舒贛平 盧瑞華 李海云 石永久 王元清

(1東南大學(xué)土木工程學(xué)院，南京210096)

(2清華大學(xué)建筑玻璃與金屬結(jié)構(gòu)研究所，北京100084)

點(diǎn)支式玻璃結(jié)構(gòu)視野開(kāi)闊，通透性好，布置靈活，因而被廣泛應(yīng)用于建筑玻璃幕墻和采光頂.其在整個(gè)使用壽命期內(nèi)主要是承受大小和方向隨機(jī)變化的風(fēng)荷載作用，結(jié)構(gòu)一直處于微振動(dòng)環(huán)境下工作.對(duì)于點(diǎn)支式玻璃結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通常是按短期荷載的強(qiáng)度進(jìn)行.由于玻璃板在制備過(guò)程中就含有大量的Griffith裂紋，這些微觀缺陷可能在長(zhǎng)期荷載作用下成為玻璃損傷的起源，降低了玻璃的強(qiáng)度.在實(shí)際工程中，一些玻璃結(jié)構(gòu)在風(fēng)荷載幅值很大時(shí)(如遭遇臺(tái)風(fēng)或颶風(fēng)襲擊等)，會(huì)發(fā)生玻璃破碎，這引起了業(yè)內(nèi)學(xué)者對(duì)玻璃結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的斷裂性能的高度關(guān)注.

目前對(duì)造成玻璃脆性破裂的機(jī)理剖析進(jìn)行了相當(dāng)多的富有爭(zhēng)議的研討，但仍缺乏令人信服的理論結(jié)論.大部分學(xué)者都是通過(guò)試驗(yàn)研究，觀察玻璃的失效模式及伴隨的試驗(yàn)現(xiàn)象，如破壞起源點(diǎn)、玻璃碎片的大小等，來(lái)診斷玻璃破壞原因.引起玻璃破壞的原因主要有:玻璃受壓或玻璃的支撐構(gòu)件不穩(wěn)定造成玻璃屈曲破壞;玻璃受過(guò)大的拉應(yīng)力而斷裂;玻璃表面明顯的劃痕和玻璃制造期間殘留在玻璃內(nèi)的包含物(氣泡、鎳化硫等)導(dǎo)致玻璃過(guò)早破裂［1］.

玻璃在循環(huán)荷載作用下的疲勞稱為循環(huán)疲勞.玻璃疲勞的含義不同于金屬疲勞，它分為靜疲勞、動(dòng)疲勞和循環(huán)疲勞.到目前為止，國(guó)內(nèi)外對(duì)建筑玻璃疲勞方面的研究主要集中在靜疲勞和動(dòng)疲勞［2-5］，而在循環(huán)疲勞下的力學(xué)性能研究還處于起步階段，相關(guān)文獻(xiàn)資料甚少.德國(guó)學(xué)者Boxheimer等［6］對(duì)簡(jiǎn)支的鋼化玻璃板(500 mm×100 mm)在三點(diǎn)受彎下的循環(huán)疲勞性能進(jìn)行了初步研究，認(rèn)為采用三點(diǎn)受彎可以使鋼化玻璃板斷裂起源點(diǎn)基本出現(xiàn)在加載點(diǎn)附近，能夠減少玻璃表面加工狀況對(duì)玻璃疲勞強(qiáng)度，更好地確定循環(huán)荷載作用下的玻璃強(qiáng)度.試驗(yàn)表明:荷載頻率15 Hz，疲勞極限為2×106次的38塊鋼化玻璃板的循環(huán)疲勞強(qiáng)度的平均值比不進(jìn)行疲勞試驗(yàn)同批次的10塊鋼化玻璃板強(qiáng)度的平均值低約10%.Sackmann等［7］對(duì)4塊兩對(duì)邊簡(jiǎn)支四點(diǎn)受彎PVB夾膠玻璃板(1 000 mm×360 mm)進(jìn)行了1×104次諧波循環(huán)，得到夾膠玻璃板在循環(huán)荷載作用下其抗彎剛度沒(méi)有下降的結(jié)果［7］.石永久等［8］進(jìn)行了3塊點(diǎn)支式單層鋼化玻璃板和3塊夾膠玻璃板在集中力下的高頻疲勞試驗(yàn)研究，結(jié)果表明:荷載頻率25 Hz，試件經(jīng)過(guò)2×106次疲勞循環(huán)后，試件及連接件均未出現(xiàn)斷裂;在疲勞加載后的靜載破壞試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，玻璃的極限抗彎承載力幾乎沒(méi)有減弱.為了更全面了解點(diǎn)支式玻璃結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，本文進(jìn)行了點(diǎn)支式鋼化玻璃板和夾膠玻璃板在板中受集中荷載作用下的循環(huán)疲勞試驗(yàn).

