屏蔽門玻璃的選用及有限元分析

姜 翼，蘇會(huì)強(qiáng)，應(yīng)寅瓊

（寧波南車時(shí)代傳感技術(shù)有限公司，浙江 寧波 315021）

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，大中城市的交通運(yùn)輸，也面臨嚴(yán)重的壓力。為了緩解這種壓力，速度快和運(yùn)輸量大的地鐵及輕軌交通工具，普遍受到歡迎。軌道交通不僅可以緩解日益嚴(yán)重的交通堵塞，還能有效地解決人員出行問題，降低城市交通運(yùn)行成本。伴隨著軌道交通的發(fā)展，軌道交通候車站臺(tái)的安全隱患和能源消耗等問題，也逐漸被凸顯出來，因此地鐵屏蔽門（Platform Screen Door簡(jiǎn)稱PSD）系統(tǒng)技術(shù)，也逐漸得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。

地鐵屏蔽門系統(tǒng)，不僅可以降噪節(jié)能，而且還能有效避免安全事故的發(fā)生，因此已被越來越多地用于地鐵車站中。為了增加屏蔽門系統(tǒng)與地鐵站臺(tái)裝修設(shè)計(jì)的美觀性，屏蔽門系統(tǒng)一般都采用鋼化玻璃，以達(dá)到通透性要求。但隨著鋼化玻璃的廣泛應(yīng)用，屏蔽門玻璃突然爆裂的現(xiàn)象，也時(shí)有發(fā)生，所以門體玻璃材質(zhì)的選用及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，也逐漸得到了重視。

1 鋼化玻璃性能及爆裂現(xiàn)象分析

玻璃是一種透明脆性均質(zhì)材料，是一種凝固的液體，是處理采光的最佳建筑材料。鋼化玻璃通常是將普通玻璃和浮法玻璃加熱至軟化點(diǎn)，然后用常溫空氣均勻地噴涂驟冷而成。采用這一處理辦法，能使表面形成壓縮應(yīng)力，其能消除破壞玻璃的拉應(yīng)力，比同厚的浮法玻璃強(qiáng)度高3～5倍。即使萬一破損，也會(huì)變成顆粒狀，具有很高的安全性。

玻璃在鋼化后，不能再切割，所以玻璃板材必須按設(shè)計(jì)尺寸下料后，再進(jìn)行熱處理，而且切角、打孔等加工，都必須在鋼化前進(jìn)行。鋼化玻璃存在很高的自應(yīng)力，所以一旦局部受損，便會(huì)整塊粉碎，所以搬運(yùn)，貯存都應(yīng)特別小心。

綜合考慮鋼化玻璃爆裂的原因，主要有：設(shè)計(jì)缺陷造成玻璃受力狀況不合理；設(shè)計(jì)選材、選型不能達(dá)到強(qiáng)度要求；安裝施工不規(guī)范，使玻璃局部受力超過承載極限；玻璃中夾雜的硫化鎳（NiS）雜質(zhì)相變所造成的破碎，即鋼化玻璃的自爆等。

在生產(chǎn)玻璃的原料中，通常含有微量的Ni和S，當(dāng)玻璃加工受熱時(shí)，這些Ni和S原子發(fā)生反應(yīng)形成微小的NiS晶體。這些晶體通常以兩種方式存在：高溫下穩(wěn)定的密度較大的α相晶體和室溫下穩(wěn)定的密度小一些的β相晶體。

浮法玻璃中NiS晶體基本上以β相晶體存在，而在加工鋼化玻璃時(shí)的高溫強(qiáng)化過程，會(huì)把所有的NiS晶體都轉(zhuǎn)化成高密度的α相晶體，但后續(xù)低溫冷卻過程迅速，以致NiS晶體沒有充足的時(shí)間重新轉(zhuǎn)化成β相晶體。NiS晶體由高溫狀態(tài)的α相轉(zhuǎn)化成低溫狀態(tài)β相時(shí)，體積膨脹2%～4%，如果α相晶體位于鋼化玻璃張應(yīng)力區(qū)內(nèi)，則體積膨脹就會(huì)引起玻璃破碎，即產(chǎn)生自爆現(xiàn)象。

