四邊簡支夾層玻璃受彎承載力試驗研究及有限元分析

1、建筑結(jié)構(gòu)學報󰀁JournalofBuildingStructures文章編號:1000󰀂6869(2010)10󰀂0114󰀂06第31卷第10期2010年10月Vol󰀁31No󰀁10Oct󰀁2010016四邊簡支夾層玻璃受彎承載力試驗研究及有限元分析陶志雄,張其林,陳󰀁俊,陳󰀁峻,謝步瀛3.華東建筑設計研究院有限公司,上海200002)11231(1.同濟大學建筑工程系,上海200092;2.中國民航機場建設集團公司,北京110101;摘要:通過拉伸試

2、驗和剪切試驗,得到了PVB膠片的材料性能參數(shù),并通過受彎承載力試驗,研究夾層玻璃的受力特點,進而分析PVB膠片的厚度、溫度變化對其承載能力的影響。試驗結(jié)果表明:膠片對夾層玻璃的受力性能有顯著影響,且膠片的粘結(jié)作用不能忽略,隨著溫度的升高,其承載力降低。運用ANSYS有限元軟件對試驗模型的受力性能進行數(shù)值模擬,有限元計算結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好。試驗結(jié)果和有限元分析結(jié)果均表明:現(xiàn)行國家規(guī)范關(guān)于夾層玻璃位移的計算值大于試驗值和有限元分析值,計算偏于保守。關(guān)鍵詞:夾層玻璃;PVB膠片;材料性能;靜力試驗;數(shù)值模擬;受彎承載力中圖分類號:TU382󰀁TQ171󰀁727&#

3、983041;TU317󰀁1󰀁󰀁文獻標志碼:AExpermientalstudyonflexuralcapacityandfiniteelementanalysisoflaminatedglasssmiplysupportedonfoursidesTAOZhixiong,ZHANGQilin,CHENJun,CHENJun,XIEBuying(1.DepartmentofBuildingEngineering,TongjiUniversity,Shanghai200092,China;2.ChinaAirportConstructionGroup

4、CorporationofCAAC,Beijing110101,China;3.EastChinaArchitecturalDesign&ResearchInstituteCo.,Ltd,Shanghai200002,China)11231Abstract:FirstlythetensionandsheartestofthematerialswerecarriedoutonPVBfilmsoastodetermineitspropertyparameters,andthenthemainfactorsaffectingtheflexuralcapacityofthelaminatedg

5、lasssmiplysupportedonfoursideswerestudiedbymeansofflexuralexpermients.Theresultsshowthattheflexuralcapacityiscloselyrelatedtothefilmanditsadhesiveeffectscannotbeignored.Astheincreaseofthetemperaturethebearingcapacitydecrease.Further,theexpermientalresultshavegoodagreementwiththosesmiulatedbyANSYSpro

6、gram.Comparisonofexpermientalresultswithcalculatedonesindicatethatthecurrentdesigncodewillleadtoconservativeresultsandtheequivalentthicknessoflaminatedglassesprovidedinthecodeshouldbefurtherdiscussed.Keywords:laminatedglass;PVBfilm;materialproperty;statictest;numericalsmiulation;flexuralcapacity基金項目

7、:國家自然科學基金項目(50978195)。作者簡介:陶志雄(1978󰀂󰀁),男,湖北武漢人,博士研究生。E󰀂mai:lzhixiongtao163󰀁com通訊作者:張其林(1962󰀂󰀁),男,江蘇海門人,工學博士,教授。E󰀂mai:lzhaqilinmail󰀁tongji󰀁edu󰀁cn收稿日期:2009年10月的方法測量夾層玻璃PVB膠片的彈性模量E,試樣0󰀁引言隨著玻璃幕墻的快速發(fā)展,夾層玻璃作為一種安全性、裝飾性較

