350󰀁400󰀁45

0󰀁50

0󰀁070󰀁120󰀁180󰀁230󰀁310󰀁390󰀁480󰀁540󰀁590󰀁71

应力/MPa0󰀁040󰀁080󰀁150󰀁220󰀁310󰀁380󰀁440󰀁520󰀁580󰀁67

高温40∀

应力/MPa0󰀁040󰀁060󰀁090󰀁120󰀁170󰀁220󰀁270󰀁310󰀁350󰀁40

应力/MPa0󰀁020󰀁040󰀁070󰀁100󰀁140󰀁170󰀁210󰀁240󰀁270󰀁30

剪应变1󰀁14mm胶片2󰀁28mm胶片1󰀁14mm胶片2󰀁28mm胶片

图3󰀁试件模型Fig.3󰀁Modelofspecimen

图4󰀁玻璃与钢支承架连接方式

Fig.4󰀁Connectionbetweenglassandsteelbearerframe

1󰀁3󰀁加载方案

对于一般的玻璃幕墙,主要承受风荷载作用。

试验中风荷载模拟主要通过砂袋均匀布置于夹层玻璃上。

均布荷载逐级增加,量值分别为0󰀁36kPa、0󰀁71kPa、1󰀁07kPa、1󰀁60kPa、2󰀁13kPa、2󰀁67kPa、3󰀁20kPa、4󰀁09kPa、4󰀁98kPa。

高温试验在恒温试验室进行,温度为40∀。

在每级荷载量值下分别测量各测点的挠度和应变。

1󰀁4󰀁测点布置

试验主要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号位移测点测量在荷载作用下玻璃垫片的变形产生的位移,以修正1~5号的位移值,使其得到准确的实际位移。

其测点布置如图5所示。

根据试验结果,拟合到不同温度下PVB胶片的剪切应力󰀂应变关系式为:

常温（20∀）:

=

G1!

=1󰀁1!

G2!

-0󰀁08=1󰀁5!

-0󰀁08

（0#!

#0󰀁2）（0󰀁2

#0󰀁5）

（3）

󰀁󰀁高温（40∀）:

度与规范值相比误差较大,并且随着荷载的增加,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受弯承载力的影响,采用的简单叠置的分离截面计算模型,故而按规范计算

夹层玻璃跨中的挠度结果较试验值偏大。

图7󰀁夹层玻璃不同计算模型

图5󰀁测点布置

Fig.5󰀁Layoutofmeasuringpoints

Fig.7󰀁Simplifiedsketchoflaminatedg

lass

2󰀁试验结果及分析

2󰀁1󰀁试验现象

荷载作用初期,夹层玻璃荷载󰀂挠度曲线线性变化,随着荷载的增加,四个角部逐渐向上翘起,直至

发生破坏。

图6为四边简支夹层玻璃6mm+2󰀁28mmPVB+6mm在均布荷载作用下破坏情况,从图中可以看出,夹层玻璃在对角线上形成了四个塑性绞线。

加载过程中,胶片具有蠕变性能,在卸载后

并不能完全恢复到初始状态。

图8󰀁6mm+1󰀁14mmPVB+6mm夹层玻璃荷载󰀂挠度曲线比较（20∀）

Fig.8󰀁Comparisonofload󰀂deflectioncurves

2󰀁3󰀁不同温度工况下试验结果

PVB胶片为有机化合物,受温度影响较大,试验研究了夹层玻璃在常温（20∀）和高温（40∀）条件下受力特征,图9为6mm+1󰀁14mmPVB+6mm夹层玻璃在不同温度（20∀、40∀）下,

跨中挠度的试验值。

图6󰀁夹层玻璃整体破坏情况

Fig.6󰀁Failurepattersoflaminatedglass

2󰀁2󰀁常温下试验值与规范值的比较

图7为夹层玻璃不同计算模型,夹层玻璃的受弯性能介于整体截面和分离截面之间。

当PVB胶片受剪刚度无穷大时,夹层玻璃的工作性能等同于整体截面,其分析结果作为其承载性能的上限;当胶片的受剪刚度为零时,其工作性能等同于简单叠加的分离截面,其分析结果作为夹层玻璃的承载性能的下限。

图8为四边简支的6mm+1󰀁14mmPVB+6mm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。

由图8可以看出,在常温下,夹层玻璃跨中的挠

图9󰀁不同温度下6mm+1󰀁14mmPVB+6mm

夹层玻璃荷载󰀂挠度曲线比较Fig.9󰀁Comparisonofload󰀂deflectioncurves

indifferenttemperature

由图9中可以看出,在相同荷载作用下,常温（20∀）下跨中挠度小于高温（40∀）下的跨中挠度,随着荷载的增加,挠度值差别逐渐增大。

当荷载增加至4󰀁98kPa时,跨中挠度相差2󰀁5mm。

2󰀁4󰀁加载和卸载试验结果

图10为6mm+1󰀁14mmPVB+6mm夹层玻璃在高温（40∀）下加载状态和卸载状态下,夹层玻璃跨中荷载󰀂挠度关系关系曲线。

试验表明,夹层玻璃在

加的支座约束符合夹层玻璃镶嵌的实际情况,在比较大的载荷作用下,能够发挥玻璃面板内的薄膜效应,符合几何非线性的特点。

3󰀁4󰀁有限元分析结果

通过ANSYS进行非线性有限元分析,提取夹层玻璃跨中挠度和应力值与试验结果进行对比分析,表3给出了四边简支6mm+2󰀁28mmPVB+6mm夹层玻璃面板在各级荷载作用下跨中挠度试验值（平均

