四边简支夹层玻璃受弯承载力试验研究及有限元分析(精)

1、建筑结构学报 JournalofBuildi ngStructures文章编号：1000 6869(2010)10 0114 06 第 31 卷第 10 期 2010 年 10 月Vol 31No 10Oct 2010016四边简支夹层玻璃受弯承载力试验研究及有限元分析陶志雄，张其林，陈 俊，陈 峻,谢步瀛3.华东建筑设计研究院有限公司，上海200002)11231(1同济大学建筑工程系，上海 2000922中国民航机场建设集团公司，北京110101;摘要:通过拉伸试验和剪切试验，得到了 PVB胶片的材料性能参数，并通过受弯承载 力试验，研究夹层玻璃的受力特点，进而分析PVB胶片的厚度、温度变

2、化对其承载 能力的影响。试验结果表明：胶片对夹层玻璃的受力性能有显著影响，且胶片的粘 结作用不能忽略，随着温度的升高，其承载力降低。运用ANSYS有限元软件对试验 模型的受力性能进行数值模拟，有限元计算结果与试验结果吻合较好。试验结果和 有限元分析结果均表明：现行国家规范关于夹层玻璃位移的计算值大于试验值和有 限元分析值,计算偏于保守。关键词:夹层玻璃；PVB胶片;材料性能；静力试验;数值模拟;受弯承载力中图分类号:TU382 TQ171 727 TU317 1 文献标志码:AExp ermie ntalstudy on flexuralca pacitya ndfini teeleme nt

3、a nalysis oflam in atedglasssm iplysupp ortedo nfoursidesTAOZhixio ngZHANGQili n,CHENJu n,CHENJu n,XIEBuyi ng(1.De partme ntofBuildi ngEn gi neeri ng,T on gjiU niversity,Sha nghai200092,Chi na;2. Ch in aAirportCo nstructio nGrou pCorporati on ofCAAC,Beiji ng110101,Chi na;3. EastCh in aArchitecturalD

4、esig n&ResearchI nstituteCo.,Ltd,Sha nghai200002,Chi na)112 31Abstract:Firstlythete nsio nan dsheartestofthematerialswerecarriedouto nP VBfilmsoastode termi neits propertyp arameters,a ndthe nthemai nfactorsaffecti ngtheflexuralca pacityofthela min atedglasssmi plys upp orted on foursideswerestu

5、diedbymea nsofflexuralex permie nts.Th eresultsshowthattheflexuralca pacityiscloselyrelatedtothefilma nditsadhesiveeffectsca nno tbeig nored.Asthei ncreaseofthete mp eraturethebeari ngcap acitydecrease.Further,theex per mie ntalresultshavegoodagreeme ntwiththosesmiulatedbyANSYS program.Co mp aris on

6、of exp ermie ntalresultswithcalculated on esi ndicatethatthecurre ntdesig ncodewillleadtoco nser vativeresultsa ndtheequivale ntthick nessoflam in atedglasses pro vided in thecodeshouldbefu rtherdiscussed.Keywords:lami natedglass; PVBfilm;material prop erty;statictest; nu mericalsmiulati on ;flex ur

7、alcapacity基金项目：国家自然科学基金项目(50978195)。作者简介：陶志雄(1978),男，湖北武汉人,博士研究生。E mai:lzhixiongtao163 com通讯作者:张其林(1962),男，江苏海门人，工学博士教授。E mai:lzhaqilinmail tongji edu cn收稿日期:2009年10月的方法测量夹层玻璃PVB胶片的弹性模量E试样0引言随着玻璃幕墙的快速发展，夹层玻璃作为一种安全性、装饰性较高的玻璃越来越多 地应用于高层建筑幕墙中。夹层玻璃是由两片或数片玻璃之间夹一层以聚乙烯醇 缩丁醛(PVB)或SGP胶片为主要成分的玻璃复合板1尺寸如图1所示。取胶

8、片厚度为1 14mm和2 28mm试件各16块，分别在常温 (20?)与高温(40?)条件下，通过微机控制电子万能(拉力)试验机与高低温箱来进行试验夹头PVBF¥ +卜 + + +,+试件画线 J试件®线+ P+呻+十*+彳+4+L 50100 (试件标距)L 50胶片试验夹头胶片的拉伸试验。，夹层厚度一般为0 76mm、1 14mm或2 28mm(0 38mm的倍数)。夹层玻璃是一种典型的复合板材，其工作 性能主要取决于内夹层胶片的抗剪刚度2。因此,PVB胶片传递剪力的图 1 试件尺寸 Fig.1 Dimensionofspecimen能力越强,夹层玻璃的受弯性能越高。目

