點(diǎn)支承幕墻玻璃破裂故障分析

1、點(diǎn)支承幕墻玻璃破裂故障分析發(fā)布時(shí)間：2010-02-25【作 者】：龍文志【摘 要】：本文從點(diǎn)支承幕墻玻璃破裂故瘴出發(fā)，系統(tǒng)闡述了點(diǎn)支承幕墻玻璃破裂故障多于其它玻璃幕墻的原因，提出了點(diǎn)支承玻璃幕墻設(shè)計(jì)時(shí)，除對(duì)玻璃面板的大面應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析外，同時(shí)也應(yīng)該對(duì)玻璃孔邊應(yīng)力進(jìn)行設(shè)計(jì)分析；為了降低玻璃孔邊應(yīng)力，減少點(diǎn)式玻璃幕墻破裂故障，確保點(diǎn)式玻璃幕墻破結(jié)構(gòu)的安全，本文提出了八點(diǎn)參考建議及措施。【關(guān)鍵字】：孔邊應(yīng)力、側(cè)面強(qiáng)度、玻璃斷裂力學(xué)、適應(yīng)變形、鉆孔工藝、H形接駁爪、意外破碎。     1.點(diǎn)支承玻璃破裂故障多與其他玻璃幕墻1.1點(diǎn)支承玻璃故障頻頻不

2、斷 下面是一些故障照片：    1.2點(diǎn)式幕墻玻璃破裂大多是從玻璃接駁爪孔引發(fā)：     1.3點(diǎn)支承玻璃破裂故障多于其它玻璃幕墻的原因：1.3.1忽略了孔邊局部應(yīng)力的分析。目前點(diǎn)式幕墻的玻璃面板按照玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范JGJ102一2003僅對(duì)玻璃進(jìn)行大面強(qiáng)度計(jì)算，忽略了孔邊局部應(yīng)力的分析。1.3.2忽略玻璃易碎性和對(duì)輕微缺陷的敏感性。1.3.3孔邊局部應(yīng)力與孔徑、孔邊距、孔邊支承條件、孔加工及安裝工藝、金屬連接件及其支承體的連接狀況等有關(guān)因素考慮不夠。2.玻璃孔邊的荷載計(jì)算以及孔邊應(yīng)力分析2.1在極限荷載情況下，索析架上

3、可能產(chǎn)生最大4anim的撓曲，這種變形造成玻璃與其支撐點(diǎn)之間的角度變化。若玻璃阻止變形，則孔周圍的玻璃就要承受彎曲荷載。實(shí)際上孔是懸吊玻璃結(jié)構(gòu)的最敏感的部位，因它是玻璃及其懸吊連接體系匯合的地方，所有荷載還有玻璃自重及外部荷載(風(fēng)載、沖擊等)都集中在孔周圍的區(qū)域。從圖1z的孔邊局部應(yīng)力的分析示意圖可看出，點(diǎn)支承玻璃孔邊局部應(yīng)力大于面板應(yīng)力?，F(xiàn)以圖13所示玻璃模型為例，利用確限元軟件ansys，對(duì)其大面應(yīng)力及局部應(yīng)力進(jìn)行分析計(jì)算。     2.2玻璃模型的建立    以圖13所示玻璃模型：玻璃選用12+2 28PVB+12mm

4、夾膠鋼化玻璃，分格尺寸為：2250X3000mm。    2.3玻璃大面應(yīng)力分析    以圖13所示玻璃為例，垂直面板的均布荷載為：W19484（Kn/mm2），通過有限元軟件ansys計(jì)算可知，玻璃面板的最大應(yīng)力Amax45.9N/mm2，如圖10-17所示（施加荷載及選用單元等忽略）。    根據(jù)規(guī)范JGJ102一7003，12mm鋼化玻璃的大面強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為f=84(N/mm2，由此可知,在本列中玻璃的強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。     2.4作用在玻璃的各種荷載轉(zhuǎn)換為

5、玻璃孔邊集中力的情況 作用在玻璃上的各種荷載有可能轉(zhuǎn)換為玻璃孔邊的集中力，其主要包括以下三種情況(H向?yàn)榇怪庇诓Ａ姘宸较?，V向?yàn)槠叫杏诓Ａ姘宸较?:a玻璃的自重荷載轉(zhuǎn)換為玻璃孔邊的V方向集中力。b作用在玻璃的風(fēng)荷載轉(zhuǎn)換為玻璃孔邊的H方向集中力。c)幕墻玻璃平面外地震作用轉(zhuǎn)換為玻璃孔邊的I-I方向集中力。假定作用在同一塊玻璃上各支承點(diǎn)的荷載均相同，則作用在玻璃上的各種荷載和作用轉(zhuǎn)換成玻璃孔邊的集中力的計(jì)算公式如21              

