徐自林， 張二毛， 張喜德,3， 江佳霖

(1. 廣西大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，廣西 南寧 530004; 2. 南寧高速公路建設(shè)發(fā)展有限公司, 廣西 南寧 530023; 3. 工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西 南寧 530004)

0 引 言

作為一種外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，玻璃幕墻以曲面為美，由于冷彎成型法可以在常溫下將玻璃彎曲成所需的形狀，而且擁有成型效果好、成本低、能耗低和光學(xué)性能良好的優(yōu)勢(shì)[1]，因而有許多玻璃幕墻項(xiàng)目采用此方法進(jìn)行施工。因?yàn)槔鋸潟r(shí)玻璃發(fā)生的是彈性變形，因此其內(nèi)部會(huì)存在永久應(yīng)力[2]。由玻璃與硅酮膠、間隔條、丁基膠等間隔材料粘結(jié)而成的中空玻璃，間隔材料的剪切模量對(duì)其冷彎力學(xué)性能有重要影響[3]，并且在冷彎時(shí)其應(yīng)力和變形狀態(tài)相比于普通單片玻璃更加復(fù)雜，對(duì)此， Besserud[4]等研究了冷彎中空玻璃的耐久性，P?lzl[5]通過數(shù)值模擬的方法研究了中空玻璃在單曲率和雙曲率冷彎下的力學(xué)性能，張喜德[6]等通過試驗(yàn)和有限元模擬研究了耦合均布荷載等因素對(duì)冷彎中空玻璃力學(xué)性能的影響。但是，現(xiàn)有的關(guān)于冷彎中空玻璃的研究較少，而且各試驗(yàn)研究中主要采取傳統(tǒng)電阻應(yīng)變法測(cè)量其應(yīng)力，這極大地限制了冷彎中空玻璃的應(yīng)用與發(fā)展。

由于光纖擁有抗干擾強(qiáng)、體積小、質(zhì)量輕、耐腐蝕、可靠性好等特性[7]，因此其被廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域，如Zhang等通過分布式布里淵光纖研究了路基的沉降行為[8]，提出了一種監(jiān)測(cè)路基沉降的方法；馮其瑞等采用分布式光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)了高強(qiáng)筋活性粉末混凝土梁裂縫的發(fā)展[9]；張峰和裴華富研發(fā)了一種用于監(jiān)測(cè)邊坡位移的分布式光纖原位測(cè)斜儀[10]。雖然分布式光纖被廣泛應(yīng)用，但是在國(guó)內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有學(xué)者使用光纖研究冷彎玻璃的力學(xué)性能，在國(guó)外也鮮有發(fā)現(xiàn)，只有Thiemo Fildhuth等利用光纖傳感器監(jiān)測(cè)了冷彎夾層玻璃的內(nèi)部應(yīng)力[11]。

基于上述認(rèn)識(shí)，本文對(duì)冷彎中空玻璃板的力學(xué)性能進(jìn)行研究，利用分布式光纖的特點(diǎn)測(cè)量冷彎應(yīng)力，以便在分析中空玻璃板在冷彎時(shí)沿光纖長(zhǎng)度方向的應(yīng)力分布規(guī)律及大小方面取得更好的實(shí)驗(yàn)效果。

1 分布式光纖的應(yīng)力測(cè)量原理

在布里淵光時(shí)域分析（BOTDA）技術(shù)中，位于光纖兩端的可調(diào)諧激光器分別將一泵浦光和探測(cè)光注入光纖，當(dāng)泵浦光和探測(cè)光的頻率差恰好等于光纖某區(qū)域的布里淵頻移時(shí)，在該區(qū)域就會(huì)產(chǎn)生布里淵受激放大作用，兩光束之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。由于布里淵頻移與應(yīng)變、溫度存在良好的線性關(guān)系，因此在對(duì)兩激光器的頻率進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)時(shí)，根據(jù)檢測(cè)光纖一端耦合出來的連續(xù)光的功率，就可以確定光纖各小段范圍內(nèi)能量轉(zhuǎn)移達(dá)到最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率差，從而得到應(yīng)變和溫度信息，實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量。當(dāng)環(huán)境溫度變化較小時(shí)，可以忽略溫度對(duì)布里淵頻移的影響，根據(jù)式(1)計(jì)算光纖的應(yīng)變值。

