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生如夏花
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2018-11-23 11:15:54 | 分类:默认分类 | 标签:

摘要:本文通过试验研究夹层玻璃PVB胶片的本构关系,得到夹层玻璃板中点处的荷载一位移关系曲线。将试验测得的胶片材料力学性能参数用于数值模拟中,并与夹层玻璃承载力试验进行对比分析,验证试验所得胶片本构关系的可靠性。最后,对现行《玻璃幕墙工程技术规范》中关于夹层玻璃在风荷载等短期荷载作用下的挠度公式进行修正,给出了修正系数,为今后规范的进一步完善和修订做了一些探讨工作。关键词:夹层玻璃;PVB本构关系;承载力性能;试验研究;数值模拟

 

 前言和研究思路  随着建筑玻璃幕墙在国内的迅猛发展,夹胶玻璃作为一种安全玻璃越来越多的应用于高层建筑幕墙中。夹层玻璃一般是由两片或数片玻璃其间夹粘聚乙烯醇缩丁醛(PVB)或SGP胶片的一种玻璃板,夹层的厚度一般为0.76、1.14或2.28mm(0.38mm的倍数)。夹胶玻璃是一种典型的复合材料,其工作性能取决于夹层胶片的抗剪刚度。当抗剪刚度无穷大时,夹层玻璃的工作性能以整体截面作为分析,其结果作为其承载性能的上限;当夹层胶片的抗剪刚度为零时,其工作性能等同于简单叠加的分离截面,分析结果作为夹层玻璃承载性能的下限。如果简单的按照上下限取值进行计算,显然不是最理性的做法,其力学模型应该是考虑夹层胶片抗剪刚度的复合截面形式而更加趋于合理。  现行玻璃幕墙规范中是按照保守的承载性能下限进行规定的,这主要是目前国内没有对PVB胶片的力学性能进行相关的研究,从而导致对其性能参数缺乏试验数据的支持。鉴于以上原因,本文究思路如下:首先,通过试验研究组成夹层玻璃材料的力学性能(PVB胶片);其次,通过夹层玻璃承载力试验,并结合数值模拟(代人PVB胶片试验值)来验证所测得的材料参数的可靠性;最后,根据夹层玻璃承载力试验和数值模拟结果,对现行规范的计算公式进行相应的修正,使其计算结果符合实际受力情况。  1 夹层玻璃PVB胶片的材性试验  1.1 PVB胶片的拉伸试验  1.1.1 试验介绍  夹层玻璃胶片的弹性模量E的测量,参考《塑料拉伸性能试验方法(GB/T1040-92)》提供的方法进行,试样尺寸如图1所示。根据胶片粘弹性的特点,取常温(20℃)与高温微机控制电子万能(40℃ )(拉力)情况下不同厚度胶片(1.14和2.28mm厚两种)的试样,由试验机与高低温箱来进行PVB胶片的拉伸试验。

四边简支夹层玻璃承载性能研究

  1.1.2 试验结果及结论  (1)试验结果图2给出了两种不同的胶片厚度,试验中测得的PVB胶片的拉伸应力一应变关系曲线。试验结果表明,胶片厚度不一样,材料性能有一定的差异,但是影响不大。

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  由于PVB胶片是一种高分子材料,其材料的力学性能受温度变化影响很大。因此,试验中进行了PVB胶片高温下的拉应力-应变关系的试验。所得环境温度为40℃时其拉应力-应变关系曲线与上图类似。

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  (2)胶片拉伸试验结论通过上面的试验数据并通过反复的数据拟合,可以得出如图3所示的PVB胶片的拉应力应变关系曲线。  1.2 PVB胶片的剪切试验  1.2.1 试件及测.点布置  PVB胶片的抗剪模量的测量试验,参考《夹芯结构或芯子剪切性能试验方法(GB/T1455-2005)》进行试验,并参考国外的试验研究方法。夹层玻璃试样尺寸取为150 mm× 273mm(6mm+1.14(2.28)PVB+6mm两种)。试验过程中为了测量夹层玻璃在荷载作用下胶片的剪切变形,在夹层玻璃的两片玻璃上分别固定两个测点,其位移之就是胶片的剪切位移,在此基础上根据材料力学计算公式即可求出胶片的平均剪切应力与平均剪切应变。如图4所示。

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  1.2.2 试验结果及结论  (1)试验结果  试验中考虑胶片受温度影响较大,分别对不同厚度胶片在常温与高温下进行了相应的剪切试验。图5给出了不同厚度的胶片在常温下的剪切应力-应变关系曲线,并且与国外的研究成果进行了对比分析,符合较好。高温下不同厚度的胶片剪应力-应变关系此处略。试验表明,厚度对胶片剪切性能的影响较小,工程中可以忽略。

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  (2)试验结论  通过上面的试验数据可以得出,PVB胶片的剪切应力-应变关系比较复杂,受温度影响较大,受胶片厚度变化影响较小。综合以上数据并进行数据拟合,得出如图6所示PVB胶片的材料本构关系,供数值模拟使用。

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  2 夹层玻璃承载力性能的试验  2.1 试验概况  2.1.1 试件介绍  参照殷永炜[7]等人做过的关于点式中空玻璃的试验尺寸,本试验夹层玻璃试样采用尺寸为1500mm×1500mm的6mm+1.14(2.28)PVB+6mm的夹胶玻璃。试样的基本形状如图7所示。

