徐自林， 張二毛， 張喜德,3， 江佳霖

(1. 廣西大學土木建筑工程學院，廣西 南寧 530004; 2. 南寧高速公路建設(shè)發(fā)展有限公司, 廣西 南寧 530023; 3. 工程防災(zāi)與結(jié)構(gòu)安全教育部重點實驗室，廣西 南寧 530004)

0 引 言

作為一種外圍護結(jié)構(gòu)，玻璃幕墻以曲面為美，由于冷彎成型法可以在常溫下將玻璃彎曲成所需的形狀，而且擁有成型效果好、成本低、能耗低和光學性能良好的優(yōu)勢[1]，因而有許多玻璃幕墻項目采用此方法進行施工。因為冷彎時玻璃發(fā)生的是彈性變形，因此其內(nèi)部會存在永久應(yīng)力[2]。由玻璃與硅酮膠、間隔條、丁基膠等間隔材料粘結(jié)而成的中空玻璃，間隔材料的剪切模量對其冷彎力學性能有重要影響[3]，并且在冷彎時其應(yīng)力和變形狀態(tài)相比于普通單片玻璃更加復(fù)雜，對此， Besserud[4]等研究了冷彎中空玻璃的耐久性，P?lzl[5]通過數(shù)值模擬的方法研究了中空玻璃在單曲率和雙曲率冷彎下的力學性能，張喜德[6]等通過試驗和有限元模擬研究了耦合均布荷載等因素對冷彎中空玻璃力學性能的影響。但是，現(xiàn)有的關(guān)于冷彎中空玻璃的研究較少，而且各試驗研究中主要采取傳統(tǒng)電阻應(yīng)變法測量其應(yīng)力，這極大地限制了冷彎中空玻璃的應(yīng)用與發(fā)展。

由于光纖擁有抗干擾強、體積小、質(zhì)量輕、耐腐蝕、可靠性好等特性[7]，因此其被廣泛應(yīng)用于土木工程領(lǐng)域，如Zhang等通過分布式布里淵光纖研究了路基的沉降行為[8]，提出了一種監(jiān)測路基沉降的方法；馮其瑞等采用分布式光纖傳感技術(shù)監(jiān)測了高強筋活性粉末混凝土梁裂縫的發(fā)展[9]；張峰和裴華富研發(fā)了一種用于監(jiān)測邊坡位移的分布式光纖原位測斜儀[10]。雖然分布式光纖被廣泛應(yīng)用，但是在國內(nèi)未發(fā)現(xiàn)有學者使用光纖研究冷彎玻璃的力學性能，在國外也鮮有發(fā)現(xiàn)，只有Thiemo Fildhuth等利用光纖傳感器監(jiān)測了冷彎夾層玻璃的內(nèi)部應(yīng)力[11]。

基于上述認識，本文對冷彎中空玻璃板的力學性能進行研究，利用分布式光纖的特點測量冷彎應(yīng)力，以便在分析中空玻璃板在冷彎時沿光纖長度方向的應(yīng)力分布規(guī)律及大小方面取得更好的實驗效果。

1 分布式光纖的應(yīng)力測量原理

在布里淵光時域分析（BOTDA）技術(shù)中，位于光纖兩端的可調(diào)諧激光器分別將一泵浦光和探測光注入光纖，當泵浦光和探測光的頻率差恰好等于光纖某區(qū)域的布里淵頻移時，在該區(qū)域就會產(chǎn)生布里淵受激放大作用，兩光束之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。由于布里淵頻移與應(yīng)變、溫度存在良好的線性關(guān)系，因此在對兩激光器的頻率進行連續(xù)調(diào)節(jié)時，根據(jù)檢測光纖一端耦合出來的連續(xù)光的功率，就可以確定光纖各小段范圍內(nèi)能量轉(zhuǎn)移達到最大時所對應(yīng)的頻率差，從而得到應(yīng)變和溫度信息，實現(xiàn)分布式測量。當環(huán)境溫度變化較小時，可以忽略溫度對布里淵頻移的影響，根據(jù)式(1)計算光纖的應(yīng)變值。