9、前国内外对PVB材料的数据资料比较有限，Vallabhan等3提出了测量夹层玻璃PVB材料特性4在实际工程中，PVB胶片的应变一般不超过0 5,表1中列出拉应变小于0 5时，不 同试验条件下，PVB胶片拉伸应变和拉伸应力的平均值。表1 PVB胶片的拉伸应力应变试验值Table1 ExpermientresultsofPVBfiml stretch in gstress stra inv alue常温20?14mm胶片应力/MPa050 100 150 200 250 300 350 400 450 50260 370 520 670 820 951 101 261 461 5828mm 胶片应

10、力/MPa0 220 320 430 550 640 760 921 141 301 47拉应变1002高温40? 1 14mm胶片应力/MPa0 080 140 200 250 290 310 340 360 390 412 28mm 胶片应力/MPa0 060120 170 210 240 270 310 330 350 37（剪切模量）的方法，并且测定了不同温度条件下，PVB胶片的剪切模量。GR F等 给出了 PVB胶片剪切模量的试验值，并得出随着温度升高，承载时间持续，PVB胶片剪切模量G将减 小，夹层玻璃层间抗剪作用将减弱的结论。Vallabhan等对不同尺寸夹层玻璃进行相关的研究试

11、验，分析影响夹层玻璃性能的各种因素。并建立了三种理 论模型（即分离模型、整体模型和复合模型）来进行分析。近年来，国内研究者针对夹层玻璃进行研究。殷永炜等对点支式夹层玻璃的承载性能做了短期7加载和长期加载试验，得到夹层玻璃的承载性能受荷载持续时间影响较大的结论。 庞世红等明,现行玻璃幕墙工程技术规范的等效厚度低于实测值。我国现行玻璃幕墙工程技术规范没有考虑PVB胶片在夹层玻璃受弯承载中的作用，这主要是由于国内并未开展夹层玻璃 PVB胶片的材料力学性能的相关研究，缺 乏夹层玻璃中PVB胶片材料参数的试验数据，从而无法建立精确的夹层玻璃力学 模型。本文通过对PVB胶片进行拉伸和剪切试验，得到了 PV

12、B胶片的材料性能参数，为理 论分析提供试验数据支持，然后通过受弯承载力试验，研究了不同厚度、温度条件 下的四边简支夹层玻璃的受力特性，并与有限元软件模拟结果及现行玻璃幕墙工程 技术规范的计算结果进行比较，进一步探讨了 PVB胶片对夹层玻璃受弯性能的影 响。88通过试验研究了夹层玻璃的等效厚度及受弯性能，结果表中计算夹层玻璃通过对试验结果分析，拟合PVB胶片在常温(20?)和高温(40?)下的应力 应变关系 式为：常温(20?):6= ft 三 3.円E_ I If £三I 回 E+ 0. 18 =+(0# #0 5)=0 18(0# #0 2)(0 2< #0 5)式中：为PV

13、B胶片的拉应力，MPa;为PVB胶片的拉应变;E为胶片的弹性模量。1 1 2 PVB胶片剪切模量的测量目前,国内还未见到进行PVB剪切模量的有关试验研究。鉴于胶片受剪性能对夹 层玻璃的影响，本文在参照国外的试验研究方法3(1)1试验概况1 1 PVB胶片材料试验1 1 1 PVB胶片弹性模量的测量参照GB/T1040 92塑料拉伸性能试验方法！和 GB/T1455200夹芯结构或芯子剪切性能试验方法！的基础上开展了 PVB胶片剪切模量的试 验研究。夹层玻璃试样尺寸为 150mm? 273mm。厚度分别为 6mm+1 14mmPVB+6mm、6mm+2 28mmPVB+6mm。为了测量在荷载作用

14、下夹层玻璃胶片的剪切变形，在夹 层玻璃的两片玻璃上分别固定两个测点(图2),其位移之差即为胶片的剪切位移，由 剪切应力应变关系计算公式即可求出胶片的平均剪切应力与平均剪切应变。G1!=0 45!G2!-0 07=0 8!-0 07(0#!#0 2)(0 2<!#0 5)乡f测点测点-位移计测点1土式中：为PVB胶片的剪切应力，MPa;!为PVB胶片的剪切应变;G1为剪切应变在00 2范围内时，PVB胶片的剪切模量值;G2为剪切应变在0 20 5范围内 时,PVB胶片的剪切模量值。1 2夹层玻璃试件设计夹层玻璃试件的面板几何尺寸为1500mm夹S玻靖一、Cb）试验实物X三元乙丙胶条（玻璃塑

15、片）5）试验方案(ft)三维模型细®图玻«垫片 支承架玻璃垫片? 1500mm,厚度分别为 6mm+1 14mmPVB+6mm、6mm+2 28mmPVB+6mm(b)实物细部图。试件按厚度、试验温度(常温(20?)与高温(40?)分为4组，每组3块。每组试件 的构造组成如图3所示。为了防止夹层玻璃与钢支承架直接接触，在玻璃与钢支架 之间垫有玻璃垫片，其材质为三元乙丙，如图4所示。图2 试验装置Fig.2 Testset up表2 PVB胶片的剪切应力shearingstress strainvalue 常温20?应力/MPa针对常温(20?)和高温(40?)条件及胶片厚度