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  2.1.2 测点布置  本试验主要是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号测点主要是测量在各级荷载作用下,夹层玻璃各点的位移值。6-7号位移测点主要是考虑在荷载作用下玻璃垫片的变形产生的位移,修正1-5号的位移值,使其得到准确的实际位移数值。其测点布置如图8所示。

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  2.1.3 试验方法  对于一般的玻璃幕墙来说,主要承受的是风荷载作用。试验中模拟风荷载主要是通过砂袋均匀布置于夹层玻璃上。加载时,共分为10级荷载施加,每级荷载施加8个砂袋,换算成均布荷载为:0.36、0.71、1.07、1.60、2.13、2.67、3.2、40.9、4.89、5.87KPa,直到夹层玻璃破坏为止。在每级荷载量值下分别测量各测点的挠度值。  2.2 试验结果与分析  (1)图9给出了四边简支的6+1.14+6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。

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  根据图9的曲线可知,在常温下,夹层玻璃中点的挠度与规范值相比误差较大,并且随着荷载等级的增加,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承载力的影响。  (2)图10给出了四边简支的6+1.14+6夹层玻璃在不同的温度下,玻璃试块中点处的挠度试验值与规范值的比较结果。由图可以得出,随着温度的升高,夹层玻璃的承载力降低。这主要是因为规范没有考虑胶片对两片玻璃承载力的影响。

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  (3)图11给出了在一定的高温条件下,不同厚度胶片的夹层玻璃中点处的荷载-位移关系。试验表明,胶片厚度对夹层玻璃承载力的影响不大,两者相差约为3%左右。根据目前试验的结果表明,1.14mm厚的夹层玻璃承载力稍微高于2.28mm厚夹层玻璃的承载力。

四边简支夹层玻璃承载性能研究

  3 夹层玻璃承载性能的理论研究
  3.1 理论分析方法
  通过对四边简支夹层玻璃的有限元分析,并与试验结果比较,得出准确的夹层玻璃的力学计算模型。在此基础上对不同厚度的夹层玻璃进行数值计算,归纳总结出PⅤB胶片对夹层玻璃承载力的影响程度,并通过影响系数来对现行玻璃幕墙规范中夹层玻璃计算公式进行修正,得出符合实际情况的计算方法。在本文中采用国际通用有限元分析软件ANSYS对四边简支来层玻璃进行力学分析。分析时,对于组成夹层玻璃的材料的特性参数采用试验所得数据,支撑条件采用四边简支来进行数值模拟。在夹层玻璃的计算模型中包含两种材料,上下两层为玻璃,中间为PVB胶片层,全部采用solid5单元来模拟。通过有限元分析结果和承载力试验结果的比较,可以得到一种与四边简支夹层玻璃实际受力特点吻合较好的有限元计算模型,并根据试验结果与数值结果的对比分析,给出符合实际模型的准确的夹层玻璃的计算公式。
  3.2 夹层玻璃的有限元分析结果
  对试验中所采用的夹层玻璃进行有限元计算,玻璃面板平面尺寸为15O0×15O0,厚度为6+1.14+6夹层玻璃,计算模型中所使用的单元solid45单元,边界条件为四边简支。表1中给出了有限元计算值和试验值(平均值)的比较。
  3.3 四边简支夹层玻璃的计算方法
  对夹层玻璃的计算公式进行修改时,必须考虑各种因数的影响。本文中,取高温下胶片的材料特性代入数值模拟中,并且通过大量的不同规格、不同厚度的夹层玻璃的有限元数值模拟分析比较,在试验数据的基础上,并适当考虑工程设计安全度的要求,得到如下关于夹层玻璃的规范修正公式计算公式:

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  其他参数同《玻璃幕墙工程技术规范》根据修正后的夹层玻璃挠度的计算公式,分别计算出夹层玻璃在各级荷载作用下的挠度值,如表2中所示。

四边简支夹层玻璃承载性能研究

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  为了对比分析,现给出四边简支夹层玻璃在荷载作用下的原规范值、试验值、有限元模拟理论值和修正后的规范计算值,如图12所示。

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  4.结论
  1)提出测量夹层玻璃中间胶片的材料本构关系的试验方法,并通过夹层玻璃承载力试验对所测得的值进行验证,结果表明PVB胶片本构关系的测量方法可靠,结果合理。
  (2)给出在进行夹层玻璃数值模拟时,PVB胶片的材料性能,如表3所示。可供广大设计捋在数值模拟时参考。

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  (3)规范由于没有考虑胶片的黏结影响,其关于四边简支夹层玻璃的位移计算值远大于试验值,偏于保守,对其进行修正存在必要性。
  (4)通过理论和试验结果的对比,给出了可供在实际分析中使用的四边简支夹层玻璃的有限元计算模型。
  (5)通过大量的数值模拟以及试验结果的分析,对现行规范进行了相应的修正,给出了符合实际受力性能的夹层玻璃的挠度计算公式,优化夹层玻璃的计算,节省材料资源,可供广大幕墙设计人员在实际工程中作为设计参考。


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