不同温度下夹层玻璃受弯性能实验研究.docx
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不同温度下夹层玻璃受弯性能实验研究
不同温度下夹层玻璃受弯性能实验研究
文章归纳:
夹层玻璃作为一种平安玻璃普遍应用于建筑门窗、幕墙中。
由于单片玻璃和中间层胶片的力学性质不同较大,夹层玻璃的力学性能和破坏形态也有较大的不同。
我国现行行业标准《玻璃幕墙工程技术标准》(JGJ102-2003)中关于夹层玻璃的设计没有考虑中间层胶片的作用,是偏于平安的。
由于中间层胶片自身的力学性能受温度转变、荷载作历时刻的阻碍较大,因此对夹层玻璃的受弯性能也有专门大阻碍。
本文采纳欧洲标准prEN/ISO1288-3中的实验方式,对一般玻璃、PVB夹层玻璃和离子性中间层夹层玻璃在不同温度下的短时间和长期受弯性能进行了对如实验研究,同时对欧洲标准中的等效厚度设计方式进行了讨论,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要紧表现形式之一,为建筑的多样性提供了专门好的手腕。
由于玻璃自身为脆性材料,在发生破坏时极易造成人员损害,因此需采取靠得住的方法,提高玻璃构件的平安性能。
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,是一种普遍应用的平安玻璃。
夹层玻璃的受力性能受到多种因素的阻碍。
我国现行行业标准《玻璃幕墙工程技术标准》(JGJ102-2003)[1]中关于夹层玻璃的设计方式,并未考虑中间层胶片的有利作用,仅将荷载按刚度分派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专门大不同。
目前,我国关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刻(持荷时刻)对夹层玻璃的受力性能有较大阻碍。
随着温度升高和持荷时刻的增加,中间层胶片的弹性模量和剪切模量均有专门大转变,进而对夹层玻璃的受力性能产生较大阻碍[2]。
本文采纳欧洲标准prEN/ISO1288-3[3]中规定的四点受弯实验方式,对一般玻璃、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)在不同温度下的短时间和长期受弯性能进行了对如实验研究,同时对我国标准和欧洲标准中关于夹层玻璃的设计方式进行了讨论。
2 实验概况
在常温下,不同中间层胶片夹层玻璃,其短时间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]。
本次实验对在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时间和长期受弯性能进行了实验研究。
夹层玻璃的中间层材料别离采纳PVB胶片和SentryGlas?
离子型胶片。
试件
试件包括一般单片玻璃、PVB夹层玻璃和离子性中间层夹层玻璃三种,其中短时间受弯实验共9片,每种三片;长期受弯实验共6片,每种2片。
试件尺寸均为1100mm×360mm×10mm,中间层胶片厚度均为。
试件编号及大体参数如表和表。
表 短时间荷载受弯性能实验试件
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
0
ANN-2
0
ANN-3
0
PVB-1
PVB夹层玻璃
PVB-2
PVB-3
SGP-1
离子性夹层玻璃
(SentryGlas®胶片)
SGP-2
SGP-3
表 长期荷载受弯性能实验试件
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
0
L-ANN-2
0
L-PVB-1
PVB夹层玻璃
L-PVB-2
L-SGP-1
离子性夹层玻璃
(SentryGlas®胶片)
L-SGP-2
实验设备
制作了专门的实验保温箱以维持试件温度环境,利用电子电热器操纵保温箱内温度,采纳手动液压千斤顶加载,如图。
采纳欧洲标准prEN/ISO1288-3[3]中的四点受弯实验方式进行加载,如图。
图实验装置 图实验装置简图
加载步骤
短时间荷载受弯实验
第一安装试件和数据搜集设备(位移计、应变片、导线),将保温箱封锁,开动加热器,将箱内温度加热到指定温度,恒温稳固1h;将仪表调零,采纳手动液压千斤顶缓慢均匀加载,由数据搜集设备读取测点的应变值,搜集数据的时刻距离为2s。
当试件中点应变达到350με左右时,维持荷载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,别离是25℃、40℃、50℃、60℃、70℃和80℃。
长期荷载受弯实验
安装试件和数据搜集设备(位移计、应变片、导线),将保温箱封锁;开动加热器,将箱内温度加热到指定温度,恒温稳固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,搜集实验数据,每次搜集的时刻距离为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,别离是30℃、50℃和80℃。
量测方案
量测每级荷载下试件下表面中点的挠度和应变、加载时刻、应变片周围温度。
挠度、应变和温度的测点布置如图。
图测点布置图
3 实验结果
短时间荷载受弯性能实验结果
应力散布
在不同温度下,试件下表面应力达到20MPa时试件经受的荷载如下图。
图试件经受荷载随温度转变曲线
由图可知,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)在不同的温度品级下,单层退火玻璃经受的荷载值大体维持不变,约为560N,即在应力为常数时所经受的荷载值随温度的转变不明显;
2)在相同的温度品级下,PVB夹层玻璃经受的荷载值较等厚度单层玻璃和离子性中间层夹层玻璃经受的荷载低。
随温度升高,其不同慢慢增大,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经受的荷载值大体不随温度转变而改变,而且稍高于单层退火玻璃经受的荷载值,约为580N;温度超过40℃后,其所经受的荷载随温度升高慢慢降低,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,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
图不同温度下三种试件的荷载-应力曲线
挠度
一般单片玻璃、PVB夹层玻璃和离子性中间层夹层玻璃试件在不同温度品级下的荷载-挠度曲线如图。