在試驗中采用艾爾訊集團專門定制的裸光纖，其應(yīng)變系數(shù)C1根據(jù)閆繼送[12]等人的研究成果，取值為 0.051 1 MHz/με。由于試驗在室內(nèi)進行，通過空調(diào)控制室溫，使冷彎過程中室溫保持在25℃±2℃范圍內(nèi)，環(huán)境溫度變化較小，因此可按式(1)計算試驗中光纖各測點的應(yīng)變值。

根據(jù)分布式光纖采集到的應(yīng)變數(shù)據(jù)以及玻璃的彈性模量可計算出冷彎中空玻璃板沿光纖長度方向的應(yīng)力σ，玻璃的彈性模量值根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》取為72 000 MPa。

2 試驗設(shè)計

2.1 試件設(shè)計

中空玻璃由玻璃板和間隔材料構(gòu)成，如圖1所示，為便于分析與描述，對圖中玻璃板的四個大面進行命名，規(guī)則如下：“T”“D”分別表示上、下片玻璃，“1”“2”分別表示每片玻璃的上、下表面。例如，“D-1”面表示下片玻璃的上表面。

圖1 中空玻璃的構(gòu)造

根據(jù)中空玻璃的組成，研究玻璃厚度、空腔厚度和冷彎半徑這3種因素對冷彎中空玻璃板長邊邊緣處應(yīng)力分布的影響，每種因素取3個水平，按正交試驗方法，共制作9個試件，試驗方案見表1，表中t表示玻璃厚度，tc表示空腔厚度，r表示冷彎半徑。參考實際工程中玻璃幕墻的規(guī)格，每一塊中空玻璃的尺寸都采用 1 200 mm×600 mm；根據(jù)中空玻璃板的常用厚度，玻璃厚度t采用 4.6 mm、5.0 mm和 6.0 mm；空腔厚度tc按規(guī)范 JGJ 102—2003 采用9 mm、12 mm 和 15 mm；冷彎半徑r采用 12 m、18 m 和 24 m。

表1 試驗方案

2.2 測點布置

為了研究冷彎后沿玻璃板長邊邊緣處的應(yīng)力分布規(guī)律及大小，用分布式光纖對各冷彎中空玻璃板內(nèi)面（T-2、D-1面）的應(yīng)力進行采集。分布式光纖的布置如圖2所示，由圖中可知1號和2號光纖分別布置于T-2、D-1面。光纖的空間分辨率取為5 cm，按每5 cm取一個應(yīng)力測點，并從固定端的A點往冷彎端的B點依次對測點進行編號，由于試件長1 200 mm，所以每根光纖共有24個應(yīng)力測點。根據(jù)試件的邊界條件及加載方式，試件關(guān)于X軸對稱，故只在玻璃板的一條長邊邊緣布置光纖，同時在四個角點和長邊中點布置有電阻應(yīng)變片，如圖2所示，用于驗證試件的對稱性以及與光纖所測的應(yīng)力值作對比分析。此外，采用百分表對玻璃冷彎過程中的位移進行測量，在玻璃板的中部和兩端各布置3個位移測點，通過位移的監(jiān)測來控制冷彎位移的加載。

圖2 光纖及應(yīng)變片的布置（單位：mm）

2.3 試驗方法

設(shè)計并制作一個專門的試驗裝置，用于模擬玻璃幕墻的支承結(jié)構(gòu)和中空玻璃的冷彎位移加載，如圖3所示。該裝置主要由底座、鋼橫梁和曲邊支承梁組成，其中，曲邊支承梁采用印尼菠蘿格木材進行制作，實物如圖4所示。當玻璃被加載到與曲邊支承梁貼合時即可得到相應(yīng)的冷彎半徑。