6、P（qxA）/n             (2-1)    其中P作用在玻璃孔邊的集中荷載或作用（N），分a),b),c)三種情況；    Q作用在玻璃上的面荷載或作用作用（N/mm2），分a),b),c)三種情況；    A：一塊玻璃面積（mm2）    N：一塊玻璃上所用不銹鋼爪的個(gè)數(shù)。2.5玻璃孔邊集中力轉(zhuǎn)換為玻璃孔邊作用面的面荷載作用在玻璃上的各種荷

7、載有可能轉(zhuǎn)換為玻璃孔邊的集中力，而玻璃孔邊集中力又會(huì)轉(zhuǎn)換為作用面的面荷載，其計(jì)算公式如22:               W=P/A                   （2-2）    式中P作用在玻璃孔邊的集中力（N）。  &

8、#160;     W-作用在玻璃孔邊作用面的面荷載（N/mm2）        A外片玻璃孔邊荷載作用面的投影面積（mm2）。2.6玻璃孔邊應(yīng)力分析利用有限元軟件&I15Y5對(duì)沉頭點(diǎn)支承玻璃孔邊應(yīng)力進(jìn)行計(jì)算分析，其開孔處的荷載由外片玻璃承受。第一步，選取玻璃長邊的1/4進(jìn)行計(jì)算分析。選取部分的邊界條件為四邊支撐，玻璃沉孔的尺寸如圖16所示，選取角部玻璃及玻璃開孔尺寸如圖17所示。     第二步.利用ansys軟件建立實(shí)體單元模型.如圖

9、18所示。     第三步，分別計(jì)算圖19所示各方向的集中力。      2.7本列中玻璃孔邊側(cè)面不滿足設(shè)計(jì)要求     3.降低點(diǎn)式玻璃幕墻破裂故障的措施分析3.1鉸接裝置位于玻璃平面中心，駁接頭要適應(yīng)玻璃變形如果鉸接裝置安裝在玻璃平面外部，則彎曲荷載或扭曲荷載會(huì)施加在玻璃上。鉸接裝置位于玻璃平面中心:保證玻璃不承受彎曲或扭曲荷載。下圖中的右圖表示鉸接裝置兩種可能位置即在玻璃平面外和在玻璃平面內(nèi)的比較。    3.

10、2駁接頭安裝傾角要正確。某點(diǎn)式玻璃駁接頭安裝傾角過大，致使玻璃破裂。圖24擠壓破裂:實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示駁接頭連接有約束、孔邊有附加彎矩和駁接頭連接有約束，孔邊有附加彎矩相比，孔邊應(yīng)力可增大2.25倍。以上案例表明盡管點(diǎn)式玻璃安裝了鉸接駁接頭，但駁接頭安裝傾角過大，連接有約束，不能適應(yīng)玻璃變形，致使孔邊應(yīng)力增大致使玻璃破裂。3.3駁接頭為適應(yīng)玻璃變形，要有適度偏轉(zhuǎn)角3.3.1點(diǎn)式幕墻玻璃受荷載變形示意圖27所示玻璃的變形可以近似為弧形。根據(jù)幾何關(guān)系即駁接頭為適應(yīng)玻璃變形，要有適度偏轉(zhuǎn)角。3.3.2駁接頭為適應(yīng)玻璃變形偏轉(zhuǎn)角估算:點(diǎn)支承玻璃面板的撓度限值宜按其支承點(diǎn)長邊邊長的1/60采用.如圖所示玻璃的

11、變形可以近似為弧形。根據(jù)幾何關(guān)系估算:駁接頭為適應(yīng)玻璃變形偏轉(zhuǎn)角:圖28根據(jù)以上分析駁接頭為適應(yīng)玻璃變形，要有出3. 78度的偏轉(zhuǎn)角，才能滿足玻璃變形的要求甲再加上現(xiàn)場(chǎng)施工時(shí)駁接爪根部底座有一定方向的角度偏差，因此在選擇平面幕墻用駁接頭.駁接頭應(yīng)滿足士5度的偏轉(zhuǎn)角。3.3.3非平面點(diǎn)式玻璃幕墻駁接頭的偏轉(zhuǎn)角。當(dāng)幕墻或采光頂相鄰玻璃不在同一平面時(shí)甲即折線形、弧形、球形、圓錐形幕墻或采光頂，在選擇駁接頭時(shí)，除駁接頭滿足玻璃變形的需要外，還要滿足玻璃間夾角的要求如圖29所示。駁接頭的偏轉(zhuǎn)角應(yīng)滿足士(十5)度要求，實(shí)現(xiàn)對(duì)玻璃夾角的補(bǔ)償。鋼爪要具備吸收幕墻平面變形的能力。3.4鋼爪與玻璃之間墊片要采用鋁

