雷科陽，磨季云，姜捷奇,楊印南

(1.武漢科技大學(xué)理學(xué)院，武漢 430070；2.深圳市三鑫科技發(fā)展有限公司，深圳 518000)

0 引 言

全玻幕墻是用玻璃肋作為支撐結(jié)構(gòu)的一種幕墻形式，能夠最大限度呈現(xiàn)簡潔、通透、明快的建筑效果，被廣泛應(yīng)用于建筑大堂,現(xiàn)代建筑大堂的層高越來越高，肋支撐的全玻幕墻尺寸也越來越大[1-4]。全玻幕墻主要有肋板承載能力不足失效破碎與硅酮結(jié)構(gòu)膠失效破碎兩種形式[5], 玻璃肋作為全玻幕墻主要的受力構(gòu)件,在設(shè)計時需要重點關(guān)注。對于玻璃肋的穩(wěn)定性問題已經(jīng)有不少學(xué)者[6-9]進(jìn)行了研究，玻璃肋的寬度、厚度、跨度對玻璃肋的穩(wěn)定性都存在影響，其中玻璃肋的厚度和跨度比玻璃肋的寬度對穩(wěn)定性影響更大。因制作設(shè)備限制和降低造價的需要，大跨度玻璃肋通常采用拼接的方式制作[10-12]。玻璃肋有粘接連接與機(jī)械連接兩種連接方式[13-14],這兩種拼接方式都需要在玻璃肋上面開孔，玻璃是典型的脆性材料，玻璃開孔會產(chǎn)生應(yīng)力集中，孔邊的應(yīng)力集中容易導(dǎo)致玻璃肋的破碎[15-16]。玻璃肋連接孔通常有螺栓群受力與接觸面受力兩種受力形式，連接孔內(nèi)玻璃與螺栓之間通常采用注膠、填充尼龍?zhí)篆h(huán)和橡膠來避免螺栓與玻璃孔壁之間的剛性接觸，螺栓也可以外套鋁環(huán)來克服尼龍?zhí)篆h(huán)與橡膠承壓能力低、易老化的缺點[17-18]。對于拼接玻璃肋而言，連接孔的承載能力對玻璃肋整體的承載能力起著至關(guān)重要的作用，研究連接孔處的承載能力對工程實際應(yīng)用有重要意義。

本文通過試驗來探究玻璃肋連接孔處采用尼龍1010套環(huán)作為彈性介質(zhì)與填充喜利得RE-500植筋膠作為彈性介質(zhì)兩種構(gòu)造的承載能力，并建立單個連接孔的有限元分析模型，與試驗結(jié)果進(jìn)行對比來分析比較兩種構(gòu)造的承載能力。

1 實 驗

1.1 試件基本信息

實際工程應(yīng)用中出于安全考慮,玻璃肋都是采用夾膠玻璃，但夾膠玻璃在生產(chǎn)過程中不可避免的會有疊差的產(chǎn)生，疊差的存在會使玻璃孔處各片玻璃不能均勻受力[19-20]。為消除疊差對試驗的影響，本次試驗玻璃肋試件采用19 mm單片鋼化玻璃。

制作400 mm×400 mm規(guī)格的19 mm厚單片鋼化玻璃試塊10塊,平分為兩組，每組5塊玻璃試塊，第一組采用構(gòu)造1(見圖1(a)),在玻璃中心開φ50 mm玻璃圓孔，孔內(nèi)襯3 mm厚的外徑為φ35 mm的鋁套環(huán)，玻璃與鋁套環(huán)之間彈性介質(zhì)采用7 mm厚尼龍1010套環(huán)，構(gòu)造1玻璃試件照片如圖1(b)所示；第二組采用構(gòu)造2(見圖2(a))，在玻璃中心開φ50 mm玻璃圓孔，內(nèi)襯3 mm厚的外徑為φ35 mm的鋁套環(huán)，玻璃與鋁套環(huán)之間彈性介質(zhì)采用7.5 mm厚喜利得RE-500植筋膠，構(gòu)造2玻璃試件照片如圖2(b)所示。玻璃試塊通過鋁環(huán)內(nèi)穿M27不銹鋼螺栓固定在萬能試驗機(jī)工作臺上，其中鋁套環(huán)的型材牌號為6063-T6,不銹鋼螺栓強(qiáng)度等級為A2-70。