圖3 冷彎試驗裝置

圖4 曲邊支承梁（單位：mm）

在加載前先用夾具將試件的一端固定在冷彎試驗裝置的鋼橫梁上，再放置鉛塊于試件的另一端，通過鉛塊的重力來實現(xiàn)玻璃板冷彎位移的加載。加載過程中采用分級加載的方式，每塊鉛塊的質(zhì)量為4.9 kg，每級荷載取2塊鉛塊對稱放置于玻璃板冷彎端，試件的冷彎狀況如圖5所示。試驗過程中采用日本Neubrex公司生產(chǎn)的NBX-6050A光納儀對布置在試件內(nèi)面長邊邊緣的光纖進行數(shù)據(jù)采集，光納儀如圖6所示，該光納儀在空間分辨率上可達到5 cm，應(yīng)變測量的精度可達到±7.5 με，采樣間隔為5 cm，應(yīng)變測量范圍為-30 000～40 000 με。由于中空玻璃板具有微小的滯彈性，所以在每級冷彎位移加載結(jié)束后，等待15 min再采集數(shù)據(jù)。

圖5 冷彎狀況

圖6 NBX-6050A光納儀

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 應(yīng)力分布

將玻璃板四個角點處應(yīng)變片所測沿長邊方向的應(yīng)力值進行對比，發(fā)現(xiàn)布置有光纖的兩個角點與另外兩個角點的應(yīng)力偏差在8.33%之內(nèi)，表明在冷彎試驗過程中中空玻璃板關(guān)于X軸具有良好的對稱性。根據(jù)分布式光纖采集到的數(shù)據(jù)可繪制冷彎中空玻璃板沿光纖長度方向的應(yīng)力分布圖，如圖7所示，圖中應(yīng)力以拉為正，以壓為負。

圖7 玻璃板上光纖所測的應(yīng)力分布圖

由圖中可知，分布式光纖在測量冷彎中空玻璃板的應(yīng)力分布時出現(xiàn)了小幅波動，這主要是受到儀器測試誤差的影響，總體上看，實驗數(shù)據(jù)較為完善，測量效果也比較好，說明分布式光纖可以較準確地測量冷彎中空玻璃板的應(yīng)力分布；最大應(yīng)力值出現(xiàn)在長邊中點，并由中部向兩端逐漸減小，試件在彎曲狀態(tài)下的應(yīng)力表現(xiàn)出上拉下壓、中間大兩邊小的分布規(guī)律。

根據(jù)冷彎試驗結(jié)果，最大試驗應(yīng)力值如表2所示，從表中可以看出最大應(yīng)力值出現(xiàn)在冷彎半徑最小的試件3，而且冷彎半徑不同，應(yīng)力值相差很大，表明冷彎半徑對應(yīng)力的影響很顯著。

表2 最大應(yīng)力值

3.2 極差分析

按正交法設(shè)計的試驗結(jié)果需進行極差分析來確定各影響因素的重要程度。由于最大應(yīng)力值出現(xiàn)在T-2面的1號光纖，所以只分析各因素對T-2面長邊邊緣處最大應(yīng)力的影響。極差R分析的結(jié)果見表3，表中（j=1,2,3）表示各因素在水平j(luò)上的平均值，由表中可知，冷彎半徑對應(yīng)的極差為15.24，空腔厚度與玻璃厚度的極差分別為0.86和0.46，后兩種因素的極差比冷彎半徑的小很多，因此，在所研究的因素中，冷彎半徑對冷彎應(yīng)力的影響最大。

表3 T-2面各因素的最大應(yīng)力極差

3.3 冷彎半徑的影響

根據(jù)正交試驗結(jié)果，不同冷彎半徑下冷彎中空玻璃板長邊最大應(yīng)力值變化情況見表4，由表中可知，當冷彎半徑從 12 m 增加到 24 m 時，T-2、D-1面應(yīng)力分別減小50.40%、42.49%，說明隨著冷彎半徑增加，最大應(yīng)力會有明顯的下降。