1 試驗(yàn)方案

為確定材料或構(gòu)件的疲勞特性，通常采用一組標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行疲勞試驗(yàn)以獲得等幅循環(huán)最大荷載-循環(huán)次數(shù)(S-N)曲線，即分別在給定的循環(huán)應(yīng)力下對(duì)每個(gè)試件進(jìn)行試驗(yàn)，記錄試件破壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)N.

1.1 試件設(shè)計(jì)

試驗(yàn)采用的玻璃板尺寸為1 m×1 m，孔口直徑36 mm，孔邊距100 mm.緊固件為香港堅(jiān)朗的浮頭式駁接頭.夾膠玻璃板由兩片鋼化玻璃夾一層PVB膜熱壓成型.設(shè)計(jì)了4組試件進(jìn)行靜載試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)，試件編號(hào)及相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1，其中試件JC-n和JZ-n用于靜載破壞試驗(yàn)，DCA-n和DZ-n用于疲勞試驗(yàn)，其中，n為試件編號(hào).

表1 試件編號(hào)及參數(shù)

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)在MTS244.31型疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，該試驗(yàn)機(jī)最大加載能力為250 kN，加載頻率為0～20 Hz.

玻璃試件通過(guò)4個(gè)駁接頭安裝在下部支承鋼架上，加載頭底面中心焊接一直徑為60 mm鋼半球，以便在玻璃板中心施加集中荷載.為了避免鋼球與玻璃板的剛性接觸，在玻璃板中心墊一塊厚度為3 mm、邊長(zhǎng)30 mm的正方形橡膠片，試驗(yàn)加載裝置如圖1所示.

圖1 加載裝置

1.3 試驗(yàn)方法

1)疲勞試驗(yàn)頻率和波形.f=2 Hz，正弦波.

2)加載方式.靜載試驗(yàn)和疲勞試驗(yàn)均采用面外板中心集中加載.由于疲勞試驗(yàn)機(jī)在加載低于2 kN時(shí)，荷載控制有時(shí)不夠穩(wěn)定，易產(chǎn)生共振，因而試件最小荷載均定為2 kN.

3) 疲勞極限.取N=5×105作為疲勞極限［9］.

4)測(cè)點(diǎn)布置和數(shù)據(jù)采集.玻璃面板的最大主拉應(yīng)力可能出現(xiàn)在板下表面中心，最大撓度也在板中心.玻璃板下表面的測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示，其中，測(cè)點(diǎn)A為靜態(tài)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，B為動(dòng)態(tài)應(yīng)變測(cè)點(diǎn)，C為位移測(cè)點(diǎn).板中心撓度由MTS疲勞試驗(yàn)機(jī)不間斷自動(dòng)采集.測(cè)點(diǎn)C1，C2和C3的位移由位移計(jì)測(cè)出.

為獲得試件在整個(gè)循環(huán)加載過(guò)程中的應(yīng)變變化規(guī)律，采用DH3817動(dòng)態(tài)應(yīng)變采集儀不間斷測(cè)量動(dòng)態(tài)應(yīng)變.另外，在荷載循環(huán)到一定次數(shù)后暫停加載，卸載至零后，分級(jí)加靜載，采用靜態(tài)應(yīng)變儀采集其靜態(tài)應(yīng)變，而后繼續(xù)加循環(huán)荷載.

