點支承幕墻玻璃破裂故障分析.doc

此文檔收集于網(wǎng)絡，如有侵權，請聯(lián)系網(wǎng)站刪除點支承幕墻玻璃破裂故障分析發(fā)布時間：2010-02-25【作 者】：龍文志【摘 要】：本文從點支承幕墻玻璃破裂故瘴出發(fā)，系統(tǒng)闡述了點支承幕墻玻璃破裂故障多于其它玻璃幕墻的原因，提出了點支承玻璃幕墻設計時，除對玻璃面板的大面應力進行計算分析外，同時也應該對玻璃孔邊應力進行設計分析；為了降低玻璃孔邊應力，減少點式玻璃幕墻破裂故障，確保點式玻璃幕墻破結構的安全，本文提出了八點參考建議及措施。【關鍵字】：孔邊應力、側面強度、玻璃斷裂力學、適應變形、鉆孔工藝、H形接駁爪、意外破碎。1.點支承玻璃破裂故障多與其他玻璃幕墻1.1點支承玻璃故障頻頻不斷 下面是一些故障照片： 1.2點式幕墻玻璃破裂大多是從玻璃接駁爪孔引發(fā)： 1.3點支承玻璃破裂故障多于其它玻璃幕墻的原因：1.3.1忽略了孔邊局部應力的分析。目前點式幕墻的玻璃面板按照玻璃幕墻工程技術規(guī)范JGJ102一2003僅對玻璃進行大面強度計算，忽略了孔邊局部應力的分析。1.3.2忽略玻璃易碎性和對輕微缺陷的敏感性。1.3.3孔邊局部應力與孔徑、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因素考慮不夠。2.玻璃孔邊的荷載計算以及孔邊應力分析2.1在極限荷載情況下，索析架上可能產生最大4anim的撓曲，這種變形造成玻璃與其支撐點之間的角度變化。若玻璃阻止變形，則孔周圍的玻璃就要承受彎曲荷載。實際上孔是懸吊玻璃結構的最敏感的部位，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(風載、沖擊等)都集中在孔周圍的區(qū)域。從圖1z的孔邊局部應力的分析示意圖可看出，點支承玻璃孔邊局部應力大于面板應力?，F(xiàn)以圖13所示玻璃模型為例，利用確限元軟件ansys，對其大面應力及局部應力進行分析計算。 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夾膠鋼化玻璃，分格尺寸為：2250X3000mm。 2.3玻璃大面應力分析 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計算可知，玻璃面板的最大應力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鋼化玻璃的大面強度設計值為f=84(N/mm2，由此可知,在本列中玻璃的強度滿足設計要求。 2.4作用在玻璃的各種荷載轉換為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換為玻璃孔邊的集中力，其主要包括以下三種情況(H向為垂直于玻璃面板方向，V向為平行于玻璃面板方向):a玻璃的自重荷載轉換為玻璃孔邊的V方向集中力。b作用在玻璃的風荷載轉換為玻璃孔邊的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的荷載均相同，則作用在玻璃上的各種荷載和作用轉換成玻璃孔邊的集中力的計算公式如21 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數(shù)。2.5玻璃孔邊集中力轉換為玻璃孔邊作用面的面荷載作用在玻璃上的各種荷載有可能轉換為玻璃孔邊的集中力，而玻璃孔邊集中力又會轉換為作用面的面荷載，其計算公式如22: W=P/A （2-2） 式中P作用在玻璃孔邊的集中力（N）。 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玻璃孔邊應力分析利用有限元軟件&I15Y5對沉頭點支承玻璃孔邊應力進行計算分析，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進行計算分析。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軟件建立實體單元模型.如圖18所示。 第三步，分別計算圖19所示各方向的集中力。2.7本列中玻璃孔邊側面不滿足設計要求3.降低點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的比較。 3.2駁接頭安裝傾角要正確。某點式玻璃駁接頭安裝傾角過大，致使玻璃破裂。圖24擠壓破裂:實驗結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，孔邊應力可增大2.25倍。以上案例表明盡管點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，不能適應玻璃變形，致使孔邊應力增大致使玻璃破裂。3.3駁接頭為適應玻璃變形，要有適度偏轉角3.3.1點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)幾何關系即駁接頭為適應玻璃變形，要有適度偏轉角。3.3.2駁接頭為適應玻璃變形偏轉角估算:點支承玻璃面板的撓度限值宜按其支承點長邊邊長的1/60采用.如圖所示玻璃的變形可以近似為弧形。根據(jù)幾何關系估算:駁接頭為適應玻璃變形偏轉角:圖28根據(jù)以上分析駁接頭為適應玻璃變形，要有出3. 78度的偏轉角，才能滿足玻璃變形的要求甲再加上現(xiàn)場施工時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.駁接頭應滿足士5度的偏轉角。3.3.3非平面點式玻璃幕墻駁接頭的偏轉角。當幕墻或采光頂相鄰玻璃不在同一平面時甲即折線形、弧形、球形、圓錐形幕墻或采光頂，在選擇駁接頭時，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。