中空玻璃强度与刚度分析及失效的预测

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摘要：中空玻璃是由两片（或两片以上）玻璃构成，中间用带有干燥剂的间隔框隔开，周边进行密封的玻璃制品。由于中空玻璃具有良好的隔热保温性能，近几年来在我国新建建筑中广泛使用。 中空玻璃在使用的整个寿命周期中要     中空玻璃是由两片（或两片以上）玻璃构成，中间用带有干燥剂的间隔框隔开，周边进行密封的玻璃制品。由于中空玻璃具有良好的隔热保温性能，近几年来在我国新建建筑中广泛使用。

    中空玻璃在使用的整个寿命周期中要不断受到外界环境腐蚀及外力作用，在使用一段时间后部分中空玻璃会出现各种质量问题，其中主要有两种：一是中空玻璃密封性能失效（气体泄漏），使中空玻璃产生露点，并失去保温隔热功能；二是中空玻璃炸裂及外片整体脱落，容易造成严重的安全隐患。特别是中空玻璃密封性能失效会导致其承载能力下降，在外力作用下，其外片更容易发生整体脱落。因此，研究中空玻璃承载性能的基本理论，了解中空玻璃在外载作用下的强度特征及变形特征，合理设计中空玻璃结构尺寸，并提出一套中空玻璃中空层密封性能失效现场检测方法，对指导中空玻璃工程应用，降低中空玻璃失效概率，保证中空玻璃安全可靠使用有着重要意义。为此，本文根据中空玻璃结构特点，分析了影响中空玻璃承载性能的各方面因素，提出了采用在中空玻璃面板中心施加集中荷载，通过观测中空玻璃内、外片变形量的大小或中空层的厚度变化来评价中空玻璃中空层的密封性能，并设计了一套配套的检测装置。

    中空玻璃承载性能分析

    影响中空玻璃承载性能的主要因素为中空玻璃强度、中空玻璃刚度及中空玻璃中空层密封性能。

    1.中空玻璃的强度及刚度

    中空玻璃强度是指中空玻璃抵抗外载作用的能力，刚度是指中空玻璃承载变形的能力。显然，在玻璃材料给定后，比如普通平板玻璃或钢化玻璃，那么根据玻璃强度设计理论，玻璃原片的断裂强度就确定下来了。因此，要使中空玻璃承载能力提高，就必须在同载荷作用下使玻璃表面弯拉应力更小，这就与中空玻璃原片尺寸（各原片的长度、宽度、长宽比与厚度）及中空层厚度有关。外载作用下直接分配到每片玻璃上的载荷大小决定着中空玻璃的承载能力。

    由于中空玻璃是由两片（或两片以上）玻璃构成，周边密封形成一个密封的空气层，中空玻璃在一面玻璃受到载荷作用时，受力面玻璃变形压缩中空层气体，气体压强增大，将部分载荷传送给另一面玻璃，因此在气体密封状态下，中空玻璃是两片玻璃共同承担载荷，两片玻璃同时变形。

    2.中空层失效状态下中空玻璃承载特性

    在中空层气体密封的情况下，气体的传递作用能够将一部分外荷载传递给另一片玻璃，但是当气体层泄漏时，中空层气体则完全丧失了传递荷载的作用，此时，中空玻璃承受荷载完全由直接受力的那片玻璃承担。显然，此时的中空玻璃承受荷载能力将会明显下降。

    图1是通过试验测量中空玻璃（规格为6mm+12mm+6mm，尺寸为1000mmⅹ1000mm）在6kPa均布荷载作用下中空层在密封和泄漏情况下内片玻璃（非承载一面）沿中线上的挠度值。此图表明了在中空层气体密封条件下内片玻璃的挠度明显大于泄漏状态下的挠度，泄漏后中空气体层失去传载能力，内片不受力，几乎没有变形。

    3.环境温、压差对中空玻璃承载性能的影响

    即使不受外荷载作用，由于中空玻璃的生产地域环境与使用地域环境存在差别，也会导致中空玻璃中空层气体的膨胀或收缩（见图2），直接导致两片玻璃原片产生变形和附加应力，严重时会使两片玻璃相互磕碰在一起，甚至导致玻璃破裂。

    中空层失效在线检测方法及装置

    由分析可知，中空玻璃在中空层密封性能失效后改变了其承载性能，为此，提出了通过在玻璃板中心施加集中力方法并观测中空玻璃内外片变形或中空层厚度变化，来识别中空层是否密封。