8、高的玻璃越來越多地應用于高層建筑幕墻中。夾層玻璃是由兩片或數(shù)片玻璃之間夾一層以聚乙烯醇縮丁醛(PVB)或SGP膠片為主要成分的玻璃復合板1尺寸如圖1所示。取膠片厚度為1󰀁14mm和2󰀁28mm試件各16塊,分別在常溫(20)與高溫(40)條件下,通過微機控制電子萬能(拉力)試驗機與高低溫箱來進行PVB膠片的拉伸試驗。,夾層厚度一般為0󰀁76mm、1󰀁14mm或2󰀁28mm(0󰀁38mm的倍數(shù))。夾層玻璃是一種典型的復合板材,其工作性能主要取決于內(nèi)夾層膠片的抗剪剛度2。因此,PVB膠片傳遞剪力的圖1&

9、#983041;試件尺寸Fig.1󰀁Dimensionofspecimen能力越強,夾層玻璃的受彎性能越高。目前國內(nèi)外對PVB材料的數(shù)據(jù)資料比較有限,Vallabhan等3提出了測量夾層玻璃PVB材料特性4在實際工程中,PVB膠片的應變一般不超過0󰀁5,表1中列出拉應變小于0󰀁5時,不同試驗條件下,PVB膠片拉伸應變和拉伸應力的平均值。表1󰀁PVB膠片的拉伸應力󰀂應變試驗值Table1󰀁ExpermientresultsofPVBfimlstretchingstress󰀂strain

10、value常溫20拉應變1󰀁14mm膠片應力/MPa0󰀁050󰀁100󰀁150󰀁200󰀁250󰀁300󰀁350󰀁400󰀁450󰀁500󰀁260󰀁370󰀁520󰀁670󰀁820󰀁951󰀁101󰀁261󰀁461󰀁582󰀁28mm膠片應力/MPa0

11、83041;220󰀁320󰀁430󰀁550󰀁640󰀁760󰀁921󰀁141󰀁301󰀁47高溫401󰀁14mm膠片應力/MPa0󰀁080󰀁140󰀁200󰀁250󰀁290󰀁310󰀁340󰀁360󰀁390󰀁412󰀁28mm膠片應力/MPa0󰀁060

12、83041;󰀁120󰀁170󰀁210󰀁240󰀁270󰀁310󰀁330󰀁350󰀁37(剪切模量)的方法,并且測定了不同溫度條件下,PVB膠片的剪切模量。GR󰀁F等給出了PVB膠片剪切模量的試驗值,并得出隨著溫度升高,承載時間持續(xù),PVB膠片剪切模量G將減小,夾層玻璃層間抗剪作用將減弱的結(jié)論。Vallabhan等5對不同尺寸夾層玻璃進行相關(guān)的研究試驗,分析影響夾層玻璃性能的各種因素。并建立了三種理論模型(即分離模型、整體模型和復合模型)來進

13、行分析。近年來,國內(nèi)研究者針對夾層玻璃進行研究。殷永煒等6對點支式夾層玻璃的承載性能做了短期7加載和長期加載試驗,得到夾層玻璃的承載性能受荷載持續(xù)時間影響較大的結(jié)論。龐世紅等明,現(xiàn)行玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范的等效厚度低于實測值。我國現(xiàn)行玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范沒有考慮PVB膠片在夾層玻璃受彎承載中的作用,這主要是由于國內(nèi)并未開展夾層玻璃PVB膠片的材料力學性能的相關(guān)研究,缺乏夾層玻璃中PVB膠片材料參數(shù)的試驗數(shù)據(jù),從而無法建立精確的夾層玻璃力學模型。本文通過對PVB膠片進行拉伸和剪切試驗,得到了PVB膠片的材料性能參數(shù),為理論分析提供試驗數(shù)據(jù)支持,然后通過受彎承載力試驗,研究了不同厚度、溫度條件下的四