图10󰀁加载、卸载状态荷载󰀂挠度曲线比较Fig.10󰀁Comparisonofload󰀂deflectioncurveswith

loadingandunloading

值）以及有限元分析值。

有限元分析结果与试验结

果吻合较好,说明采用这种计算模型进行四边简支的夹层玻璃的力学分析能较好地反应夹层玻璃的受力特性。

表3󰀁夹层玻璃（6mm+2󰀁28mmPVB+6mm）跨中挠度的试验均值、有限元分析值Table3󰀁Laminatedglassexpermientalresults,criteriavalueandnumericalresultsofdeflection

荷载/kPa0󰀁360󰀁711󰀁071󰀁602󰀁132󰀁673󰀁204󰀁094󰀁98

常温20∀/mm1󰀁192󰀁403󰀁485󰀁046󰀁467󰀁809󰀁0010󰀁7212󰀁20

/mm1󰀁242󰀁513󰀁665󰀁346󰀁868󰀁249󰀁4811󰀁3012󰀁85

0󰀁040󰀁040󰀁050󰀁060󰀁060󰀁040󰀁050󰀁050󰀁05

高温40∀

偏差值0󰀁150󰀁060󰀁070󰀁080󰀁090󰀁090󰀁100󰀁070󰀁07

/mm1󰀁893󰀁124󰀁636󰀁327󰀁789󰀁1210󰀁2012󰀁2213󰀁68

/mm1󰀁693󰀁324󰀁836󰀁788󰀁499󰀁8911󰀁2113󰀁0214󰀁63

试验均值分析值偏差值试验均值分析值

加载过程中,胶片具有蠕变性能,在卸载过程中,并不能完全恢复到加载前的初始状态。

3󰀁有限元分析

3󰀁1󰀁单元属性及网格划分

采用考虑几何非线性ANSYS有限元分析程序对四边简支夹层玻璃进行模拟分析。

夹层玻璃是由两层玻璃及胶片层组成的复合结构。

对于复合结构,

ANSYS可以采用SHELL单元和SOLID单元来模拟。

但SHELL单元无法考虑PVB层间的相对滑移,计算结果较实际情况偏小。

因此本文对玻璃、胶片的建模采用

SOLID45三维实体单元,它是8节点6面体单元,由各向同性材料参数来定义

[9]

。

进行有限元分

析时,必须考虑胶片厚度对整个夹层玻璃性能的影响,在实际划分网格时,需要在玻璃、胶片厚度的方向划分3个以上的网格,以满足计算的需要,如图11所示。

注:

偏差值=|分析值-试验均值|/试验均值

现行玻璃幕墙工程技术规范行计算,按式（5）~（7）确定。

[8]

不考虑PVB夹层

的作用,计算夹层玻璃挠度时,取玻璃的等效厚度进

Wka

df=∀#

DEte

D=2

12（1-∃）

3

4

（5）（6）

3

te=t1+t2（7）

式中:

df为在风荷载标准值作用下挠度最大值,mm;a为夹层玻璃短边长度,mm;D为玻璃刚度,可根据

图11󰀁有限元模型局部示意图Fig.11󰀁Localdetailoffiniteelementmodel

式（6）计算确定;t1为外层玻璃厚度,mm;t2为内层玻璃厚度,mm;te为夹层玻璃等效厚度,可根据式（7）计算;Wk为垂直于夹层玻璃平面的风荷载标准值,N/mm2;#为折减系数;∀为挠度系数;E为玻璃

3󰀁2󰀁材料属性

根据现行玻璃幕墙工程技术规范按本文试验结果取值。

3󰀁3󰀁边界条件

对于四边简支的玻璃面板,短边在x、z方向上施加平动约束,长边在y、z方向上施加平动约束。

所施

[8]

玻璃面板

弹性模量,MPa;∃为玻璃泊松比。

取6mm+2󰀁28mmPVB+6mm夹层玻璃面板,按规范

[8]

的弹性模量取值为72kPa,PVB胶片的物理性能参数

设计公式进行计算,并与试验结果和有限元

分析结果相比较,见表4。

从表中可以看出,规范中关于夹层玻璃的挠度计算结果大于试验值,计算结果偏于保守。

表4󰀁夹层玻璃跨中挠度Table4󰀁Deflectionoflaminatedglass

荷载

跨中挠度/mm偏差EngineeringFailureAnalysis,2008,6

（1）:

1866󰀂1875.[2]󰀁张其林.玻璃幕墙结构[M].济南:

山东科学技术出

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Structureofglasscertain

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（2）:

129󰀂133.

Engineering

注:

偏差值=|分析值-试验均值|/试验均值

[5]󰀁VallabhanCVGirija,MinorJosephEIE,NagallaS

4󰀁结论

通过对不同厚度,温度条件下四边简支夹层玻璃受弯承载力试验研究及有限元分析,可以得到以下结论:

（1）夹层玻璃随着荷载的增加,荷载󰀂位移曲线接近于线性。

（2）PVB胶片对夹层玻璃的受弯承载力有重要影响,由于现行规范没有考虑胶片的粘结影响,其关于四边简支夹层玻璃的位移计算值和应力值远大于试验值,偏于保守,有必要对现行规范中夹层玻璃等效厚度的取值进行进一步研究。

（3）温度作用对PVB胶片的性能有显著影响,随

着温度升高,夹层玻璃的抗弯刚度降低,强度也随之降低。

（4）夹层玻璃在加载过程中,胶片具有蠕变性能,卸载后,并不能完全恢复到初始状态。

这在夹层玻璃作为采光顶等结构中尤为重要。

参󰀁考󰀁文󰀁献

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