中空玻璃強度與剛度分析及失效的預測

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摘要：中空玻璃是由兩片（或兩片以上）玻璃構成，中間用帶有干燥劑的間隔框隔開，周邊進行密封的玻璃制品。由于中空玻璃具有良好的隔熱保溫性能，近幾年來在我國新建建筑中廣泛使用。 中空玻璃在使用的整個壽命周期中要     中空玻璃是由兩片（或兩片以上）玻璃構成，中間用帶有干燥劑的間隔框隔開，周邊進行密封的玻璃制品。由于中空玻璃具有良好的隔熱保溫性能，近幾年來在我國新建建筑中廣泛使用。

    中空玻璃在使用的整個壽命周期中要不斷受到外界環(huán)境腐蝕及外力作用，在使用一段時間后部分中空玻璃會出現(xiàn)各種質量問題，其中主要有兩種：一是中空玻璃密封性能失效（氣體泄漏），使中空玻璃產生露點，并失去保溫隔熱功能；二是中空玻璃炸裂及外片整體脫落，容易造成嚴重的安全隱患。特別是中空玻璃密封性能失效會導致其承載能力下降，在外力作用下，其外片更容易發(fā)生整體脫落。因此，研究中空玻璃承載性能的基本理論，了解中空玻璃在外載作用下的強度特征及變形特征，合理設計中空玻璃結構尺寸，并提出一套中空玻璃中空層密封性能失效現(xiàn)場檢測方法，對指導中空玻璃工程應用，降低中空玻璃失效概率，保證中空玻璃安全可靠使用有著重要意義。為此，本文根據中空玻璃結構特點，分析了影響中空玻璃承載性能的各方面因素，提出了采用在中空玻璃面板中心施加集中荷載，通過觀測中空玻璃內、外片變形量的大小或中空層的厚度變化來評價中空玻璃中空層的密封性能，并設計了一套配套的檢測裝置。

    中空玻璃承載性能分析

    影響中空玻璃承載性能的主要因素為中空玻璃強度、中空玻璃剛度及中空玻璃中空層密封性能。

    1.中空玻璃的強度及剛度

    中空玻璃強度是指中空玻璃抵抗外載作用的能力，剛度是指中空玻璃承載變形的能力。顯然，在玻璃材料給定后，比如普通平板玻璃或鋼化玻璃，那么根據玻璃強度設計理論，玻璃原片的斷裂強度就確定下來了。因此，要使中空玻璃承載能力提高，就必須在同載荷作用下使玻璃表面彎拉應力更小，這就與中空玻璃原片尺寸（各原片的長度、寬度、長寬比與厚度）及中空層厚度有關。外載作用下直接分配到每片玻璃上的載荷大小決定著中空玻璃的承載能力。

    由于中空玻璃是由兩片（或兩片以上）玻璃構成，周邊密封形成一個密封的空氣層，中空玻璃在一面玻璃受到載荷作用時，受力面玻璃變形壓縮中空層氣體，氣體壓強增大，將部分載荷傳送給另一面玻璃，因此在氣體密封狀態(tài)下，中空玻璃是兩片玻璃共同承擔載荷，兩片玻璃同時變形。

    2.中空層失效狀態(tài)下中空玻璃承載特性

    在中空層氣體密封的情況下，氣體的傳遞作用能夠將一部分外荷載傳遞給另一片玻璃，但是當氣體層泄漏時，中空層氣體則完全喪失了傳遞荷載的作用，此時，中空玻璃承受荷載完全由直接受力的那片玻璃承擔。顯然，此時的中空玻璃承受荷載能力將會明顯下降。

    圖1是通過試驗測量中空玻璃（規(guī)格為6mm+12mm+6mm，尺寸為1000mmⅹ1000mm）在6kPa均布荷載作用下中空層在密封和泄漏情況下內片玻璃（非承載一面）沿中線上的撓度值。此圖表明了在中空層氣體密封條件下內片玻璃的撓度明顯大于泄漏狀態(tài)下的撓度，泄漏后中空氣體層失去傳載能力，內片不受力，幾乎沒有變形。

    3.環(huán)境溫、壓差對中空玻璃承載性能的影響

    即使不受外荷載作用，由于中空玻璃的生產地域環(huán)境與使用地域環(huán)境存在差別，也會導致中空玻璃中空層氣體的膨脹或收縮（見圖2），直接導致兩片玻璃原片產生變形和附加應力，嚴重時會使兩片玻璃相互磕碰在一起，甚至導致玻璃破裂。

    中空層失效在線檢測方法及裝置

    由分析可知，中空玻璃在中空層密封性能失效后改變了其承載性能，為此，提出了通過在玻璃板中心施加集中力方法并觀測中空玻璃內外片變形或中空層厚度變化，來識別中空層是否密封。