2 屏蔽門玻璃的安全選用

據(jù)相關(guān)報(bào)道，2011年上海軌道交通屏蔽門相繼發(fā)生鋼化玻璃突然爆裂事件。為了避免此類事件的發(fā)生，屏蔽門玻璃宜采用安全玻璃。根據(jù)國(guó)標(biāo)《建筑用安全玻璃》規(guī)定，所謂的安全玻璃是指鋼化玻璃、夾層玻璃，或者由這兩種玻璃組合的中空玻璃。

屏蔽門系統(tǒng)作為地鐵站臺(tái)建筑裝修的重要組成部分，不僅要滿足整體裝修風(fēng)格的統(tǒng)一協(xié)調(diào)，還要保證使用的安全性。因此屏蔽門通常用大面積玻璃，來營(yíng)造明亮的室內(nèi)光環(huán)境，并達(dá)到建筑空間交融的效果。

屏蔽門玻璃的安全選用，應(yīng)符合國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》和《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》規(guī)定，考慮到地鐵站臺(tái)屬于人流集中的公共場(chǎng)所，屏蔽門玻璃還有抗風(fēng)壓和防人體沖擊要求，所以屏蔽門玻璃選用應(yīng)以鋼化玻璃為主。

鋼化玻璃在使用過程中，有一種不可避免的特性就是自爆。據(jù)統(tǒng)計(jì)，自爆發(fā)生的概率是靜態(tài)自爆率約2‰～3‰，安裝施工后使用過程中自爆率約3‰～5‰左右。

目前，國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)廠家對(duì)鋼化玻璃自爆問題，還無有效解決辦法，被業(yè)界視為“建筑用幕墻玻璃的癌癥”。

為了降低玻璃自爆對(duì)乘客的損傷，可以選用經(jīng)過均質(zhì)處理的鋼化玻璃。將鋼化玻璃再次加熱到290℃左右，并保溫一定時(shí)間，使NiS晶體在玻璃出廠前完成晶相轉(zhuǎn)變，讓可能發(fā)生自爆的玻璃，在工廠內(nèi)提前破碎。這種鋼化后再次處理的方法，通常稱作“均質(zhì)處理”。經(jīng)過正規(guī)均質(zhì)處理后的鋼化玻璃，其自爆概率比未作二次處理的下降50%以上。

屏蔽門玻璃在實(shí)際運(yùn)用中，受不同地區(qū)、不同環(huán)境的影響，所承受的風(fēng)壓并不完全相同。因此，屏蔽門玻璃也可選用更為安全的夾層玻璃。目前，新加坡地鐵半高安全門使用就是夾層玻璃。夾層玻璃是在兩層或兩層以上薄片玻璃之間，用有彈性的有機(jī)塑料粘合劑粘合而成。由于玻璃與塑料組合在一起，當(dāng)沖擊破裂時(shí)，夾層玻璃能最好地保持其完整性，即破裂后不易四散分開，僅在表面出現(xiàn)裂紋而不脫落，如圖1。

圖1 夾層玻璃

夾層玻璃中間層為聚乙烯醇縮丁醛膜（PVB膜），其厚度尺寸一般為0.375 mm、0.75 mm、1.5 mm等。將玻璃與PVB膜經(jīng)高壓窯等設(shè)備的加壓加熱工序組合而成后，形成夾層玻璃。其最大的特點(diǎn)為安全性，當(dāng)遭受外力破壞后，只產(chǎn)生裂痕，但不會(huì)碎落，還具有良好的隔聲和防紫外線的功能。PVB能吸收沖擊能量，用不同厚度的PVB和玻璃片數(shù)，可制成防彈玻璃。