在試驗(yàn)中采用艾爾訊集團(tuán)專門定制的裸光纖，其應(yīng)變系數(shù)C1根據(jù)閆繼送[12]等人的研究成果，取值為 0.051 1 MHz/με。由于試驗(yàn)在室內(nèi)進(jìn)行，通過空調(diào)控制室溫，使冷彎過程中室溫保持在25℃±2℃范圍內(nèi)，環(huán)境溫度變化較小，因此可按式(1)計(jì)算試驗(yàn)中光纖各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變值。

根據(jù)分布式光纖采集到的應(yīng)變數(shù)據(jù)以及玻璃的彈性模量可計(jì)算出冷彎中空玻璃板沿光纖長(zhǎng)度方向的應(yīng)力σ，玻璃的彈性模量值根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》取為72 000 MPa。

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

2.1 試件設(shè)計(jì)

中空玻璃由玻璃板和間隔材料構(gòu)成，如圖1所示，為便于分析與描述，對(duì)圖中玻璃板的四個(gè)大面進(jìn)行命名，規(guī)則如下：“T”“D”分別表示上、下片玻璃，“1”“2”分別表示每片玻璃的上、下表面。例如，“D-1”面表示下片玻璃的上表面。

圖1 中空玻璃的構(gòu)造

根據(jù)中空玻璃的組成，研究玻璃厚度、空腔厚度和冷彎半徑這3種因素對(duì)冷彎中空玻璃板長(zhǎng)邊邊緣處應(yīng)力分布的影響，每種因素取3個(gè)水平，按正交試驗(yàn)方法，共制作9個(gè)試件，試驗(yàn)方案見表1，表中t表示玻璃厚度，tc表示空腔厚度，r表示冷彎半徑。參考實(shí)際工程中玻璃幕墻的規(guī)格，每一塊中空玻璃的尺寸都采用 1 200 mm×600 mm；根據(jù)中空玻璃板的常用厚度，玻璃厚度t采用 4.6 mm、5.0 mm和 6.0 mm；空腔厚度tc按規(guī)范 JGJ 102—2003 采用9 mm、12 mm 和 15 mm；冷彎半徑r采用 12 m、18 m 和 24 m。

表1 試驗(yàn)方案

2.2 測(cè)點(diǎn)布置

為了研究冷彎后沿玻璃板長(zhǎng)邊邊緣處的應(yīng)力分布規(guī)律及大小，用分布式光纖對(duì)各冷彎中空玻璃板內(nèi)面（T-2、D-1面）的應(yīng)力進(jìn)行采集。分布式光纖的布置如圖2所示，由圖中可知1號(hào)和2號(hào)光纖分別布置于T-2、D-1面。光纖的空間分辨率取為5 cm，按每5 cm取一個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，并從固定端的A點(diǎn)往冷彎端的B點(diǎn)依次對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行編號(hào)，由于試件長(zhǎng)1 200 mm，所以每根光纖共有24個(gè)應(yīng)力測(cè)點(diǎn)。根據(jù)試件的邊界條件及加載方式，試件關(guān)于X軸對(duì)稱，故只在玻璃板的一條長(zhǎng)邊邊緣布置光纖，同時(shí)在四個(gè)角點(diǎn)和長(zhǎng)邊中點(diǎn)布置有電阻應(yīng)變片，如圖2所示，用于驗(yàn)證試件的對(duì)稱性以及與光纖所測(cè)的應(yīng)力值作對(duì)比分析。此外，采用百分表對(duì)玻璃冷彎過程中的位移進(jìn)行測(cè)量，在玻璃板的中部和兩端各布置3個(gè)位移測(cè)點(diǎn)，通過位移的監(jiān)測(cè)來控制冷彎位移的加載。

圖2 光纖及應(yīng)變片的布置（單位：mm）

2.3 試驗(yàn)方法

設(shè)計(jì)并制作一個(gè)專門的試驗(yàn)裝置，用于模擬玻璃幕墻的支承結(jié)構(gòu)和中空玻璃的冷彎位移加載，如圖3所示。該裝置主要由底座、鋼橫梁和曲邊支承梁組成，其中，曲邊支承梁采用印尼菠蘿格木材進(jìn)行制作，實(shí)物如圖4所示。當(dāng)玻璃被加載到與曲邊支承梁貼合時(shí)即可得到相應(yīng)的冷彎半徑。