    为达到在线检测中空玻璃中空层密封性能，检测装置主要包括施力装置和中空玻璃变形观测装置。

    （a）是现场给幕墙或门窗中空玻璃施加集中力装置构成示意图，其中施力装置采用螺旋加力方式。这个检测装置中设一用于跨设安装在幕墙附框上的有足够刚度的导杆，在导杆两端各设有一挂钩，挂钩可在导杆上自由移动。挂钩上装设吸盘，导杆的中段配置有螺旋加力器，螺旋加力器上的螺纹杆与导杆垂直，螺纹杆前端设一柔性垫片，尾端连接施力螺旋手柄，通过转动施力手柄推动螺纹杆前进；螺纹杆中段放置力传感器用以获取施力大小。

    （b)是另一种现场给幕墙中空玻璃施加集中力装置构成示意图，其中加力装置采用砝码加力的方式。这个检测装置中设一连杆，连杆由两部分组成，为拉杆和压杆，拉杆和压杆的一端用铰链连接，使两杆可以相互旋转并得到不同的角度。拉杆的另一端设有挂钩与一真空吸盘连接可吸固在玻璃上，在连杆的铰链处设有一挂钩，挂钩和挂绳一端连接，在挂绳另一端也设有挂钩，挂钩上可放置砝码。调节拉压杆的角度，使压杆与检测玻璃平面相垂直，增减砝码可得到给玻璃施加的不同的集中力。

    通过给使用中的中空玻璃一面施加集中力，同时记录中空玻璃内外片中心的挠度值（最大挠度）或中空层厚度，中空玻璃变形可采用位移传感器观测，中空层厚度可采用空气层厚度观测装置测量。

    检测实例

    试验采用中空玻璃样品规格为6mm+12mm+6mm，长宽尺寸为2000mm×2000mm。采用螺旋加力方式给中空玻璃施加集中力，采用基恩士公司生产的LK-G40激光位移传感器测量中空玻璃内外片的变形。这种传感器通过入射激光穿过第一片玻璃并照射到第二片玻璃表面上，通过接收两片玻璃表面反射回来的光线，从而可以同时精确测量到两片玻璃的变形。试验室检测实物装置见图4。

    （1）将两吸盘吸附于中空玻璃短边边缘中部，调节导杆，使施力螺旋杆对准玻璃板中心。旋转螺旋加力装置使施力螺旋杆端刚好接触中空玻璃外片，在玻璃与螺旋杆接触部位垫弹性片以防玻璃刚性接触破坏。

    （2）调节激光位移传感器，使激光测量点对准中空玻璃外片中心，并将力和挠度数值都调整为零。

    （3）旋转螺旋加力杆，给中空玻璃施加集中力，此时力的大小和中空玻璃变形读数在不断变化，记录力传感器分别为10、15、20、25、30、35、40、45千克时的玻璃外、内片中心变形值及中空层厚度。测量完毕后，旋转螺旋加力杆卸掉载荷。

    （4）通过人为方法在中空玻璃封边部位钻通一小孔，使中空玻璃中空层气体与大气相通，模拟中空玻璃中空层气体泄漏。

    （5）按步骤（3）给中空玻璃施加集中力，记录中空层气体泄漏后外、内片中心的变形值及中空层厚度。

    试验室测量结果及理论计算结果见表1。

    表1结果反映了集中载荷作用下中空玻璃中空层密封和泄漏状态下的外、内片变形。其中试验结果比理论结果偏小，这是由于试验时吸盘是吸附在中空玻璃外片上，所以对中空玻璃变形有一定影响。

    综上所述，中空玻璃的承载能力有赖于玻璃板的强度、刚度和中空层的密封性；在均布载荷下，中空玻璃外、内两面的受力不同，外面玻璃受力大，后面受力小，尺寸越小越明显；中空玻璃的边长大于厚度的150倍时，两面玻璃的受力趋于接近；中空层气体泄漏失效后，中空玻璃承载变形性能变化明显，采用通过给中空玻璃施加集中载荷，测量内、外片挠度或中空层厚度的变化可识别中空气体层是否密封良好。试验及现场检测结果证明，此方法及检测装置可方便、快捷、可靠地检测中空玻璃的密封性能。