倪 紅(金陵科技學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南京 211169)

真空玻璃是將兩片平板玻璃周邊進(jìn)行熔封，將其中間間隔層抽成真空并密閉排氣而成。它是玻璃深加工的一枝新秀，綜合了玻璃工藝與材料科學(xué)、真空技術(shù)、物理測(cè)量技術(shù)、工業(yè)自動(dòng)化及建筑科學(xué)等多項(xiàng)技術(shù)，具有比中空玻璃窗等目前所有玻璃材料制成的門窗更優(yōu)越的隔熱性能[1]。因此，真空玻璃被期望未來最具發(fā)展?jié)摿Φ墓?jié)能玻璃[2]。

近些年來，人們對(duì)真空玻璃的傳熱機(jī)理[3-7]及制造結(jié)構(gòu)原理[8-10]進(jìn)行了廣泛研究，真空玻璃的制備工藝不斷地得到了改進(jìn)，真空玻璃的應(yīng)用不斷得到推廣,但對(duì)直接涉及到影響真空玻璃可靠性應(yīng)用的力學(xué)理論和工程應(yīng)用強(qiáng)度設(shè)計(jì)研究國(guó)內(nèi)外還鮮見報(bào)道。JGJ102-2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》[11]只給出了單片、夾層及中空玻璃的抗風(fēng)壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)，但對(duì)真空玻璃及其復(fù)合結(jié)構(gòu)并沒有給出具體的設(shè)計(jì)方法。本文通過均布施加載荷試驗(yàn)，研究了單片真空玻璃的承載變形性能，并與夾層玻璃和普通單片玻璃進(jìn)行了比較，確定了真空玻璃的等效厚度，給出了真空玻璃及其復(fù)合結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)樣品

長(zhǎng)寬尺寸為1000mm×1000mm的玻璃如 下：N3+V+N3、N4+V+N4、N5+V+N5真 空 玻 璃 各1 塊，N3+1.52PVB+N3，N4+1.52PVB+N4、N5+1.52PVB+N5 夾層玻璃各1 塊，5mm、6mm、8mm、10mm的單片玻璃各1 塊。長(zhǎng)寬尺寸為300mm×300mm的玻璃如下：N5+V+N5 真空玻璃1 塊，N5+1.52PVB+N5夾層玻璃1 塊，6mm、8mm、10mm的單片玻璃各1 塊。

1.2 試驗(yàn)方法及裝置

將玻璃樣品置于空腔上部，玻璃四邊正好處于空腔邊緣位置，用密封膠將支承邊部密封，使玻璃處于四邊簡(jiǎn)支狀態(tài)。采用真空泵抽出空腔部分氣體給玻璃施加均布負(fù)壓，負(fù)壓大小用膜盒壓力表讀取。加載過程中，分別記錄對(duì)應(yīng)載荷下玻璃板中心最大應(yīng)力和撓度。玻璃撓度采用激光位移傳感器測(cè)量，撓度值精確到0.001mm。最大應(yīng)力采用三片直角450 應(yīng)變花測(cè)量，應(yīng)變花預(yù)先布置在玻璃受拉面板中心。

2 結(jié)果與討論

2.1 真空玻璃強(qiáng)度與剛度分析

表1 和表2 為通過試驗(yàn)獲得的各玻璃樣品在不同均布載荷作用下板中心的最大應(yīng)力和撓度。

N3+V+N3-3mm 普通浮法玻璃+vacuum+3mm普通浮法玻璃;N5-5mm 普通浮法玻璃;N3+1.52PVB+N3-3mm 普通浮法玻璃+1.52PVB+3mm普通浮法玻璃，其余類似。

圖1、圖2分別為長(zhǎng)寬尺寸為1000mm×1000mm的N5+V+N5 真空玻璃與其它玻璃在不同均布載荷作用下板中心最大撓度和應(yīng)力對(duì)比。從圖中可以看出，玻璃板中心最大撓度和應(yīng)力與載荷基本呈線性關(guān)系。

圖1 長(zhǎng)寬尺寸為1000mm×1000mm的N5+V+N5 真空玻璃與其它玻璃在不同均布載荷作用下板中心最大撓度對(duì)比

表1 長(zhǎng)寬尺寸為1000mm×1000mm的玻璃樣品板中心撓度和應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

