董永剛

[摘 要]利用有限元軟件計(jì)算分析了固定式支承頭點(diǎn)式玻璃孔邊應(yīng)力集中問題,具體討論了孔徑、孔心邊距、玻璃幾何尺寸、金屬支承頭的尺寸、墊層的厚度及物理力學(xué)性能等因素對孔邊應(yīng)力的影響,并給出了相應(yīng)的建議。

[關(guān)鍵詞]點(diǎn)式玻璃幕墻 固定式支承頭 應(yīng)力集中

一、概述

點(diǎn)式玻璃幕墻是最近幾年在中國開始應(yīng)用新型幕墻體系,由于其視野開闊、通透性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用。它由玻璃面板、金屬連接件、支承結(jié)構(gòu)等組成。由于點(diǎn)式支承玻璃技術(shù)在我國被采用的時間較短,資料還不夠完備,它還很不成熟,尚有許多工作有待進(jìn)行探討和研究。玻璃是具有代表性的脆性材料,幾乎所有的玻璃都是由于拉應(yīng)力產(chǎn)生表面裂縫而破碎,它的應(yīng)力應(yīng)變幾乎是呈線性關(guān)系,其破壞強(qiáng)度有非常大的離散性。點(diǎn)式玻璃幕墻采用鋼化玻璃[1],它的強(qiáng)度和安全性能要優(yōu)于普通玻璃和浮法玻璃。一般采用4點(diǎn)或6點(diǎn)支承。由于玻璃要開孔,因此玻璃孔周邊將產(chǎn)生應(yīng)力集中,這是點(diǎn)式玻璃的薄弱環(huán)節(jié)?？走叢Ａ?yīng)力與支承點(diǎn)構(gòu)造有關(guān),也與玻璃孔洞加工工藝有關(guān),這些因素的影響往往是不能忽略的。《規(guī)范》只是采用限制孔邊距等條件來考慮孔邊局部應(yīng)力的影響[1,2],而設(shè)計(jì)人員往往對孔邊應(yīng)力集中的程度與危害了解不夠,因此對孔邊應(yīng)力集中進(jìn)行深入研究和探討是必要的。點(diǎn)支玻璃的支承裝置分活動式和固定式兩種,活動式支承頭在工程中應(yīng)用較多,它允許玻璃板在孔邊有部分轉(zhuǎn)動,可有效地減緩孔邊應(yīng)力集中,這方面的資料可參考文獻(xiàn)[3,4]。固定式支承頭由于限制了板的轉(zhuǎn)動,應(yīng)力集中現(xiàn)象要嚴(yán)重得多[5]。雖然固定式支承頭在工程中應(yīng)用不多,但《規(guī)范》允許在工程中應(yīng)用。本文主要探討了玻璃面板在固定式支承頭支承條件下,孔邊的局部應(yīng)力集中現(xiàn)象及其影響因素,并提出相應(yīng)的建議。

二、計(jì)算模型

(一)計(jì)算模型

采用Ansys有限元分析軟件進(jìn)行分析,不考慮玻璃板自重對孔邊應(yīng)力的影響,采用1/4對稱的計(jì)算模型,模型材料包括玻璃板,金屬支承頭和緩沖墊層。

模型單元為三維實(shí)體單元,每個單元定義了10個節(jié)點(diǎn),每個節(jié)點(diǎn)有三個自由度。本文只考慮玻璃板的應(yīng)力,因此在處理不同材料的接觸面時,支承頭與墊層采用粘結(jié)方式,而考慮玻璃板與墊層間的接觸。用柔體與柔體的面面接觸單元進(jìn)行模擬,墊層為接觸面,采用conta174單元,玻璃板為目標(biāo)面,單元為targe170。通過實(shí)常數(shù)和單元關(guān)鍵字來控制接觸行為,接觸算法采用程序默認(rèn)的擴(kuò)張的拉格朗日法,每運(yùn)算一個荷載子步,系統(tǒng)自動調(diào)整接觸剛度;為簡化計(jì)算,接觸表面采用no-separation方式,即一旦接觸就不分開但允許有相對滑動,摩擦系數(shù)取為0.2;其余計(jì)算參數(shù)采用系統(tǒng)默認(rèn)數(shù)值。在玻璃板的兩側(cè)面施加正對稱約束,在連接件底部施加固定約束,在玻璃表面施加風(fēng)荷載2.0kN/m2,不考慮連接件對玻璃板的預(yù)緊力作用。

(二)計(jì)算參數(shù)