駁接頭的偏轉角應滿足士(十5)度要求，實現(xiàn)對玻璃夾角的補償。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墊片。3.4. 1鋼永遠也不能與玻璃直接接觸，因為它的支承表面太硬了，所以通常要在鋼螺栓和玻璃孔之間加一個熱塑性襯墊。然而熱塑性材料可產生蠕變從而可能導致鋼與玻璃的接觸，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。鋁的強度足以防止任何長期變形。襯點墊最后鍍一層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1050用來防I卜玻璃和螺栓接觸。安裝時使用1mm的硅酮壓條以保證該裝置的水密性。3.5提高點式玻璃鉆孔質量。3. 5. 1玻璃孔周圍剝裂致使玻璃破裂。圖323.5.2提高點式玻璃玻璃鉆孔質量的工藝措施:1)為了防止在與鉆孔相對的一邊發(fā)生剝裂，必須從玻璃兩邊同時鉆孔。2)兩邊同時鉆孔的鉆頭要共軸。如鉆頭不是完全共軸的，則玻璃孔會有一個孔肩。這樣的孔肩會產生比光滑孔高的應力集中。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，有剝裂的玻璃孔會導致應力分布不均。此外，剝裂產生裂縫狀缺陷，加上玻璃固有的易碎性，裂縫會在荷載下瞬間擴展。然而，在完整的圓柱形玻璃孔周圍避免產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架上。有了這種中央懸掛點，玻璃就能夠找到其自身平衡并且能夠完全豎直懸掛，與支撐鋼管的準直度無關。此外，這種單個的中央懸吊點保障無位移，即使橫向荷載也不會對系統(tǒng)造成影響。如果由4片玻璃組成的各個玻璃列是通過兩個剛性懸吊點固定的，系統(tǒng)就會抵抗橫向荷載，設計時，就要將系統(tǒng)設計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，因此可以側向轉動。每一間隔由4列玻璃組成。每列四塊玻璃，獨立于其它列而懸掛。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構內。各玻璃列可以相對與彼此而滑動的事實意味著頂部鋼管可以下陷，而不影響涉及玻璃結構荷載。3.6.2改進玻璃懸吊系統(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、兩個或四個連接裝置。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，則相連懸掛點要突然承受很大荷載，如圖所示隨著玻璃板的破碎，同時重新分布荷載，玻璃的破碎導致了超強的暫時荷載，對結構造成消極影響，也很難預知此種沖擊帶來的影響，故而在玻璃懸吊點處采用了預應力緩沖彈簧，玻璃面板破碎后，相連懸掛點增加的荷載會平均分擔在其見懸掛點，見圖35對體系產生較小影響。 彈簧支承裝配組件該組件的形狀是其功能的產物，其功能是將玻璃荷載經過彈簧“保險絲”轉移到支承結構上。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，彈簧組件由兩個壓在兩塊地連接板之間的螺旋彈簧（考慮到尺寸，單個彈簧占用的空間小，需兩個彈簧）。如圖36所示。彈簧必須經過精確的計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，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，則彈簧組件預應力為600公斤荷載。該預應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預應力彈簧結構，以確保彈簧機構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。任何一個彈簧只要受到超過600公斤的荷載，它就會垂直到其余的支承點支承起該荷載。這種“保險絲”式的作用是有必要的，它使人們能夠預知可以施加到玻璃和每個主結構框架支撐點上的荷載。在玻璃破碎并因此引起荷載路徑的瞬時變化時，彈簧對整個玻璃系統(tǒng)也起到一個減震器的作用。3.7采用H形接駁爪。四孔玻璃面板點支幕墻目前大量使用是x形接駁爪，圖37其約束示意圖，構造簡單，應用廣泛。x形接駁爪各肢為剛接，約束了玻璃面板平面內運動，玻璃面板只能繞球鉸在平面內轉動，如圖37所示意，雖然對玻璃面板變形有一定適應能力，但沒有H形接駁爪好。H形接駁爪構造復雜，國內用得很少，見圖38，其約束示意簡化如圖:玻璃面板不僅可以在平面內轉動，還可以在平面外相對運動，如圖39、三種基本運動或的各種組合運動，對主體結構和玻璃面板的變形適應能力強。3.8提防玻璃意外破碎的連鎖反應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生剪切應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的荷載也會增加。圖40兩片玻璃意外破碎的照片，圖41顯示了一片玻璃斷裂之后荷載重新配置以及因此產生的荷載路徑的變化，圖42顯示了兩片玻璃斷裂之后的荷載重新配置以及因此產生的荷載路徑的變化。 荷載路徑的突然變化會引起懸吊點處猛烈的沖擊。突然施加的荷載比逐漸施加的荷載更有可能引起其它玻璃破裂，釀成破裂連鎖反應。4.結論點支承玻璃幕墻在垂直于玻璃面板的荷載作用下，通常其最大應力發(fā)生在玻璃孔邊緣附近，目前點式幕墻的玻璃面板按照玻璃幕墻工程技術規(guī)范(JGJ102一2003)，僅對玻璃進行大面強度計算，忽略了孔邊局部應力的分析。若按照非實際開孔的玻璃面板計算模型進行計算，結果有可能存在較大誤差。事實上，孔及其支承結構的邊緣效應對玻璃面板的承載力有極大影響.不進行孔邊局部