表2 長(zhǎng)寬尺寸為300mm×300mm的玻璃樣品板中心撓度和應(yīng)力測(cè)試結(jié)果

圖2 長(zhǎng)寬尺寸為1000mm×1000mm的N5+V+N5 真空玻璃與其它玻璃在不同均布載荷作用下板中心最大應(yīng)力對(duì)比

由試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可以看出，相同載荷下，真空玻璃板中心最大應(yīng)力和撓度均比與其等厚度的夾層玻璃和單片普通玻璃(不考慮真空玻璃真空層厚度及夾層玻璃膠片厚度大)，這說明真空玻璃的強(qiáng)度和剛度均不及與其等厚度的單片玻璃和夾層玻璃，從結(jié)構(gòu)上分析，由于真空玻璃的兩片玻璃四邊由焊接玻璃密封，中間由支撐物支撐，支撐物不能起傳遞面內(nèi)剪切力作用，而夾層玻璃的膠片能夠傳遞剪切力，因此，相同條件下，真空玻璃的強(qiáng)度和剛度均比與其等厚度的夾層玻璃和單片玻璃要低。

2.2 真空玻璃等效厚度的確定

由試驗(yàn)結(jié)果，得出真空玻璃強(qiáng)度與剛度不如與其相同尺寸的普通玻璃，那么真空玻璃的承載能力究竟與多厚的普通玻璃相當(dāng)？從真空玻璃結(jié)構(gòu)上看，在均布載荷(風(fēng)壓)作用下，真空玻璃兩基片始終變形一致，因此，強(qiáng)度分析時(shí)，可以將真空玻璃看作一整體，采用等效厚度形式，按單片玻璃進(jìn)行分析。真空玻璃等效厚度即一定組合的復(fù)合真空玻璃結(jié)構(gòu)與一定厚度的單片玻璃在相同支撐條件，相同載荷條件下，兩者產(chǎn)生相同的變形或應(yīng)力，該單片玻璃的厚度即為該復(fù)合真空玻璃的等效厚度。真空玻璃的等效厚度可由試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果確定。

根據(jù)彈性理論，矩形四邊簡(jiǎn)支板受均布載荷作用下，中心最大撓度和應(yīng)力計(jì)算公式如下[12]：

其中q0為均布載荷，b為玻璃板短邊長(zhǎng)度，t為玻璃板厚度，E為玻璃彈性模量。

由于測(cè)試的玻璃材料、長(zhǎng)寬尺寸、測(cè)試條件相同，因此，真空玻璃的等效厚度可采用如下公式表示：

其中tw為單片玻璃對(duì)應(yīng)的撓度，wv為真空玻璃對(duì)應(yīng)的撓度，t為單片玻璃的厚度，teq為真空玻璃等效厚度。

其中σt為單片玻璃對(duì)應(yīng)的應(yīng)力，σv為真空空玻璃等效厚度。

表3 不同真空玻璃等效厚度計(jì)算結(jié)果

由表3 可以看出，真空玻璃的長(zhǎng)寬尺寸對(duì)等效厚度影響不明顯，真空玻璃基片厚度對(duì)等效厚度有影響，且基片厚度越大，則其等效厚度系數(shù)(/t總)越小。無論按等撓度，還是等應(yīng)力計(jì)算，其等效厚度基本相同。通過上面分析，可得到如下重要成果：N3+V+N3 真空玻璃等效厚度系數(shù)可取0.95，N4+V+N4 真空玻璃等效厚度系數(shù)可取0.90，N5+V+N5 真空玻璃等效厚度系數(shù)可取0.85。

3 真空玻璃強(qiáng)度設(shè)計(jì)

雖然真空玻璃由兩片玻璃構(gòu)成，并且每片玻璃均有各自的中性層，但由于外載作用下真空玻璃兩基片變形協(xié)調(diào)，因此，對(duì)真空玻璃在風(fēng)載荷作用下應(yīng)力計(jì)算時(shí)，可把真空玻璃當(dāng)作一塊整體，采用等效厚度替代真空玻璃的總厚度進(jìn)行計(jì)算。

工程設(shè)計(jì)時(shí)，可參考規(guī)范中的普通玻璃的設(shè)計(jì)方法。對(duì)于四邊彈性支撐的真空玻璃門窗或幕墻，按我國(guó)目前的設(shè)計(jì)規(guī)范，采用最大應(yīng)力設(shè)計(jì)時(shí)，玻璃板中心的最大應(yīng)力計(jì)算公式如下：

其中：σ為風(fēng)載荷作用下玻璃的最大彎曲應(yīng)力，MPa；q為風(fēng)載荷設(shè)計(jì)值，MPa；a為矩形玻璃板短邊邊長(zhǎng)，mm；b為玻璃板的長(zhǎng)邊邊長(zhǎng)，mm；t為玻璃板厚度，mm；φ為彎曲系數(shù)，與邊長(zhǎng)比a/b有關(guān)，見表4。