本文主要分析了孔徑、孔心邊距、玻璃厚度、玻璃尺寸、金屬支承頭的尺寸(主要是金屬壓板的尺寸)、墊層的厚度及物理力學(xué)性能等因素對孔邊應(yīng)力的影響。

支承頭的尺寸參數(shù)見圖1,墊層的幾何尺寸由玻璃板和連接件的尺寸相應(yīng)確定。

模型中各部分的基本參數(shù)如下:玻璃板:尺寸a×b=2.0×2.0m,厚度t=10mm,孔徑d=36mm,孔心邊距dis=120mm,彈性模量E=0.72×105N/m2泊松比v=0.2;支承頭:金屬壓板厚度t1=5mm,壓板直徑d2=50mm,彈性模量E=2.06×105N/mm2,泊松比v=0.3;墊層:厚度t2=2mm,彈性模量E=0.10×105N/mm2,泊松比v=0.4。以上述數(shù)據(jù)為基本,通過某些參數(shù)的變化來研究其對孔邊應(yīng)力的影響。

三、計(jì)算結(jié)果及分析

由于玻璃為脆性材料,一般采用最大主應(yīng)力原則來判斷玻璃材料的破壞狀態(tài)。因此,在本文分析中,只察看玻璃板的最大主應(yīng)力。下述的大量算例表明,遠(yuǎn)離孔的區(qū)域主應(yīng)力很小,而孔附近的應(yīng)力集中現(xiàn)象很明顯。

(一)孔徑和玻璃厚度的影響

圖2是在相同的孔心邊距情況下,孔邊應(yīng)力隨孔徑和玻璃厚度的變化情況。分析結(jié)果表明,應(yīng)力集中程度隨孔徑的增大而減緩;當(dāng)玻璃厚度超過12mm后,孔徑對應(yīng)力集中的影響不明顯。從圖中可以看出,玻璃厚度不宜小于10mm,孔徑宜取大,但孔徑的增大意味著連接件的增大,這必然會帶來成本的上升。

(二)孔心邊距(孔邊距)的影響

圖3是在不同的玻璃尺寸情況下,孔邊應(yīng)力隨孔心邊距的變化情況。從圖中可以看出,隨著孔心邊距的增大,孔邊應(yīng)力逐漸減小,且變化梯度也在減小,當(dāng)孔心邊距大于100mm時,可以認(rèn)為孔邊應(yīng)力減緩的趨勢不太明顯;隨著玻璃尺寸的增大,孔邊應(yīng)力有明顯的增大。

圖4為不同的孔徑及相應(yīng)的孔邊距引起的孔邊應(yīng)力與玻璃邊緣應(yīng)力?？走吘鄬走厬?yīng)力的影響可通過孔心邊距的影響來體現(xiàn),但孔邊距的大小對靠近孔的玻璃邊緣的應(yīng)力影響較大,見圖4(b)。并且由于外圍玻璃板的反翹作用,增大孔邊距對玻璃板的大面應(yīng)力是有利的。在實(shí)際工程中,由于玻璃自重會產(chǎn)生對玻璃孔的擠壓作用,若孔邊距較小,在玻璃自重等剪切荷載作用下,雖然玻璃板被剪斷的可能性不大,但應(yīng)力集中肯定會加劇。有資料要求孔邊距不小于70mm[2],從分析中看,是比較合理的。

筆者建議,在使用固定支承頭時,玻璃尺寸不應(yīng)太大,宜控制在2m以下,同時孔心邊距宜不小于100mm。

(三)玻璃長寬比的影響

圖5為不同玻璃寬度和長寬比對孔邊應(yīng)力的影響,玻璃板的長寬比對最大主應(yīng)力影響較大,基本上呈線性關(guān)系,隨著玻璃寬度的增大,其影響增大。一般來講,玻璃的長寬比不宜超過2。

(四)金屬壓板尺寸的影響

如圖6,隨著壓板尺寸的增大,孔邊應(yīng)力逐漸較小,最大主應(yīng)力發(fā)生的位置由玻璃孔邊緣變化到與壓板邊緣接觸的玻璃板面,但當(dāng)壓板尺寸超過一定尺寸后,加大壓板尺寸并不能明顯減少孔邊的應(yīng)力集中。壓板半徑一般要比支承頭內(nèi)軸半徑大12~15mm。

