幕墻玻璃肋連接孔承載力試驗(yàn)與仿真研究

雷科陽(yáng)，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(jiǎn)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(lái)越高，肋支撐的全玻幕墻尺寸也越來(lái)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(jì)時(shí)需要重點(diǎn)關(guān)注。對(duì)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(duì)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(duì)穩(wěn)定性影響更大。因制作設(shè)備限制和降低造價(jià)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(huì)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(lái)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(lái)克服尼龍?zhí)篆h(huán)與橡膠承壓能力低、易老化的缺點(diǎn)[17-18]。對(duì)于拼接玻璃肋而言，連接孔的承載能力對(duì)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(duì)工程實(shí)際應(yīng)用有重要意義。

本文通過試驗(yàn)來(lái)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(gè)連接孔的有限元分析模型，與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比來(lái)分析比較兩種構(gòu)造的承載能力。

1 實(shí) 驗(yàn)

1.1 試件基本信息

實(shí)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(huì)有疊差的產(chǎn)生，疊差的存在會(huì)使玻璃孔處各片玻璃不能均勻受力[19-20]。為消除疊差對(duì)試驗(yàn)的影響，本次試驗(yàn)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(wàn)能試驗(yàn)機(jī)工作臺(tái)上，其中鋁套環(huán)的型材牌號(hào)為6063-T6,不銹鋼螺栓強(qiáng)度等級(jí)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(yàn)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(wàn)能試驗(yàn)機(jī)工作臺(tái)上，如圖3所示，通過萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)施加荷載P,模擬玻璃肋工作中的受荷狀態(tài)，萬(wàn)能試驗(yàn)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(yàn)裝置照片F(xiàn)ig.3 Picture of test device

1.3 試驗(yàn)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(jì)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(yàn)得到的材料強(qiáng)度f(wàn)spe，一般不等同于結(jié)構(gòu)中實(shí)際的材料強(qiáng)度f(wàn)str，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(guó)際上一般取0.05分位值，本試驗(yàn)也采用這個(gè)分位值確定材料強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)。此時(shí)，當(dāng)材料強(qiáng)度正態(tài)分布時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)值為：

fk=μf-1.645σf

(1)

(2)

根據(jù)試驗(yàn)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。《玻璃幕墻工程技術(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(xiàng)系數(shù)取1.4得出玻璃材料的分項(xiàng)系數(shù)K=1.785，得到構(gòu)造1破壞荷載的設(shè)計(jì)值P1E=34.16 kN，構(gòu)造2破壞荷載的設(shè)計(jì)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(diǎn)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(dòng)，平面內(nèi)釋放施加荷載P方向的平動(dòng)，采用Cylindrical Support模擬螺栓對(duì)鋁環(huán)的支撐。因?yàn)榻佑|間隙對(duì)實(shí)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(duì)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(dòng)化網(wǎng)格劃分與自動(dòng)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(gè)節(jié)點(diǎn)，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(gè)單元、283 839個(gè)節(jié)點(diǎn)，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(yàn)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(yàn)結(jié)果分析

計(jì)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(shí)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(shí)破壞荷載為40.779 kN，圖6為兩種構(gòu)造玻璃破壞時(shí)等效應(yīng)變?cè)茍D。

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(shí)接觸受力情況相符。鋼化玻璃側(cè)面強(qiáng)度設(shè)計(jì)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(shí)，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(yàn)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(jì)值的參考,從試驗(yàn)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(duì)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(shí)，破壞荷載值統(tǒng)計(jì)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(diǎn)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(diǎn)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(huì)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(shí)，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(huì)直接破碎成小塊，制作夾膠玻璃試件進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)觀察玻璃破壞時(shí)的裂紋情況，當(dāng)玻璃試件破壞時(shí)，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(huì)在表面產(chǎn)生微小的裂紋，每平方毫米面積會(huì)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(huì)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(shí)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(lái)分析應(yīng)力與變形。斷裂力學(xué)的試驗(yàn)表明當(dāng)玻璃的應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到某一臨界值時(shí)，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(huì)產(chǎn)生裂紋，玻璃可能會(huì)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(zhǎng)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(yàn)過程中玻璃孔處和玻璃試件表面都可能會(huì)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(huì)在外力作用下擴(kuò)展，此時(shí)裂紋會(huì)從玻璃孔處擴(kuò)散至整個(gè)玻璃試件。若裂紋起源于玻璃試件表面，此時(shí)裂紋會(huì)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(shí)，必須在玻璃鋼化前完成加工操作，對(duì)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(yàn)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(shí)承載力變化不大，在實(shí)際工程應(yīng)用中注膠構(gòu)造連接孔直徑為φ54～56 mm時(shí)最適用。

(3)玻璃肋在生產(chǎn)加工過程中，必須對(duì)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。