為了確保城市公共安全，我們應(yīng)綜合經(jīng)濟(jì)、技術(shù)和應(yīng)用各方面因素，正確選用屏蔽門玻璃。當(dāng)然設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)根據(jù)規(guī)范及工程實(shí)際的受力情況，選擇最佳的玻璃形式，使整個(gè)玻璃結(jié)構(gòu)處于合理受力狀態(tài)，以避免額外應(yīng)力，增加結(jié)構(gòu)使用的安全性。

3 屏蔽門玻璃的有限元分析

屏蔽門玻璃在實(shí)際使用中，會(huì)受到復(fù)雜的載荷影響?？梢岳肁NSYS的程序語言APDL，建立鋼化玻璃結(jié)構(gòu)的參數(shù)化模型，通過參數(shù)化方式分析鋼化玻璃在載荷作用下的力學(xué)性能，保證屏蔽門鋼化玻璃的強(qiáng)度滿足使用要求。

在屏蔽門玻璃有限元模型中，采用三維20節(jié)點(diǎn)實(shí)體結(jié)構(gòu)單元solid95，利用掃略法將模型劃分為六面體網(wǎng)格，如圖2。

圖2 鋼化玻璃有限元模型

圖3 為鋼化玻璃的結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力分布情況，載荷工況為：風(fēng)壓1 000 N/m2；擠壓載荷1 500 N/m2；沖擊載荷2 800 N，時(shí)間0.08 s；水平加速度0.2 g；垂直加速度0.1 g。

由圖3a)可知，該工況下鋼化玻璃最大變形為4.3 mm，位于玻璃中心。由圖3 b)可知，鋼化玻璃的剪切拉應(yīng)力與剪切壓應(yīng)力相等，呈對(duì)稱分布。

圖3 鋼化玻璃的結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力分布情況

在國(guó)標(biāo)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》6.1.1中規(guī)定，“框支承玻璃幕墻單片玻璃的厚度不應(yīng)小于6 mm”?？紤]加載上述工況下，鋼化玻璃的最大應(yīng)力隨玻璃厚度的變化曲線，如圖4。

圖4 鋼化玻璃的最大應(yīng)力隨厚度的變化曲線

當(dāng)厚度由4 mm增加到14 mm時(shí)，鋼化玻璃的最大應(yīng)力開始時(shí)急劇下降，然后緩慢變化。這說明薄的鋼化玻璃的承載能力較差，但是當(dāng)玻璃的厚度達(dá)到一定程度后，隨厚度的增加，玻璃的承載能力提高很小。

所以在選擇或者設(shè)計(jì)玻璃時(shí)，應(yīng)注意：玻璃的厚度不能太薄，而且也不需要太厚，在該工況條件下，玻璃的最佳厚度應(yīng)在8～10 mm之間，因?yàn)樵摵穸鹊匿摶Ａ?，即可以有效地降低?yīng)力，又可以防止超重等，避免不必要的材料消耗。所以通過ANSYS軟件的理論分析，也進(jìn)一步證明了屏蔽門玻璃厚度選擇為8～10 mm的經(jīng)濟(jì)可行性。

4 結(jié)束語

隨著國(guó)內(nèi)各大城市地鐵的建設(shè)，為了保證乘客的出行安全，地鐵屏蔽門玻璃的選用和強(qiáng)度必須滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

鋼化玻璃的自爆現(xiàn)象，是由鋼化玻璃本身的材質(zhì)特性和生產(chǎn)加工方式所決定的一種特性。目前解決鋼化玻璃自爆的較有效辦法，是進(jìn)行科學(xué)有效的均質(zhì)處理，降低鋼化玻璃的自爆概率。重要場(chǎng)所使用鋼化玻璃，必須進(jìn)行技術(shù)可靠的均質(zhì)處理，在經(jīng)濟(jì)條件允許的情況下，可考慮增貼防飛濺安全膜。

鋼化玻璃的應(yīng)力，隨玻璃厚度的變化比較明顯。薄的鋼化玻璃的承載能力較差，但是當(dāng)玻璃的厚度達(dá)到一定程度后，玻璃的承載能力提高很小。綜合考慮相關(guān)因素，玻璃的最佳厚度應(yīng)在8～10 mm之間。

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