因此，在風(fēng)載荷作用下，引起真空玻璃板中心最大應(yīng)力計(jì)算公式如下：

由于兩片玻璃之間的空腔被抽成真空，大氣壓差作用會(huì)導(dǎo)致真空玻璃內(nèi)部存在不可忽視的應(yīng)力。這些應(yīng)力主要分布在以下幾個(gè)區(qū)域：(1)支撐物處玻璃上表面的拉應(yīng)力；(2)支撐物內(nèi)部壓應(yīng)力；(3)支撐物處玻璃內(nèi)表面接觸應(yīng)力。因此，真空玻璃在風(fēng)載荷作用彎曲下，玻璃表面最大拉應(yīng)力應(yīng)為彎曲張應(yīng)力和支撐物處玻璃上表面的拉應(yīng)力之和(見圖3)。支撐物處玻璃上表面的拉應(yīng)力與支撐物直徑，排列間距和玻璃基片厚度有關(guān)，計(jì)算公式為[13]：

表4 φ 值

其中m、n分別為真空玻璃支撐點(diǎn)的橫向和縱向距離，h為玻璃基片厚度，r為支撐物半徑，β、β1與m/n有關(guān)，當(dāng)m/n=1時(shí)，β=-0.238，β1=0.2874，F(xiàn)=q0ab，q0為大氣壓(105Pa)。

因此，真空玻璃在風(fēng)載荷作用下玻璃外表面最大拉應(yīng)力計(jì)算公式如下：

目前，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范規(guī)定了不同玻璃品種的設(shè)計(jì)強(qiáng)度，比如5mm 厚普通浮法玻璃中部設(shè)計(jì)強(qiáng)度為24MPa。因此，對(duì)于用普通浮法玻璃為基片的真空玻璃，其設(shè)計(jì)載荷為：

這里σmax取 24MPa。

圖3 真空玻璃在風(fēng)載荷及大氣壓差作用下應(yīng)力分布圖

4 結(jié)論

1) 真空玻璃強(qiáng)度與剛度不如與其同尺寸的普通玻璃。

2)真空玻璃等效厚度與玻璃基片厚度有關(guān)，但與玻璃長(zhǎng)寬尺寸幾乎無關(guān)。真空玻璃等效厚度系數(shù)：3mm 玻璃基片為0.95，4mm 玻璃基片為0.90，5mm 玻璃基片為0.85。

3)真空玻璃強(qiáng)度設(shè)計(jì)需要考慮大氣壓引起的玻璃外表面支撐張應(yīng)力影響。

[1]R.E.Collins,S.J.Robinson.Evacuated glazing.Solar Energy,1991,47 (1):27-38.

[2]龍文志.新型節(jié)能幕墻:真空玻璃幕墻.建設(shè)科技,2005,20(5):8-10.

[3]L.Wullschleger,H.Manz,K.G.Wakili Finite element analysis of temperature-induced deflection of vacuum glazing.Construction and Building Materials.2009,23:1378-1388

[4]Y.P.Fang,T.J.Hyde,N.Hewitt.Predicted thermal performance of triple vacuum glazing.Solar Energy,2010,84:2132-2139.

[5]H Manz,S Brunner,L Wullschleger.Triple vacuum glazing:heat transfer and basic mechanical design constraints.Solar Energy,2006,80:1632-1642.

[6]N.NG,R.E.COLLINS,L.SO.Characterization of the thermal insulating properties of vacuum glazing.Materials Science and Engineering (B),2007,138(2):128-134.

[7]H.Miao,R.H.Zhang,J.H.Gao.Study on the mechanism of conductive and convective heat transfer in vacuum.Glass,2007,02:158-164.

[8]張瑞宏,馬承偉,張俊芳.真空玻璃技術(shù)在溫室工程中的應(yīng)用分析.農(nóng)機(jī)化研究,2005,03:187-191.

[9]J.Wanga,P.C.Eamesa,J.F.Zhaob,T.Hydeb,Y.Fangb.Stresses in vacuum glazing fabricated at low temperature，Solar Energy Materials &Solar Cells,2007,91:290-303.

[10]劉小根，包亦望，許海鳳，王秀芳.真空玻璃支撐壓痕控制準(zhǔn)則.材料科學(xué)與工藝.，2010，18(06)：878～882.

[11]玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范.JGJ102-2003[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社.2003.

[12]S TIMOSHENKO,S W-KRIEGER.Theory of plates and shells[M].New York:McGraw-Hill Book Co,1977.22-23

[13]劉小根，包亦望，邱巖，萬(wàn)德田，許海鳳.安全型真空玻璃結(jié)構(gòu)功能一體化優(yōu)化設(shè)計(jì).硅酸鹽學(xué)報(bào),2010,38(07):1310-1317.