(五)墊層厚度及彈性模量的影響

目前墊層材料以塑料材料為主,拉伸模量在200~35000N/mm2范圍內(nèi),泊松比在0.38~0.49之間,常用墊層厚度為1.2~9mm[6]。

墊層厚度對孔邊應(yīng)力的影響見圖7。墊層厚度取1mm左右時,孔邊應(yīng)力出現(xiàn)最小值,墊層厚度小于1mm,孔邊應(yīng)力有急劇的增大。當(dāng)墊層厚度大于1mm時,從(a)中發(fā)現(xiàn),隨著墊層厚度的增大,孔邊應(yīng)力增大,這是因?yàn)樵诮饘賶喊宄叽缦嗤那闆r下,墊層厚度的增大意味著壓板超出玻璃孔邊的尺寸減小,從而導(dǎo)致應(yīng)力的增大;(b)圖中,在保證金屬壓板超出玻璃孔邊的尺寸不變的情況下,墊層厚度對孔邊應(yīng)力的影響很小。因此,墊層不宜取得太厚,但考慮建筑和施工方便等因素,墊層厚度也不能太小,一般在2mm左右。

墊層彈性模量對孔邊應(yīng)力的影響見圖8。彈性模量在1000~3000 N/mm2之間時,孔邊應(yīng)力取到最小值,因此實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)在此范圍取值;隨后隨著彈性模量的增大和減小,孔邊應(yīng)力都在增加,但總體來說,工程應(yīng)用中應(yīng)選用彈性模量較小的墊層材料。

四、小結(jié)

點(diǎn)式玻璃板受力彎曲后邊緣翹曲,板面轉(zhuǎn)動,固定式支承頭不能隨之轉(zhuǎn)動,使玻璃板受到較強(qiáng)的約束,應(yīng)力集中程度嚴(yán)重。通過以上的分析,可得出:

(一)對固定式支承頭點(diǎn)式玻璃,孔邊應(yīng)力集中嚴(yán)重,一般都超過鋼化玻璃的設(shè)計(jì)強(qiáng)度。在分析中沒有考慮在形成玻璃孔過程中產(chǎn)生的微裂紋等缺陷,因此實(shí)際情況可能更嚴(yán)重。

(二)玻璃板的尺寸及長寬比對玻璃板最大主應(yīng)力影響較大,因此使用固定式支承頭時,玻璃板尺寸不應(yīng)太大,且長寬比不宜超過2。

(三)孔心邊距、孔徑和壓板尺寸的增大都能有效地減緩孔邊的應(yīng)力集中,但相應(yīng)的使支承構(gòu)件的尺寸增大,經(jīng)濟(jì)性變差,因此要綜合考慮,選取合適的尺寸。

(四)墊層的厚度及彈性模量對孔邊的應(yīng)力也有影響,但影響不大。

(五)本文的分析模型是浮頭式支承頭,對于沉頭式支承頭,由于支承頭與玻璃板接觸面積小,應(yīng)力集中現(xiàn)象會更明顯。

綜上,由于固定式支承頭導(dǎo)致玻璃受力不合理,因此它在工程中應(yīng)用不多,主要應(yīng)用在荷載效應(yīng)較小和幕墻分格尺寸不太大的情況。實(shí)際上,固定式支承頭是早期點(diǎn)式幕墻中應(yīng)用較多的支承裝置,隨著對點(diǎn)式玻璃幕墻的了解,現(xiàn)在工程中大都采用活動式支承頭,相對于固定式支承頭,其構(gòu)造、生產(chǎn)并不復(fù)雜,而受力性能卻優(yōu)越的多,因此活動式支承頭必將完全取代固定式支承頭。從這種意義上講,相應(yīng)規(guī)范可以不再將固定式支承頭列入點(diǎn)式玻璃幕墻所用的支承構(gòu)件中。

本文雖然是以固定式支承頭為例來分析點(diǎn)式玻璃板的應(yīng)力集中情況,但影響玻璃孔邊應(yīng)力集中的因素及其中的某些結(jié)論對活動式支承頭點(diǎn)式玻璃板也是適用的。

參考文獻(xiàn)

[1]點(diǎn)支式玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)程 CECS 127:2001

[2]玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)程 JGJ 102-2003北京:中國建筑工業(yè)出版社2003

[3]楊威,王元清等?？走厬?yīng)力狀態(tài)對點(diǎn)式支承玻璃板承載性能的影響分析。建筑結(jié)構(gòu) 2001,36(6)

[4]楊威,王元清等。玻璃建筑中帶孔點(diǎn)式支承玻璃承載性能研究。工業(yè)建筑 2000,30(10)

[5]Andreas Klinkenberg. Untersuchungen zur statisch optimalen Halterposition bei punktge-stutzten Glastafeln. Stahlbau 1998(4)