由图可知,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转变不灵敏;PVB夹层玻璃试件荷载挠度曲线的斜率那么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,可是在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转变不大。
(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不同,图别离给出了25℃、50℃、80℃三个温度级别的荷载-挠度曲线。
(a)25℃ (b)50℃ (c)80℃
图 三种温度下三种试件的荷载-挠度曲线
由图可看出:
1)在25℃时,随着荷载的增加,试件挠度大体随荷载呈线性增加,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夹层玻璃的挠度那么高于前者,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加,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,说明现在离子性中间层夹层玻璃的受弯性能已明显受温度的阻碍,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。
长期荷载受弯性能实验结果
应力
在环境温度别离为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,其时刻-应力曲线如图。
(a)单层退火玻璃 (b)PVB夹层玻璃 (c)离子性中间层夹层玻璃
图三种试件长期荷载下应力-时刻曲线
由图(a)可知,单层退火玻璃试件的应力大体不随温度和时刻转变,在给定的荷载作用下,其应力约为3~4MPa;
由图(b)可知,PVB夹层玻璃试件的表面应力随着加载时刻的增加慢慢增加,转变较明显。
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(c)可知,离子性中间层夹层玻璃试件在持荷进程中,其应力也随时刻而增加,但增加的速度较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,应力由增加至6MPa。
三种温度品级下,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。
挠度
在环境温度别离为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刻-挠度曲线如图。
(a)单层退火玻璃 (b)PVB夹层玻璃 (c)离子性中间层夹层玻璃
图不同温度下三种试件中点的时刻-挠度曲线
由图(a)可知,在不同温度时,单层退火玻璃试件的挠度大体不随时刻而转变;
由图(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刻增加而不断增大,但不同温度时,其挠度增加也存在专门大不同。
关于PVB夹层玻璃,其挠度随着时刻增加比较显著,从开始加载到持荷2小时后,30℃和50℃时,挠度较加载初期别离增加约,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,50℃和80℃持荷2小时后,其挠度与加载初期增加约,远小于PVB夹层玻璃的增加幅度。
4 分析与讨论
我国现行行业标准《玻璃幕墙工程技术标准》(JGJ102-2003)[1]规定,作用于夹层玻璃上的风荷载可按以下公式分派到每一个单片玻璃上:
……………………………………()
……………………………………()
、
——别离为分派到每块单片玻璃上的风荷载标准值(N/mm2);
t1、t2——别离为各单片玻璃的厚度(mm)。
当进行刚度计算时,可采纳下式计算等效厚度te,然后按等效的单片玻璃计算构件的挠度。
……………………………………()
由上述规定可知,我国标准JGJ102的夹层玻璃设计方式,并未考虑中间层胶片自身对夹层玻璃受力性能的有利阻碍。
在欧洲标准prEN13474[4]中,提出了采纳等效厚度的设计方式,计算时考虑了中间层胶片自身的性能。
双片玻璃组成夹层玻璃的等效厚度计算方式如下:
计算挠度时,等效厚度可取为:
……………………………()
计算应力时,等效厚度可取为:
………………………………()
………………………………()
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——别离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。
依如实验加载简图,试件在经受荷载F时,其下表面中心的最大应力为:
………………………………()
依照前文实验数据可通过公式()反算出夹层玻璃的等效厚度。
实验反算的等效厚度与公式()或()计算的等效厚度比较,结果如图。
图中,红色折线为公式()计算的夹层玻璃等效厚度,其他折线为通过实验测得的表面应力和公式()反推取得的等效厚度。
(a)离子性中间层夹层玻璃 (b)PVB夹层玻璃
图实验等效厚度与计算等效厚度比较
由图可知,通过实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,说明该标准建议的公式具有必然的准确性。
同时,在50℃之前离子性中间层夹层玻璃的等效厚度大体不随温度改变,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
不同温度环境、短时间荷载作用下
1)单层退火玻璃的受弯性能大体不受温度转变的阻碍; 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。
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品级时,随着持荷时刻的增加,其挠度和应变大体维持不变。
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,50℃时达到,80℃时达到;离子性中间层夹层玻璃经持荷2h后,在30℃时试件挠度达到,50℃时,80℃时。
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。
夹层玻璃的等效厚度
通过实验结果与按欧洲标准prEN13474给出的等效厚度计算方式计算结果的分析比较,计算结果和实验结果比较接近,说明该建议公式能够反映夹层胶片在承载进程中的作用,在进行夹层玻璃的抗弯设计时能够参考利用。
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