14、邊簡支夾層玻璃的受力特性,并與有限元軟件模擬結(jié)果及現(xiàn)行玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范的計算結(jié)果進行比較,進一步探討了PVB膠片對夾層玻璃受彎性能的影響。88通過試驗研究了夾層玻璃的等效厚度及受彎性能,結(jié)果表中計算夾層玻璃通過對試驗結(jié)果分析,擬合PVB膠片在常溫(20)和高溫(40)下的應力󰀂應變關(guān)系式為:常溫(20):󰀁(0#󰀂#0󰀁5)󰀁󰀁󰀁=0󰀁18(0#󰀂#0󰀁2)(0󰀁2<󰀂#0󰀁5)

15、(2)式中:󰀁為PVB膠片的拉應力,MPa;󰀂為PVB膠片的拉應變;E為膠片的彈性模量。1󰀁1󰀁2󰀁PVB膠片剪切模量的測量目前,國內(nèi)還未見到進行PVB剪切模量的有關(guān)試驗研究。鑒于膠片受剪性能對夾層玻璃的影響,本文在參照國外的試驗研究方法3(1)1󰀁試驗概況1󰀁1󰀁PVB膠片材料試驗1󰀁1󰀁1󰀁PVB膠片彈性模量的測量參照GB/T1040󰀂92 塑料拉伸性能試驗方法!和GB/T1455󰀂2

16、00 夾芯結(jié)構(gòu)或芯子剪切性能試驗方法!的基礎上開展了PVB膠片剪切模量的試驗研究。夾層玻璃試樣尺寸為150mm273mm。厚度分別為6mm+1󰀁14mmPVB+6mm、6mm+2󰀁28mmPVB+6mm。為了測量在荷載作用下夾層玻璃膠片的剪切變形,在夾層玻璃的兩片玻璃上分別固定兩個測點(圖2),其位移之差即為膠片的剪切位移,由剪切應力󰀂應變關(guān)系計算公式即可求出膠片的平均剪切應力與平均剪切應變。=G1!=0󰀁45!G2!-0󰀁07=0󰀁8!-0󰀁07(0#!#0󰀁2)(

17、0󰀁2<!#0󰀁5)(4)式中: 為PVB膠片的剪切應力,MPa;!為PVB膠片的剪切應變;G1為剪切應變在00󰀁2范圍內(nèi)時,PVB膠片的剪切模量值;G2為剪切應變在0󰀁20󰀁5范圍內(nèi)時,PVB膠片的剪切模量值。1󰀁2󰀁夾層玻璃試件設計夾層玻璃試件的面板幾何尺寸為1500mm1500mm,厚度分別為6mm+1󰀁14mmPVB+6mm、6mm+2󰀁28mmPVB+6mm。試件按厚度、試驗溫度(常溫(20)與高溫(40)分為4組,每組3塊。每組試件的

18、構(gòu)造組成如圖3所示。為了防止夾層玻璃與鋼支承架直接接觸,在玻璃與鋼支架之間墊有玻璃墊片,其材質(zhì)為三元乙丙,如圖4所示。圖2󰀁試驗裝置Fig.2󰀁Testset󰀂up針對常溫(20)和高溫(40)條件及膠片厚度,試驗用試件分為4組,每組8塊,高溫(40)試驗在恒溫試驗室進行。表2為剪切應變小于0󰀁5時,不同試驗條件下PVB膠片剪切應變和剪切應力的平均值。表2󰀁PVB膠片的剪切應力󰀂應變值Table2󰀁ExpermientresultsofPVBfimlshearingstress

19、83042;strainvalue常溫20應力/MPa0󰀁050󰀁100󰀁150󰀁200󰀁250󰀁300󰀁350󰀁400󰀁450󰀁500󰀁070󰀁120󰀁180󰀁230󰀁310󰀁390󰀁480󰀁540󰀁590󰀁71應力/MPa0󰀁040󰀁080&#

20、983041;150󰀁220󰀁310󰀁380󰀁440󰀁520󰀁580󰀁67高溫40應力/MPa0󰀁040󰀁060󰀁090󰀁120󰀁170󰀁220󰀁270󰀁310󰀁350󰀁40應力/MPa0󰀁020󰀁040󰀁070󰀁100󰀁140󰀁1