12、墊片。3.4. 1鋼永遠(yuǎn)也不能與玻璃直接接觸，因?yàn)樗闹С斜砻嫣擦?，所以通常要在鋼螺栓和玻璃孔之間加一個(gè)熱塑性襯墊。然而熱塑性材料可產(chǎn)生蠕變從而可能導(dǎo)致鋼與玻璃的接觸，因鋁是一種較軟的金屬，所以一般用鋁來代替，這是Boussois與PPG(美國、Pittsburgh)玻璃研究部門合作研究的成果。金屬蠕變比塑料小，而鋁的柔性足以接納玻璃和因鉆孔帶來的缺陷。鋁的強(qiáng)度足以防止任何長期變形。襯點(diǎn)墊最后鍍一層Tefion鍍層以防止不銹鋼螺栓與鋁襯墊之間的雙金屬腐蝕絕緣鋁襯套退火等級(jí)1050用來防I卜玻璃和螺栓接觸。安裝時(shí)使用1mm的硅酮壓條以保證該裝置的水密性。   3.

13、5提高點(diǎn)式玻璃鉆孔質(zhì)量。 3. 5. 1玻璃孔周圍剝裂致使玻璃破裂。圖323.5.2提高點(diǎn)式玻璃玻璃鉆孔質(zhì)量的工藝措施:1)為了防止在與鉆孔相對(duì)的一邊發(fā)生剝裂，必須從玻璃兩邊同時(shí)鉆孔。2)兩邊同時(shí)鉆孔的鉆頭要共軸。如鉆頭不是完全共軸的，則玻璃孔會(huì)有一個(gè)孔肩。這樣的孔肩會(huì)產(chǎn)生比光滑孔高的應(yīng)力集中。在光滑孔處，荷載是均勻分布的。     3)鉆孔處的剝裂可能是鉆頭發(fā)鈍、孔中異物、玻璃缺陷或鉆頭潤滑不足引起的鉆孔缺陷造成的，有剝裂的玻璃孔會(huì)導(dǎo)致應(yīng)力分布不均。此外，剝裂產(chǎn)生裂縫狀缺陷，加上玻璃固有的易碎性，裂縫會(huì)在荷載下瞬間擴(kuò)展。然而，在完整的圓柱形玻

14、璃孔周圍避免產(chǎn)生剝裂也是非常困難的。4)鉆孔建議采用牛奶做潤滑劑。  3.6采用中央懸掛及彈簧吊架3.6. 1玻璃以豎直排列方式一列列懸吊，每列四塊，每塊玻璃懸吊在上一塊玻璃上每塊玻璃通過其角部連接件連接，然后每列上部的玻璃在其頂部邊緣中心懸掛在主構(gòu)架上。有了這種中央懸掛點(diǎn)，玻璃就能夠找到其自身平衡并且能夠完全豎直懸掛，與支撐鋼管的準(zhǔn)直度無關(guān)。此外，這種單個(gè)的中央懸吊點(diǎn)保障無位移，即使橫向荷載也不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響。如果由4片玻璃組成的各個(gè)玻璃列是通過兩個(gè)剛性懸吊點(diǎn)固定的，系統(tǒng)就會(huì)抵抗橫向荷載，設(shè)計(jì)時(shí)，就要將系統(tǒng)設(shè)計(jì)成承受這些荷載也承受玻璃重量。然后每片玻璃通過兩孔連接懸掛在緊鄰的上一

15、片玻璃上，固定了兩片玻璃水平邊緣之間的距離從而使膠縫寬度均勻。為了確保連接件不吸引橫向荷載，它們都采用鉸接，因此可以側(cè)向轉(zhuǎn)動(dòng)。每一間隔由4列玻璃組成。每列四塊玻璃，獨(dú)立于其它列而懸掛。所有的水平連接都是鉸鏈連接，這樣就防止了所有可能的豎直荷載的傳遞從一列傳至鄰近的一列，或者傳遞到玻璃后面主結(jié)構(gòu)內(nèi)。各玻璃列可以相對(duì)與彼此而滑動(dòng)的事實(shí)意味著頂部鋼管可以下陷，而不影響涉及玻璃結(jié)構(gòu)荷載。3.6.2改進(jìn)玻璃懸吊系統(tǒng)玻璃懸吊系統(tǒng)包括四種不同的支承系統(tǒng):一方面是彈簧支承裝配組件，另一方面是分別用玻璃板角部一個(gè)、兩個(gè)或四個(gè)連接裝置。玻璃面板破碎后，玻璃自重受力變化如圖34所示:如果懸掛彈簧無緩沖效應(yīng)，則相連懸