圖2 測(cè)點(diǎn)布置及編號(hào)圖(單位mm)

2 試驗(yàn)現(xiàn)象

靜載和疲勞試驗(yàn)中鋼化玻璃和夾膠玻璃所有試件破壞均在板中心附近首先破裂，然后迅速向四周呈放射狀擴(kuò)散直至整片玻璃.夾膠玻璃試件疲勞破壞時(shí)既有2片幾乎同時(shí)破壞，又有僅下片破壞的.夾膠玻璃只有下片疲勞破壞時(shí)，卸載后試件幾乎沒(méi)有撓度.圖3是夾膠玻璃板僅下表面破壞時(shí)板中心局部詳圖，圖中黑線交叉點(diǎn)處為加載點(diǎn)，裂紋起始于圖中方框處，其破壞源不一定在加載點(diǎn)，而可能是在加載點(diǎn)附近.這是由于鋼化玻璃板和夾膠玻璃板內(nèi)有大量Griffith裂紋，微裂紋隨循環(huán)次數(shù)的增加而緩慢發(fā)展，玻璃內(nèi)某一薄弱區(qū)域的平均最大拉應(yīng)力達(dá)到其極限拉應(yīng)力，玻璃試件就發(fā)生高脆性破壞.鋼化玻璃和夾膠玻璃試件疲勞破裂的現(xiàn)象和靜載試驗(yàn)的破壞現(xiàn)象基本一致［10］.

經(jīng)循環(huán)荷載作用后，除駁接爪與玻璃接觸處的氟碳涂層有少量脫落和駁接頭球桿頭與底座套筒間轉(zhuǎn)動(dòng)更靈活外，未發(fā)現(xiàn)駁接頭的球桿有明顯的軸向位移.

圖3 夾膠玻璃破壞圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 靜載試驗(yàn)

鋼化玻璃和夾膠玻璃靜載破壞試驗(yàn)均采用逐級(jí)加載方法，結(jié)果見(jiàn)表2.由圖4可見(jiàn)，鋼化玻璃和夾膠玻璃的荷載-板中心撓度曲線呈非線性.鋼化玻璃和夾膠玻璃的最大拉應(yīng)力位于板下表面中心處，下表面各測(cè)點(diǎn)的主拉應(yīng)力均隨荷載的增大而線性增大，結(jié)果見(jiàn)圖5.試驗(yàn)表明，鋼化玻璃和夾膠玻璃破壞前一直處于彈性狀態(tài);破壞前，無(wú)任何征兆，呈現(xiàn)出高脆性破壞.

表2 鋼化玻璃和夾膠玻璃靜載破壞試驗(yàn)結(jié)果

圖4 靜載試驗(yàn)荷載-板中心撓度曲線

圖5 靜載試驗(yàn)荷載與測(cè)點(diǎn)應(yīng)力的關(guān)系

3.2 疲勞試驗(yàn)

3.2.1 鋼化玻璃疲勞試驗(yàn)

鋼化玻璃的疲勞破壞試驗(yàn)循環(huán)荷載與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系見(jiàn)表3和圖6.圖7為鋼化玻璃在循環(huán)加載過(guò)程中荷載-板中心撓度曲線.

表3 鋼化玻璃等幅循環(huán)下的試驗(yàn)結(jié)果

圖6 鋼化玻璃等幅循環(huán)次數(shù)與循環(huán)最大荷載關(guān)系

所有鋼化玻璃試件在循環(huán)過(guò)程中表現(xiàn)出的特性基本類似，從圖7中可得到:

圖7 鋼化玻璃循環(huán)荷載-板中心撓度曲線

1)首次循環(huán)前，先加靜載后卸載至零，卸載過(guò)程的荷載-撓度曲線沒(méi)有重復(fù)加載過(guò)程的軌跡.經(jīng)過(guò)十幾次循環(huán)后，加卸載的軌跡循環(huán)基本重合，循環(huán)荷載-板中心撓度曲線形狀相同，僅沿位移軸方向有微量平動(dòng).循環(huán)初期沿位移軸方向的移動(dòng)數(shù)值要大些，隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增量逐漸減小.這是由于固定駁接頭的支座孔洞比駁接頭球桿大2 mm，循環(huán)過(guò)程中球桿與支座產(chǎn)生了平動(dòng)，循環(huán)初期平動(dòng)值較大，以后逐漸減小.

2)無(wú)論是靜載破壞試驗(yàn)，還是疲勞循環(huán)試驗(yàn)，所有鋼化玻璃試件的荷載-板中心撓度曲線均呈弱非線性.