21、70󰀁210󰀁240󰀁270󰀁30剪應變1󰀁14mm膠片2󰀁28mm膠片1󰀁14mm膠片2󰀁28mm膠片圖3󰀁試件模型Fig.3󰀁Modelofspecimen圖4󰀁玻璃與鋼支承架連接方式Fig.4󰀁Connectionbetweenglassandsteelbearerframe1󰀁3󰀁加載方案對于一般的玻璃幕墻,主要承受風荷載作用。試驗中風荷載模擬主要通過砂袋均勻布置于

22、夾層玻璃上。均布荷載逐級增加,量值分別為0󰀁36kPa、0󰀁71kPa、1󰀁07kPa、1󰀁60kPa、2󰀁13kPa、2󰀁67kPa、3󰀁20kPa、4󰀁09kPa、4󰀁98kPa。高溫試驗在恒溫試驗室進行,溫度為40。在每級荷載量值下分別測量各測點的撓度和應變。1󰀁4󰀁測點布置試驗主要測量在荷載作用下夾層玻璃的撓度,為此在玻璃上布置了7個位移測點。其中15號測點測量在各級荷載作用下,夾層玻璃各點的位移值。67號位移測

23、點測量在荷載作用下玻璃墊片的變形產(chǎn)生的位移,以修正15號的位移值,使其得到準確的實際位移。其測點布置如圖5所示。根據(jù)試驗結(jié)果,擬合到不同溫度下PVB膠片的剪切應力󰀂應變關(guān)系式為:常溫(20): =G1!=1󰀁1!G2!-0󰀁08=1󰀁5!-0󰀁08(0#!#0󰀁2)(0󰀁2<!#0󰀁5)(3)󰀁󰀁高溫(40):度與規(guī)范值相比誤差較大,并且隨著荷載的增加,誤差也越來越大,甚至達到100%,這主要是因為規(guī)范沒有考慮膠片對兩片玻璃受彎承

24、載力的影響,采用的簡單疊置的分離截面計算模型,故而按規(guī)范計算夾層玻璃跨中的撓度結(jié)果較試驗值偏大。圖7󰀁夾層玻璃不同計算模型圖5󰀁測點布置Fig.5󰀁LayoutofmeasuringpointsFig.7󰀁Simplifiedsketchoflaminatedglass2󰀁試驗結(jié)果及分析2󰀁1󰀁試驗現(xiàn)象荷載作用初期,夾層玻璃荷載󰀂撓度曲線線性變化,隨著荷載的增加,四個角部逐漸向上翹起,直至發(fā)生破壞。圖6為四邊簡支夾層玻璃6mm+2󰀁28mmPVB+6m

25、m在均布荷載作用下破壞情況,從圖中可以看出,夾層玻璃在對角線上形成了四個塑性絞線。加載過程中,膠片具有蠕變性能,在卸載后并不能完全恢復到初始狀態(tài)。圖8󰀁6mm+1󰀁14mmPVB+6mm夾層玻璃荷載󰀂撓度曲線比較(20)Fig.8󰀁Comparisonofload󰀂deflectioncurves2󰀁3󰀁不同溫度工況下試驗結(jié)果PVB膠片為有機化合物,受溫度影響較大,試驗研究了夾層玻璃在常溫(20)和高溫(40)條件下受力特征,圖9為6mm+1󰀁14mmPVB+6mm夾

26、層玻璃在不同溫度(20、40)下,跨中撓度的試驗值。圖6󰀁夾層玻璃整體破壞情況Fig.6󰀁Failurepattersoflaminatedglass2󰀁2󰀁常溫下試驗值與規(guī)范值的比較圖7為夾層玻璃不同計算模型,夾層玻璃的受彎性能介于整體截面和分離截面之間。當PVB膠片受剪剛度無窮大時,夾層玻璃的工作性能等同于整體截面,其分析結(jié)果作為其承載性能的上限;當膠片的受剪剛度為零時,其工作性能等同于簡單疊加的分離截面,其分析結(jié)果作為夾層玻璃的承載性能的下限。圖8為四邊簡支的6mm+1󰀁14mmPVB+6mm夾層玻璃在常溫(