圖3 冷彎試驗(yàn)裝置

圖4 曲邊支承梁（單位：mm）

在加載前先用夾具將試件的一端固定在冷彎試驗(yàn)裝置的鋼橫梁上，再放置鉛塊于試件的另一端，通過鉛塊的重力來實(shí)現(xiàn)玻璃板冷彎位移的加載。加載過程中采用分級(jí)加載的方式，每塊鉛塊的質(zhì)量為4.9 kg，每級(jí)荷載取2塊鉛塊對(duì)稱放置于玻璃板冷彎端，試件的冷彎狀況如圖5所示。試驗(yàn)過程中采用日本Neubrex公司生產(chǎn)的NBX-6050A光納儀對(duì)布置在試件內(nèi)面長(zhǎng)邊邊緣的光纖進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，光納儀如圖6所示，該光納儀在空間分辨率上可達(dá)到5 cm，應(yīng)變測(cè)量的精度可達(dá)到±7.5 με，采樣間隔為5 cm，應(yīng)變測(cè)量范圍為-30 000～40 000 με。由于中空玻璃板具有微小的滯彈性，所以在每級(jí)冷彎位移加載結(jié)束后，等待15 min再采集數(shù)據(jù)。

圖5 冷彎狀況

圖6 NBX-6050A光納儀

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)力分布

將玻璃板四個(gè)角點(diǎn)處應(yīng)變片所測(cè)沿長(zhǎng)邊方向的應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)布置有光纖的兩個(gè)角點(diǎn)與另外兩個(gè)角點(diǎn)的應(yīng)力偏差在8.33%之內(nèi)，表明在冷彎試驗(yàn)過程中中空玻璃板關(guān)于X軸具有良好的對(duì)稱性。根據(jù)分布式光纖采集到的數(shù)據(jù)可繪制冷彎中空玻璃板沿光纖長(zhǎng)度方向的應(yīng)力分布圖，如圖7所示，圖中應(yīng)力以拉為正，以壓為負(fù)。

圖7 玻璃板上光纖所測(cè)的應(yīng)力分布圖

由圖中可知，分布式光纖在測(cè)量冷彎中空玻璃板的應(yīng)力分布時(shí)出現(xiàn)了小幅波動(dòng)，這主要是受到儀器測(cè)試誤差的影響，總體上看，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)較為完善，測(cè)量效果也比較好，說明分布式光纖可以較準(zhǔn)確地測(cè)量冷彎中空玻璃板的應(yīng)力分布；最大應(yīng)力值出現(xiàn)在長(zhǎng)邊中點(diǎn)，并由中部向兩端逐漸減小，試件在彎曲狀態(tài)下的應(yīng)力表現(xiàn)出上拉下壓、中間大兩邊小的分布規(guī)律。

根據(jù)冷彎試驗(yàn)結(jié)果，最大試驗(yàn)應(yīng)力值如表2所示，從表中可以看出最大應(yīng)力值出現(xiàn)在冷彎半徑最小的試件3，而且冷彎半徑不同，應(yīng)力值相差很大，表明冷彎半徑對(duì)應(yīng)力的影響很顯著。

表2 最大應(yīng)力值

3.2 極差分析

按正交法設(shè)計(jì)的試驗(yàn)結(jié)果需進(jìn)行極差分析來確定各影響因素的重要程度。由于最大應(yīng)力值出現(xiàn)在T-2面的1號(hào)光纖，所以只分析各因素對(duì)T-2面長(zhǎng)邊邊緣處最大應(yīng)力的影響。極差R分析的結(jié)果見表3，表中（j=1,2,3）表示各因素在水平j(luò)上的平均值，由表中可知，冷彎半徑對(duì)應(yīng)的極差為15.24，空腔厚度與玻璃厚度的極差分別為0.86和0.46，后兩種因素的極差比冷彎半徑的小很多，因此，在所研究的因素中，冷彎半徑對(duì)冷彎應(yīng)力的影響最大。

表3 T-2面各因素的最大應(yīng)力極差

3.3 冷彎半徑的影響

根據(jù)正交試驗(yàn)結(jié)果，不同冷彎半徑下冷彎中空玻璃板長(zhǎng)邊最大應(yīng)力值變化情況見表4，由表中可知，當(dāng)冷彎半徑從 12 m 增加到 24 m 時(shí)，T-2、D-1面應(yīng)力分別減小50.40%、42.49%，說明隨著冷彎半徑增加，最大應(yīng)力會(huì)有明顯的下降。