3)在整個(gè)循環(huán)過(guò)程中，鋼化玻璃試件的荷載-板中心撓度曲線的曲率和斜率幾乎沒(méi)有變化.即隨循環(huán)次數(shù)的增加，鋼化玻璃的抗彎剛度沒(méi)有明顯衰減.

4)鋼化玻璃在循環(huán)荷載最大值為10 kN時(shí)，循環(huán)時(shí)間為3～11 min，接近于靜載試驗(yàn);鋼化玻璃在8 kN時(shí)，沒(méi)出現(xiàn)循環(huán)疲勞破壞.通常S-N曲線是根據(jù)應(yīng)力比R=－1擬合繪制的，其他應(yīng)力比則根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行換算得到.由于玻璃的疲勞和金屬疲勞的特性截然不同，沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)公式可供選用.本次試驗(yàn)鋼化玻璃的應(yīng)力比在R=0.20～0.25范圍內(nèi)，其疲勞主要與循環(huán)最大荷載有關(guān);與循環(huán)荷載最小值關(guān)系不大.圖6中的直線表示擬合得到的S-N曲線(R=0.20～0.25)，采用指數(shù)函數(shù)表示為

5)鋼化玻璃經(jīng)過(guò)5×105次疲勞加載后，卸載至零，再加靜載至破壞，其靜載抗彎承載力沒(méi)有降低.

6)綜合鋼化玻璃試件在循環(huán)過(guò)程中其抗彎剛度幾乎沒(méi)有變化及試件DCA-7的實(shí)驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，鋼化玻璃在荷載低于其靜載平均破壞荷載的80%時(shí)，幾乎不會(huì)發(fā)生循環(huán)疲勞破壞.

3.2.2 夾膠玻璃疲勞試驗(yàn)

影響夾膠玻璃強(qiáng)度的因素要比單層鋼化玻璃復(fù)雜得多.夾膠玻璃的工作性能與夾層PVB的抗剪剛度密切相關(guān)，PVB的力學(xué)特性隨溫度和荷載持續(xù)時(shí)間而變化(見(jiàn)圖8)，呈現(xiàn)出線性黏彈性［11］.

圖8 PVB的剪切模量與溫度和時(shí)間的關(guān)系

夾膠玻璃試件共有18個(gè)，其中試件DZ-1～DZ-6的試驗(yàn)環(huán)境溫度為11～15℃，其余12個(gè)試件試驗(yàn)溫度為22～30℃.由圖8可知:溫度在10℃時(shí)，PVB的剪切模量在5 h內(nèi)由10 MPa迅速減少到2 MPa，而后隨持荷時(shí)間增長(zhǎng)，剪切模量緩慢減小;溫度在20～30℃范圍時(shí)，PVB的剪切模量在0.25～0.6 MPa之間，且在5 h之后，剪切模量基本保持不變.

夾膠玻璃的疲勞試驗(yàn)首先采用等幅循環(huán)加載，試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表4和圖9.

圖9(a)和(b)繪出了等幅疲勞夾膠循環(huán)破壞前或5×105次(達(dá)到5×105次沒(méi)有循環(huán)破壞的試件)循環(huán)時(shí)的循環(huán)荷載-板中心撓度曲線.試驗(yàn)環(huán)境溫度為11～15℃時(shí)，夾膠試件在循環(huán)過(guò)程中的荷載-板中心撓度曲線沒(méi)有明顯的滯回環(huán);而試驗(yàn)環(huán)境溫度為22～30℃時(shí)，有明顯的滯回環(huán).

表4 夾膠玻璃等幅循環(huán)下的試驗(yàn)結(jié)果

圖9 夾膠玻璃板等幅循環(huán)荷載-板中心撓度曲線

夾膠玻璃疲勞試件在整個(gè)循環(huán)過(guò)程中的荷載-板中心撓度曲線與鋼化玻璃板有以下不同:

1)夾膠玻璃疲勞試件的荷載-板中心撓度曲線在循環(huán)加載上升段呈線性關(guān)系.但與循環(huán)到一定次數(shù)后停止動(dòng)載，卸載至零后，再加靜載的荷載-板中心撓度曲線不同.由圖9(c)試件DZ-6在循環(huán)2×105次前和2×105次后加靜載的曲線可見(jiàn)，夾膠玻璃板在循環(huán)過(guò)程中抗彎剛度要大于卸載后再加靜載的剛度.而鋼化玻璃在循環(huán)過(guò)程中抗彎剛度與卸載后再加靜載的剛度一致.