圖1 構(gòu)造形式1與試件照片F(xiàn)ig.1 Structure form 1 and picture of specimen 1

圖2 構(gòu)造形式2與試件照片F(xiàn)ig.2 Structure form 2 and picture of specimen 2

1.2 試驗方法

將玻璃試件通過不銹鋼螺栓安裝固定在不銹鋼底座上并放置在萬能試驗機(jī)工作臺上，如圖3所示，通過萬能試驗機(jī)施加荷載P,模擬玻璃肋工作中的受荷狀態(tài)，萬能試驗機(jī)以0.1 kN/s的速率勻速施加荷載P直至玻璃試件破碎，記錄玻璃試件破壞荷載。

圖3 試驗裝置照片F(xiàn)ig.3 Picture of test device

1.3 試驗結(jié)果

表1為構(gòu)造1玻璃試件的破壞荷載，表2為構(gòu)造2玻璃試件的破壞荷載。

表1 構(gòu)造1玻璃試件破壞荷載Table 1 Structure 1 failure load of glass specimen

表2 構(gòu)造2玻璃試件破壞荷載Table 2 Structure 2 failure load of glass specimen

《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50068—2018)[21]中提出材料的標(biāo)準(zhǔn)試件試驗得到的材料強(qiáng)度fspe，一般不等同于結(jié)構(gòu)中實際的材料強(qiáng)度fstr，兩者可能存在較大的差別。材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值一般取概率分布的低分值，國際上一般取0.05分位值，本試驗也采用這個分位值確定材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。此時，當(dāng)材料強(qiáng)度正態(tài)分布時，標(biāo)準(zhǔn)值為：

fk=μf-1.645σf

(1)

(2)

根據(jù)試驗結(jié)果得出第1組試件的破壞荷載標(biāo)準(zhǔn)值為P1k=60.97 kN,第2組試件的破壞荷載標(biāo)準(zhǔn)值為P2k=77.08 kN?！恫Ａ粔こ碳夹g(shù)規(guī)范》(JGJ 102—2003)[22]中玻璃的安全系數(shù)取2.5，風(fēng)荷載分項系數(shù)取1.4得出玻璃材料的分項系數(shù)K=1.785，得到構(gòu)造1破壞荷載的設(shè)計值P1E=34.16 kN，構(gòu)造2破壞荷載的設(shè)計值為P2E=43.18 kN。

2 有限元分析

2.1 有限元分析模型建立

利用有限元分析軟件ANSYS Workbench進(jìn)行玻璃孔連接節(jié)點的接觸分析，建立的分析模型中玻璃尺寸為400 mm×400 mm,厚度19 mm,模型中心開圓孔，孔徑φ50 mm，鋁套環(huán)外徑為φ35 mm。尼龍1010套環(huán)與玻璃之間的接觸設(shè)置為Rough接觸，該接觸類型允許法向分離，但不允許有切向滑移，RE-500植筋膠與玻璃粘接在一起，則選用的接觸類型為Bonded綁定約束，既不能有法向分離也不能有切向滑移。模型的邊界條件為約束平面外平動，平面內(nèi)釋放施加荷載P方向的平動，采用Cylindrical Support模擬螺栓對鋁環(huán)的支撐。因為接觸間隙對實際受力情況存在影響，建立的分析模型中彈性材料與玻璃之間的間隙統(tǒng)一設(shè)置為0。

網(wǎng)格劃分對有限元分析結(jié)果影響很大， ANSYS Workbench擁有自適應(yīng)網(wǎng)格劃分、自動化網(wǎng)格劃分與自動收斂技術(shù)，為提高玻璃孔處的求解精度，在Mesh模塊中選用Contact Sizing定義玻璃孔周圍單元尺寸為1 mm，采用六面體主導(dǎo)網(wǎng)格劃分方法進(jìn)行劃分，在Sizing中Relevance設(shè)定為50，Smoothing設(shè)置為Medium,單元網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖4所示。構(gòu)造1(見圖4(a))共有61 671的單元、288 118個節(jié)點，網(wǎng)格質(zhì)量最大值0.99，最小值0.09，平均值0.79；構(gòu)造2(見圖4(b))共有60 811個單元、283 839個節(jié)點，網(wǎng)格質(zhì)量最大值0.99，最小值0.09，平均值0.79。