27、20)下,玻璃試塊中點處的撓度試驗值與規(guī)范值的比較結(jié)果。由圖8可以看出,在常溫下,夾層玻璃跨中的撓圖9󰀁不同溫度下6mm+1󰀁14mmPVB+6mm夾層玻璃荷載󰀂撓度曲線比較Fig.9󰀁Comparisonofload󰀂deflectioncurvesindifferenttemperature由圖9中可以看出,在相同荷載作用下,常溫(20)下跨中撓度小于高溫(40)下的跨中撓度,隨著荷載的增加,撓度值差別逐漸增大。當荷載增加至4󰀁98kPa時,跨中撓度相差2󰀁5mm。2♦

28、41;4󰀁加載和卸載試驗結(jié)果圖10為6mm+1󰀁14mmPVB+6mm夾層玻璃在高溫(40)下加載狀態(tài)和卸載狀態(tài)下,夾層玻璃跨中荷載󰀂撓度關(guān)系關(guān)系曲線。試驗表明,夾層玻璃在加的支座約束符合夾層玻璃鑲嵌的實際情況,在比較大的載荷作用下,能夠發(fā)揮玻璃面板內(nèi)的薄膜效應,符合幾何非線性的特點。3󰀁4󰀁有限元分析結(jié)果通過ANSYS進行非線性有限元分析,提取夾層玻璃跨中撓度和應力值與試驗結(jié)果進行對比分析,表3給出了四邊簡支6mm+2󰀁28mmPVB+6mm夾層玻璃面板在各級荷載作用下跨中撓度試驗值(平均圖10&

29、#983041;加載、卸載狀態(tài)荷載󰀂撓度曲線比較Fig.10󰀁Comparisonofload󰀂deflectioncurveswithloadingandunloading值)以及有限元分析值。有限元分析結(jié)果與試驗結(jié)果吻合較好,說明采用這種計算模型進行四邊簡支的夾層玻璃的力學分析能較好地反應夾層玻璃的受力特性。表3󰀁夾層玻璃(6mm+2󰀁28mmPVB+6mm)跨中撓度的試驗均值、有限元分析值Table3󰀁Laminatedglassexpermientalresults,criteriavalu

30、eandnumericalresultsofdeflection荷載/kPa0󰀁360󰀁711󰀁071󰀁602󰀁132󰀁673󰀁204󰀁094󰀁98常溫20/mm1󰀁192󰀁403󰀁485󰀁046󰀁467󰀁809󰀁0010󰀁7212󰀁20/mm1󰀁242󰀁513󰀁

31、665󰀁346󰀁868󰀁249󰀁4811󰀁3012󰀁850󰀁040󰀁040󰀁050󰀁060󰀁060󰀁040󰀁050󰀁050󰀁05高溫40偏差值0󰀁150󰀁060󰀁070󰀁080󰀁090󰀁090󰀁100󰀁070󰀁07/

32、mm1󰀁893󰀁124󰀁636󰀁327󰀁789󰀁1210󰀁2012󰀁2213󰀁68/mm1󰀁693󰀁324󰀁836󰀁788󰀁499󰀁8911󰀁2113󰀁0214󰀁63試驗均值分析值偏差值試驗均值分析值加載過程中,膠片具有蠕變性能,在卸載過程中,并不能完全恢復到加載前的初始狀態(tài)。3󰀁有限元分析3&