16、掛點(diǎn)要突然承受很大荷載，如圖所示隨著玻璃板的破碎，同時(shí)重新分布荷載，玻璃的破碎導(dǎo)致了超強(qiáng)的暫時(shí)荷載，對(duì)結(jié)構(gòu)造成消極影響，也很難預(yù)知此種沖擊帶來的影響，故而在玻璃懸吊點(diǎn)處采用了預(yù)應(yīng)力緩沖彈簧，玻璃面板破碎后，相連懸掛點(diǎn)增加的荷載會(huì)平均分擔(dān)在其見懸掛點(diǎn)，見圖35對(duì)體系產(chǎn)生較小影響。    彈簧支承裝配組件該組件的形狀是其功能的產(chǎn)物，其功能是將玻璃荷載經(jīng)過彈簧“保險(xiǎn)絲”轉(zhuǎn)移到支承結(jié)構(gòu)上。3.6.3彈簧作用原理    以圖34為例說明：若每一豎跨玻璃與配件的重量為600公斤，彈簧組件由兩個(gè)壓在兩塊地連接板之間的螺旋彈簧（考慮到尺寸，單個(gè)彈簧占

17、用的空間小，需兩個(gè)彈簧）。如圖36所示。彈簧必須經(jīng)過精確的計(jì)算以確保在給定的荷載下獲得特定的長度。在正常情況下，彈簧組件在小于等于600公斤荷載下必須保持固定，但施加了超過600公斤臨界荷載的荷載時(shí)，彈簧組件必須下垂。將彈簧從自由長度150m壓縮到所而需要的100mm，則彈簧組件預(yù)應(yīng)力為600公斤荷載。該預(yù)應(yīng)力由將彈簧組件的兩塊端板（頂部和底部）夾在一起的螺紋桿支承。每人支承夾具中加上一個(gè)預(yù)應(yīng)力彈簧結(jié)構(gòu)，以確保彈簧機(jī)構(gòu)在承受大于玻璃與配件重量的荷載之前保持鋼性，通常情況下，玻璃與配件的重量約為600公斤。任何一個(gè)彈簧只要受到超過600公斤的荷載，它就會(huì)垂直到其余的支承點(diǎn)支承起該荷載。這種“保險(xiǎn)

18、絲”式的作用是有必要的，它使人們能夠預(yù)知可以施加到玻璃和每個(gè)主結(jié)構(gòu)框架支撐點(diǎn)上的荷載。在玻璃破碎并因此引起荷載路徑的瞬時(shí)變化時(shí)，彈簧對(duì)整個(gè)玻璃系統(tǒng)也起到一個(gè)減震器的作用。3.7采用H形接駁爪。四孔玻璃面板點(diǎn)支幕墻目前大量使用是x形接駁爪，圖37其約束示意圖，構(gòu)造簡單，應(yīng)用廣泛。x形接駁爪各肢為剛接，約束了玻璃面板平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，玻璃面板只能繞球鉸在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖37所示意，雖然對(duì)玻璃面板變形有一定適應(yīng)能力，但沒有H形接駁爪好。H形接駁爪構(gòu)造復(fù)雜，國內(nèi)用得很少，見圖38，其約束示意簡化如圖:玻璃面板不僅可以在平面內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，還可以在平面外相對(duì)運(yùn)動(dòng)，如圖39、三種基本運(yùn)動(dòng)或的各種組合運(yùn)動(dòng)，對(duì)主體結(jié)構(gòu)和玻璃面板的變形適應(yīng)能力強(qiáng)。 3.8提防玻璃意外破碎的連鎖反應(yīng)情況下的安全性不能忽略玻璃的易碎性。一塊玻璃的破碎會(huì)立即引起玻璃懸吊系統(tǒng)荷載路徑的變化。如果玻璃面板上部破碎，其余各片玻璃就不再收到支撐，它們將通過四孔連接的水平鑄件及及借用硅酮接縫中產(chǎn)生剪切應(yīng)力把它們的荷載傳遞到鄰近的玻璃板，施加在其它三列玻璃懸吊點(diǎn)的荷載也會(huì)增加。圖40兩片玻璃意外破碎的照片，圖