    為達到在線檢測中空玻璃中空層密封性能，檢測裝置主要包括施力裝置和中空玻璃變形觀測裝置。

    （a）是現(xiàn)場給幕墻或門窗中空玻璃施加集中力裝置構成示意圖，其中施力裝置采用螺旋加力方式。這個檢測裝置中設一用于跨設安裝在幕墻附框上的有足夠剛度的導桿，在導桿兩端各設有一掛鉤，掛鉤可在導桿上自由移動。掛鉤上裝設吸盤，導桿的中段配置有螺旋加力器，螺旋加力器上的螺紋桿與導桿垂直，螺紋桿前端設一柔性墊片，尾端連接施力螺旋手柄，通過轉動施力手柄推動螺紋桿前進；螺紋桿中段放置力傳感器用以獲取施力大小。

    （b)是另一種現(xiàn)場給幕墻中空玻璃施加集中力裝置構成示意圖，其中加力裝置采用砝碼加力的方式。這個檢測裝置中設一連桿，連桿由兩部分組成，為拉桿和壓桿，拉桿和壓桿的一端用鉸鏈連接，使兩桿可以相互旋轉并得到不同的角度。拉桿的另一端設有掛鉤與一真空吸盤連接可吸固在玻璃上，在連桿的鉸鏈處設有一掛鉤，掛鉤和掛繩一端連接，在掛繩另一端也設有掛鉤，掛鉤上可放置砝碼。調節(jié)拉壓桿的角度，使壓桿與檢測玻璃平面相垂直，增減砝碼可得到給玻璃施加的不同的集中力。

    通過給使用中的中空玻璃一面施加集中力，同時記錄中空玻璃內外片中心的撓度值（最大撓度）或中空層厚度，中空玻璃變形可采用位移傳感器觀測，中空層厚度可采用空氣層厚度觀測裝置測量。

    檢測實例

    試驗采用中空玻璃樣品規(guī)格為6mm+12mm+6mm，長寬尺寸為2000mm×2000mm。采用螺旋加力方式給中空玻璃施加集中力，采用基恩士公司生產的LK-G40激光位移傳感器測量中空玻璃內外片的變形。這種傳感器通過入射激光穿過第一片玻璃并照射到第二片玻璃表面上，通過接收兩片玻璃表面反射回來的光線，從而可以同時精確測量到兩片玻璃的變形。試驗室檢測實物裝置見圖4。

    （1）將兩吸盤吸附于中空玻璃短邊邊緣中部，調節(jié)導桿，使施力螺旋桿對準玻璃板中心。旋轉螺旋加力裝置使施力螺旋桿端剛好接觸中空玻璃外片，在玻璃與螺旋桿接觸部位墊彈性片以防玻璃剛性接觸破壞。

    （2）調節(jié)激光位移傳感器，使激光測量點對準中空玻璃外片中心，并將力和撓度數(shù)值都調整為零。

    （3）旋轉螺旋加力桿，給中空玻璃施加集中力，此時力的大小和中空玻璃變形讀數(shù)在不斷變化，記錄力傳感器分別為10、15、20、25、30、35、40、45千克時的玻璃外、內片中心變形值及中空層厚度。測量完畢后，旋轉螺旋加力桿卸掉載荷。

    （4）通過人為方法在中空玻璃封邊部位鉆通一小孔，使中空玻璃中空層氣體與大氣相通，模擬中空玻璃中空層氣體泄漏。

    （5）按步驟（3）給中空玻璃施加集中力，記錄中空層氣體泄漏后外、內片中心的變形值及中空層厚度。

    試驗室測量結果及理論計算結果見表1。

    表1結果反映了集中載荷作用下中空玻璃中空層密封和泄漏狀態(tài)下的外、內片變形。其中試驗結果比理論結果偏小，這是由于試驗時吸盤是吸附在中空玻璃外片上，所以對中空玻璃變形有一定影響。

    綜上所述，中空玻璃的承載能力有賴于玻璃板的強度、剛度和中空層的密封性；在均布載荷下，中空玻璃外、內兩面的受力不同，外面玻璃受力大，后面受力小，尺寸越小越明顯；中空玻璃的邊長大于厚度的150倍時，兩面玻璃的受力趨于接近；中空層氣體泄漏失效后，中空玻璃承載變形性能變化明顯，采用通過給中空玻璃施加集中載荷，測量內、外片撓度或中空層厚度的變化可識別中空氣體層是否密封良好。試驗及現(xiàn)場檢測結果證明，此方法及檢測裝置可方便、快捷、可靠地檢測中空玻璃的密封性能。