表4 冷彎半徑對最大應(yīng)力的影響

3.4 空腔厚度的影響

試驗結(jié)果中空腔厚度的變化與冷彎中空玻璃板長邊最大應(yīng)力值的關(guān)系見表5，由表中可知，隨著空腔厚度的增加，最大應(yīng)力值也增加，當空腔厚度從9 mm 增加到 15 mm 時，T-2、D-1 面應(yīng)力分別增加3.77%、5.00%。與冷彎半徑影響相比，空腔厚度對最大應(yīng)力影響較小，這主要是由于中空玻璃的剛度雖然隨著空腔厚度增大而有所增加，但是形成空腔的間隔材料是一種粘彈性材料，其剪切剛度較小，對玻璃板的應(yīng)力影響很小，因此其應(yīng)力增幅較小。

表5 空腔厚度對最大應(yīng)力的影響

3.5 玻璃厚度的影響

玻璃厚度的變化對冷彎中空玻璃板長邊最大應(yīng)力值的影響見表6，由表中可知，隨著玻璃厚度的增加，最大應(yīng)力值也增加，當玻璃厚度從4.6 mm增加到 6.0 mm時，T-2、D-1面最大應(yīng)力值分別增加1.99%、2.79%，說明玻璃厚度對最大應(yīng)力的影響很小。由于玻璃厚度增加，中空玻璃板的剛度也會隨著增加，但玻璃厚度的變化較小，因此玻璃板的應(yīng)力增幅也很小。

表6 玻璃厚度對最大應(yīng)力的影響

3.6 光纖與電阻應(yīng)變片的應(yīng)力對比分析

根據(jù)最大應(yīng)力所在位置，將位于長邊中點的應(yīng)變片（與光纖關(guān)于X軸對稱）與光纖相應(yīng)測點所測的應(yīng)力值進行對比分析，對比結(jié)果見表7，其中應(yīng)變片所測的應(yīng)力值對比的是光纖測點12與測點13之間的應(yīng)力均值。由表中可知光纖與應(yīng)變片所測應(yīng)力的相對誤差在8.86%之內(nèi)，經(jīng)計算可得兩種測量方法的相對誤差平均值為4.74%，誤差較小，而且分布式光纖所測的應(yīng)力均比應(yīng)變片所測的大，出現(xiàn)這種現(xiàn)象主要是因為分布式光纖離玻璃板的邊緣更近，邊緣的應(yīng)力更大，故光纖所測的應(yīng)力值更大。以上說明分布式光纖的測量精度可以較好地滿足試驗要求，因此，采用分布式光纖測量冷彎中空玻璃板的應(yīng)力分布是可行的。

表7 光纖與應(yīng)變片的最大應(yīng)力值對比

結(jié)合分布式光纖的特點及試驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)在測量冷彎應(yīng)力時，分布式光纖測量法比傳統(tǒng)電阻應(yīng)變法更為方便與實用，同時可以較好地分析中空玻璃板在冷彎時沿光纖長度方向的應(yīng)力分布規(guī)律，并取得更完善的實驗數(shù)據(jù)。

4 結(jié)束語

1）分布式光纖測量中空玻璃板的冷彎應(yīng)力分布時有微小的波動，但是總體上能夠比較準確地反映冷彎應(yīng)力的分布情況。

2）冷彎半徑對冷彎應(yīng)力的影響遠大于空腔厚度和玻璃厚度，后兩者的變化較小，對冷彎應(yīng)力的影響很小。

3）分布式光纖與電阻應(yīng)變片在應(yīng)力測量上的相對誤差平均值為4.74%，光纖的應(yīng)力測量精度能較好地滿足試驗要求。

4）利用分布式光纖的特點測量冷彎應(yīng)力比傳統(tǒng)電阻應(yīng)變方法更為方便與實用，可以較好地分析中空玻璃板在冷彎時沿光纖長度方向的應(yīng)力分布規(guī)律，能取得更完善的實驗數(shù)據(jù)。