2)圖9(d)為試件DZ-6在不同循環(huán)次數(shù)下的荷載-板中心撓度曲線，從圖中可看出，循環(huán)初期板的撓度增加較多，隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增量逐漸減小.這主要是由于試件的夾膠層PVB的剪切模量隨持荷時(shí)間的增加而隨之降低，表明夾膠玻璃的抗彎剛度在循環(huán)初期隨循環(huán)次數(shù)的增加而稍有降低.循環(huán)5×104次之后，板中心撓度，即板的抗彎剛度隨循環(huán)次數(shù)的增加幾乎不變.

夾膠玻璃經(jīng)過(guò)5×105次疲勞加載后，卸載至零，再進(jìn)行靜載破壞試驗(yàn)，其靜載抗彎承載力沒(méi)有明顯降低.

從鋼化玻璃等幅循環(huán)破壞和夾膠等幅循環(huán)破壞發(fā)現(xiàn)，在某一應(yīng)力水平下循環(huán)5×104次之內(nèi)沒(méi)有破壞，則在該應(yīng)力水平下很可能循環(huán)到5×105次.故試件DZ-10～DZ-15采用了逐級(jí)遞增的階梯加載方式，具體加載方式見(jiàn)表5.

階梯加載循環(huán)中，并沒(méi)發(fā)現(xiàn)階梯循環(huán)加載和等幅循環(huán)加載之間有明顯不同.由于試件的抗彎剛度在循環(huán)5×104次之后隨循環(huán)次數(shù)的增加變化不大，所以在階梯加載循環(huán)中，可只考慮循環(huán)破壞時(shí)對(duì)應(yīng)循環(huán)荷載級(jí)別下的循環(huán)次數(shù).圖10為夾膠玻璃循環(huán)次數(shù)與循環(huán)最大荷載之間的關(guān)系，圖中，階梯加載的疲勞壽命只計(jì)其循環(huán)破壞時(shí)對(duì)應(yīng)循環(huán)荷載級(jí)別下的循環(huán)次數(shù).

夾膠玻璃疲勞試驗(yàn)中，在某一應(yīng)力水平下循環(huán)破壞，可認(rèn)為其在低一級(jí)應(yīng)力水平下可循環(huán)5×105次.因此，本次試驗(yàn)共有15個(gè)試件，除 DZ-5外，計(jì)算夾膠玻璃的平均疲勞極限荷載至少為

其標(biāo)準(zhǔn)差為1.917 kN，變異系數(shù)11.47%.

圖10 夾膠玻璃循環(huán)次數(shù)與循環(huán)最大荷載關(guān)系

表5 試件在階梯循環(huán)加載下的破壞荷載

4 結(jié)論

1)點(diǎn)支式鋼化玻璃疲勞試件破壞前，撓度和應(yīng)力隨循環(huán)次數(shù)均沒(méi)有明顯變化，而是瞬間陡增，發(fā)生高脆性破壞.鋼化玻璃在循環(huán)荷載下荷載-板中心撓度曲線略呈非線性，且隨循環(huán)次數(shù)的增加鋼化玻璃的抗彎剛度沒(méi)有明顯變化.

2)點(diǎn)支式夾膠玻璃的疲勞性能在一定的溫度范圍內(nèi)，隨試驗(yàn)環(huán)境溫度的增加而減小.溫度在11～15℃范圍內(nèi)，沒(méi)有明顯的滯回環(huán);溫度在22～30℃范圍內(nèi)，有明顯的滯回環(huán).

3)點(diǎn)支式夾膠玻璃的等幅循環(huán)加載的荷載-板中心撓度曲線在循環(huán)初期撓度隨著循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大，但循環(huán)超過(guò)5×104次之后，板中心撓度幾乎不隨循環(huán)次數(shù)的增加而變化.

4)鋼化玻璃和夾膠玻璃經(jīng)過(guò)5×105次循環(huán)加載后，卸載至零，再進(jìn)行靜載破壞試驗(yàn)，其靜載抗彎承載力沒(méi)有明顯降低，表明鋼化玻璃和夾膠玻璃抗疲勞性能很好.

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