圖4 單元網(wǎng)格劃分示意圖Fig.4 Schematic diagram of cell grid division

2.2 試驗中各材料屬性取值

表3中各材料屬性按《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》(JGJ 102—2003)[22]取值，表4為彈性介質(zhì)的材料特性參數(shù)。

表3 各材料屬性Table 3 Properties of each material

表4 彈性介質(zhì)的材料特性參數(shù)Table 4 Material properties of elastic medium

2.3 試驗結(jié)果分析

計算得到兩種連接構(gòu)造有限元模型最大破壞荷載結(jié)果如圖5所示，圖5(a)為構(gòu)造1玻璃側(cè)面應(yīng)力達(dá)到58.8 MPa時破壞荷載為35.972 kN，圖5(b)為構(gòu)造2玻璃側(cè)面應(yīng)力達(dá)到58.8 MPa時破壞荷載為40.779 kN，圖6為兩種構(gòu)造玻璃破壞時等效應(yīng)變云圖。

圖5 兩種構(gòu)造有限元分析結(jié)果Fig.5 Results of finite element analysis of two constructs

圖6 兩種構(gòu)造應(yīng)變分析結(jié)果云圖Fig.6 Results of two types of structural strain analysis

從圖5、圖6中可以看出，玻璃孔處的應(yīng)力、應(yīng)變最大，從玻璃孔至玻璃試件受壓邊部應(yīng)力與應(yīng)變逐漸減小，其余邊部應(yīng)力應(yīng)變最小，玻璃的徑向應(yīng)力分布基本為二次拋物線，與現(xiàn)實接觸受力情況相符。鋼化玻璃側(cè)面強(qiáng)度設(shè)計值為58.8 MPa,從模擬結(jié)果看出當(dāng)玻璃的應(yīng)力達(dá)到58.8 MPa時，構(gòu)造1的破壞荷載為P1=35.972 kN；構(gòu)造2的破壞荷載為P2=40.779 kN，與試驗的結(jié)果P1E=34.16 kN、P2E=43.18 kN基本一致，說明有限元分析結(jié)果可作為連接孔承載力設(shè)計值的參考,從試驗結(jié)果可以看出在滿足玻璃肋構(gòu)造要求下連接孔采用構(gòu)造形式2比構(gòu)造形式1具有更高的承載能力。

3 玻璃孔大小對承載能力的影響

3.1 有限元模型建立

建立構(gòu)造形式2的連接孔有限元模型，孔徑范圍為φ38～60 mm，模型中喜利得RE-500植筋膠厚度為8 mm，內(nèi)套鋁環(huán)厚度為3 mm，當(dāng)玻璃側(cè)面強(qiáng)度達(dá)到58.8 MPa時，破壞荷載值統(tǒng)計結(jié)果如表5所示。圖7(a)～(e)為不同孔徑玻璃試件有限元模擬結(jié)果，圖8為φ38～60 mm玻璃孔直徑的破壞荷載散點圖。

表5 φ38～60 mm玻璃孔破壞荷載值Table 5 φ38～60 mm glass hole failure load value

圖7 φ38～58 mm孔徑模型有限元模擬結(jié)果圖Fig.7 Results of finite element analysis of φ38～58 mm glass aperture

圖8 φ38～60 mm孔徑連接孔破壞荷載散點圖Fig.8 φ38～60 mm diameter connecting hole failure load scatter diagram

3.2 有限元模擬結(jié)果分析

從有限元模擬結(jié)果分析得出，隨著玻璃孔直徑的增加，連接孔承載力也會隨之增加。采用喜利得RE-500植筋膠構(gòu)造下，當(dāng)玻璃孔直徑從φ38 mm增加至φ54 mm時，玻璃孔承載力增加明顯，孔徑每增加2 mm，玻璃孔承載力約增加5.4%，φ54～60 mm璃連接孔承載力變化不大。

3.3 玻璃試件斷裂分析

圖9 玻璃試件破碎圖片F(xiàn)ig.9 Picture of broken glass specimen

因鋼化玻璃破壞后會直接破碎成小塊，制作夾膠玻璃試件進(jìn)行試驗來觀察玻璃破壞時的裂紋情況，當(dāng)玻璃試件破壞時，玻璃孔上邊緣受壓區(qū)域出現(xiàn)大量密集放射性裂紋，與有限元模擬得到的應(yīng)力應(yīng)變分布情況一致，裂紋從孔邊一直延伸至玻璃試件上部邊緣位置，其他區(qū)域出現(xiàn)網(wǎng)狀裂紋，玻璃破碎情況如圖9所示。