表4 冷彎半徑對(duì)最大應(yīng)力的影響

3.4 空腔厚度的影響

試驗(yàn)結(jié)果中空腔厚度的變化與冷彎中空玻璃板長(zhǎng)邊最大應(yīng)力值的關(guān)系見表5，由表中可知，隨著空腔厚度的增加，最大應(yīng)力值也增加，當(dāng)空腔厚度從9 mm 增加到 15 mm 時(shí)，T-2、D-1 面應(yīng)力分別增加3.77%、5.00%。與冷彎半徑影響相比，空腔厚度對(duì)最大應(yīng)力影響較小，這主要是由于中空玻璃的剛度雖然隨著空腔厚度增大而有所增加，但是形成空腔的間隔材料是一種粘彈性材料，其剪切剛度較小，對(duì)玻璃板的應(yīng)力影響很小，因此其應(yīng)力增幅較小。

表5 空腔厚度對(duì)最大應(yīng)力的影響

3.5 玻璃厚度的影響

玻璃厚度的變化對(duì)冷彎中空玻璃板長(zhǎng)邊最大應(yīng)力值的影響見表6，由表中可知，隨著玻璃厚度的增加，最大應(yīng)力值也增加，當(dāng)玻璃厚度從4.6 mm增加到 6.0 mm時(shí)，T-2、D-1面最大應(yīng)力值分別增加1.99%、2.79%，說明玻璃厚度對(duì)最大應(yīng)力的影響很小。由于玻璃厚度增加，中空玻璃板的剛度也會(huì)隨著增加，但玻璃厚度的變化較小，因此玻璃板的應(yīng)力增幅也很小。

表6 玻璃厚度對(duì)最大應(yīng)力的影響

3.6 光纖與電阻應(yīng)變片的應(yīng)力對(duì)比分析

根據(jù)最大應(yīng)力所在位置，將位于長(zhǎng)邊中點(diǎn)的應(yīng)變片（與光纖關(guān)于X軸對(duì)稱）與光纖相應(yīng)測(cè)點(diǎn)所測(cè)的應(yīng)力值進(jìn)行對(duì)比分析，對(duì)比結(jié)果見表7，其中應(yīng)變片所測(cè)的應(yīng)力值對(duì)比的是光纖測(cè)點(diǎn)12與測(cè)點(diǎn)13之間的應(yīng)力均值。由表中可知光纖與應(yīng)變片所測(cè)應(yīng)力的相對(duì)誤差在8.86%之內(nèi)，經(jīng)計(jì)算可得兩種測(cè)量方法的相對(duì)誤差平均值為4.74%，誤差較小，而且分布式光纖所測(cè)的應(yīng)力均比應(yīng)變片所測(cè)的大，出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是因?yàn)榉植际焦饫w離玻璃板的邊緣更近，邊緣的應(yīng)力更大，故光纖所測(cè)的應(yīng)力值更大。以上說明分布式光纖的測(cè)量精度可以較好地滿足試驗(yàn)要求，因此，采用分布式光纖測(cè)量冷彎中空玻璃板的應(yīng)力分布是可行的。

表7 光纖與應(yīng)變片的最大應(yīng)力值對(duì)比

結(jié)合分布式光纖的特點(diǎn)及試驗(yàn)結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在測(cè)量冷彎應(yīng)力時(shí)，分布式光纖測(cè)量法比傳統(tǒng)電阻應(yīng)變法更為方便與實(shí)用，同時(shí)可以較好地分析中空玻璃板在冷彎時(shí)沿光纖長(zhǎng)度方向的應(yīng)力分布規(guī)律，并取得更完善的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語(yǔ)

1）分布式光纖測(cè)量中空玻璃板的冷彎應(yīng)力分布時(shí)有微小的波動(dòng)，但是總體上能夠比較準(zhǔn)確地反映冷彎應(yīng)力的分布情況。

2）冷彎半徑對(duì)冷彎應(yīng)力的影響遠(yuǎn)大于空腔厚度和玻璃厚度，后兩者的變化較小，對(duì)冷彎應(yīng)力的影響很小。

3）分布式光纖與電阻應(yīng)變片在應(yīng)力測(cè)量上的相對(duì)誤差平均值為4.74%，光纖的應(yīng)力測(cè)量精度能較好地滿足試驗(yàn)要求。

4）利用分布式光纖的特點(diǎn)測(cè)量冷彎應(yīng)力比傳統(tǒng)電阻應(yīng)變方法更為方便與實(shí)用，可以較好地分析中空玻璃板在冷彎時(shí)沿光纖長(zhǎng)度方向的應(yīng)力分布規(guī)律，能取得更完善的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。