33、#983041;1󰀁單元屬性及網(wǎng)格劃分采用考慮幾何非線性ANSYS有限元分析程序?qū)λ倪吅喼A層玻璃進行模擬分析。夾層玻璃是由兩層玻璃及膠片層組成的復合結(jié)構(gòu)。對于復合結(jié)構(gòu),ANSYS可以采用SHELL單元和SOLID單元來模擬。但SHELL單元無法考慮PVB層間的相對滑移,計算結(jié)果較實際情況偏小。因此本文對玻璃、膠片的建模采用SOLID45三維實體單元,它是8節(jié)點6面體單元,由各向同性材料參數(shù)來定義9。進行有限元分析時,必須考慮膠片厚度對整個夾層玻璃性能的影響,在實際劃分網(wǎng)格時,需要在玻璃、膠片厚度的方向劃分3個以上的網(wǎng)格,以滿足計算的需要,如圖11所示。注:偏差值=|分析值-試

34、驗均值|/試驗均值現(xiàn)行玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范行計算,按式(5)(7)確定。8不考慮PVB夾層的作用,計算夾層玻璃撓度時,取玻璃的等效厚度進Wkadf=#DEteD=212(1-)34(5)(6)3te=t1+t2(7)式中:df為在風荷載標準值作用下?lián)隙茸畲笾?mm;a為夾層玻璃短邊長度,mm;D為玻璃剛度,可根據(jù)圖11󰀁有限元模型局部示意圖Fig.11󰀁Localdetailoffiniteelementmodel式(6)計算確定;t1為外層玻璃厚度,mm;t2為內(nèi)層玻璃厚度,mm;te為夾層玻璃等效厚度,可根據(jù)式(7)計算;Wk為垂直于夾層玻璃平面的風荷載標準

35、值,N/mm2;#為折減系數(shù);為撓度系數(shù);E為玻璃3󰀁2󰀁材料屬性根據(jù)現(xiàn)行玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范按本文試驗結(jié)果取值。3󰀁3󰀁邊界條件對于四邊簡支的玻璃面板,短邊在x、z方向上施加平動約束,長邊在y、z方向上施加平動約束。所施8,玻璃面板彈性模量,MPa;為玻璃泊松比。取6mm+2󰀁28mmPVB+6mm夾層玻璃面板,按規(guī)范8的彈性模量取值為72kPa,PVB膠片的物理性能參數(shù)設計公式進行計算,并與試驗結(jié)果和有限元分析結(jié)果相比較,見表4。從表中可以看出,規(guī)范中關(guān)于夾層玻璃的撓度計算結(jié)果大于試驗值,計算結(jié)果偏于保守。表4

36、󰀁夾層玻璃跨中撓度Table4󰀁Deflectionoflaminatedglass荷載跨中撓度/mm偏差EngineeringFailureAnalysis,2008,6(1):1866󰀂1875.2󰀁張其林.玻璃幕墻結(jié)構(gòu)M.濟南:山東科學技術(shù)出版社,2006.(ZhangQilin.wallM.Jinan:Chinese)3󰀁VallabhanCVGirija,Manjunatha.laminatedglassJ.4󰀁GR󰀁FH,DasYC,RamasamudraProperti

37、esofPVBinterlayerusedinJournalofMaterialsinCivilSACKMANNV,eta.lStructureofglasscertainShandongSciencePress,2006.(inEngineering,1992,4(1):71󰀂76.ALBRECHTG,Structuralbehaviourofpoint󰀂supportedandclampedlaminatedglassJ.StructuralInternationa,l2004(2):129󰀂133.Engineering注:偏差值=|分析值-試驗均值|/試驗均值5󰀁VallabhanCVGirija,MinorJosephEIE,NagallaS4󰀁結(jié)論通過對不同厚度,溫度條件下四邊簡支夾層玻璃受彎承載力試驗研究及有限元分析,可以得到以下結(jié)論:(1)夾層玻璃隨著荷載的增加,荷載󰀂位移曲線接近于線性。(2)PVB膠片對夾層玻璃的受彎承載力有重要影響,由于現(xiàn)行規(guī)范沒有考慮膠片的粘結(jié)影響,其關(guān)于四邊簡支夾