玻璃在生產(chǎn)加工過程中會在表面產(chǎn)生微小的裂紋，每平方毫米面積會存在幾百條裂紋，這些裂紋又叫做格里菲斯裂紋,鋼化玻璃在鋼化過程中會使玻璃表面裂紋尖端產(chǎn)生鈍化，相當(dāng)于減小裂紋深度[23]。玻璃表面這些微小裂紋的存在使玻璃斷裂強(qiáng)度的實際值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于理論值，在外荷載作用下裂紋逐漸擴(kuò)展最終導(dǎo)致玻璃發(fā)生斷裂。Griffith[24]研究含裂紋的玻璃強(qiáng)度，并得出斷裂應(yīng)力與裂紋尺寸的關(guān)系。

(3)

式中：c是裂紋尺寸；γ是表面能；E是楊氏模量；σ是斷裂應(yīng)力。

玻璃在發(fā)生脆性斷裂前，除了裂紋周圍很小范圍內(nèi)，材料其余位置處于彈性狀態(tài)，此階段可以按線彈性理論來分析應(yīng)力與變形。斷裂力學(xué)的試驗表明當(dāng)玻璃的應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到某一臨界值時，玻璃表面的裂紋發(fā)生失穩(wěn)擴(kuò)散導(dǎo)致玻璃結(jié)構(gòu)發(fā)生脆性斷裂，玻璃脆性斷裂的破壞準(zhǔn)則為：

KI>KC

(4)

式中：KI為應(yīng)力強(qiáng)度因子；KC為材料的斷裂韌性。

I型裂紋為工程中常見的裂紋形式，玻璃在生產(chǎn)加工過程中不可避免會產(chǎn)生裂紋，玻璃可能會產(chǎn)生以下4種表面裂紋：半橢圓表面裂紋、1/4橢圓角裂紋、孔壁半橢圓表面裂紋、孔邊1/4橢圓角裂紋，四種裂紋剖面示意圖如圖10所示[25],圖中L為玻璃試件寬度，t為玻璃試件厚度，a、c分別為橢圓裂紋的短、長半軸，R為玻璃孔半徑。

圖10 四種裂紋剖面示意圖Fig.10 Schematic diagram of four crack profiles

裂紋起源于高應(yīng)力處，試驗過程中玻璃孔處和玻璃試件表面都可能會出現(xiàn)高應(yīng)力。若裂紋起源于玻璃孔處的高應(yīng)力區(qū)域，玻璃孔位置的半橢圓表面裂紋或者孔邊1/4橢圓角裂紋會在外力作用下擴(kuò)展，此時裂紋會從玻璃孔處擴(kuò)散至整個玻璃試件。若裂紋起源于玻璃試件表面，此時裂紋會從玻璃試件表面開始擴(kuò)展，隨后擴(kuò)展至整塊玻璃。因此在制作加工玻璃肋時，必須在玻璃鋼化前完成加工操作，對玻璃板邊必須進(jìn)行機(jī)械磨邊、倒棱、倒角等精加工處理，玻璃肋組裝前應(yīng)仔細(xì)檢查玻璃邊緣，避免使用帶有爆邊、缺角等缺陷的玻璃肋。

4 結(jié) 論

(1)連接孔有限元接觸分析結(jié)果與試驗結(jié)果基本吻合，采用有限元模型分析是經(jīng)濟(jì)可行的，采用喜利得RE-500植筋膠作為彈性介質(zhì)材料的連接孔構(gòu)造比采用尼龍1010套環(huán)作為彈性介質(zhì)的連接孔構(gòu)造具有更高的承載能力。

(2)在滿足玻璃開孔構(gòu)造前提下連接孔承載力隨玻璃孔直徑增大而提高，玻璃孔直徑在φ54～60 mm時承載力變化不大，在實際工程應(yīng)用中注膠構(gòu)造連接孔直徑為φ54～56 mm時最適用。

(3)玻璃肋在生產(chǎn)加工過程中，必須對玻璃孔及玻璃邊位置進(jìn)行精加工處理，避免玻璃表面缺陷影響玻璃肋的整體承載能力。