16、,试验用试件分为4组，每组8块，高温 (40?)试验在恒温试验室进行。表 2为剪切应变小于0 5时，不同试验条件下PVB 胶片剪切应变和剪切应力的平均值。Exp ermie ntresultso fP VBfiml试件模型 Fig.3 Modelofspecimen玻璃与钢支承架连接方式Connection betwee nglassa ndsteelbearerframe 加载方案应变值Table20 050 100150200250300350400450 500 070 12018023031039048054059071应力/MP a00400801502203103804405205

17、8067高温40?应力/MP a004006009012017022027031035040应力/MP a002004007010014017021024027030剪应变1 14mm胶片2 28mm胶片114mm胶片228mm胶片Fig.41 3对于一般的玻璃幕墙，主要承受风荷载作用。试验中风荷载模拟主要通过砂袋均匀 布置于夹层玻璃上。均布荷载逐级增加，量值分别为0 36kPa 0 71kPa1 07kPa 1 60kPa 2 13kPa 2 67kPa 3 20kPa、4 09kPa 4 98kPa。咼 温试验在恒温试验室进行，温度为40?。在每级荷载量值下分别测量各测点的挠度 和应变。1

18、 4测点布置试验主要测量在荷载作用下夹层玻璃的挠度，为此在玻璃上布置了 7个位移测点。 其中15号测点测量在各级荷载作用下，夹层玻璃各点的位移值。67号位移测点 测量在荷载作用下玻璃垫片的变形产生的位移，以修正15号的位移值，使其得到 准确的实际位移。其测点布置如图 5所示。根据试验结果，拟合到不同温度下PVB胶片的剪切应力 应变关系式为：常温(20?):=G1!=1 1!G2!-0 08=1 5!-0 08(0#!#0 2)(0 2<!#0 5)(3)高温(40?):116 J:位移计III “4 y 1 3 一一一 一1I*rkjn11:J375375 I 3753751500度与规

19、范值相比误差较大，并且随着荷载的增加，误差也越来越大，甚至达到100%, 这主要是因为规范没有考虑胶片对两片玻璃受弯承载力的影响 ，采用的简单叠置的 分离截面计算模型，故而按规范计算夹层玻璃跨中的挠度结果较试验值偏大。夹层玻璃不同计算模型测点布置Layoutofmeasuri ngpointsSim plifiedsketchoflami natedg图7图5Fig.5Fig.7T-规范值 -A试验值036 0/71 L07 1.602J32.67 3.20 4.09 4.98荷载/kPalass2试验结果及分析2 1试验现象荷载作用初期，夹层玻璃荷载 挠度曲线线性变化，随着荷载的增加，四个角

20、部逐渐 向上翘起，直至发生破坏。图6为四边简支夹层玻璃6mm+2 28mmPVB+6mm在均布荷载作用 下破坏情况,从图中可以看出，夹层玻璃在对角线上形成了四个塑性绞线。加载过 程中,胶片具有蠕变性能，在卸载后,:一厂f二"* 二 *7 1 : J%k. i .片严注I并不能完全恢复到初始状态。图8 6mm+1 14mmPVB+6mm夹层玻璃荷载 挠度曲线比较(20?)Fig.8 Comp aris ono fload deflecti on curves2 3不同温度工况下试验结果PVB胶片为有机化合物，受温度影响较大,试验研究了夹层玻璃在常温(20?)和高温(40?)条件下受力特

21、征，图9为6mm+1 14mmPVB+6mm夹层玻璃在不同温度(20?、40?)下，跨中挠度的试验值。图6夹层玻璃整体破坏情况Fig.6 Failurepattersoflaminatedglass2 2常温下试验值与规范值的比较图7为夹层玻璃不同计算模型，夹层玻璃的受弯性能介于整体截面和分离截面之间。当PVB胶片受剪刚度无穷大时，夹层玻璃的工作性能等同于整体截面，其分析 结果作为其承载性能的上限；当胶片的受剪刚度为零时，其工作性能等同于简单叠 加的分离截面，其分析结果作为夹层玻璃的承载性能的下限。图8为四边简支的6mm+1 14mmPVB+6mm夹层玻璃在常温(20?)下，玻璃试块中 点处的

22、挠度试验值与规范值的比较结果。由图8可以看出，在常温下，夹层玻璃跨中的挠图9不同温度下6mm+1 14mmPVB+6mm夹层玻璃荷载挠度曲线比较 Fig.9 Comparisonofload deflectioncurvesin differe ntte mp erature由图9中可以看出，在相同荷载作用下，常温(20?)下跨中挠度小于高温(40?)下的跨 中挠度，随着荷载的增加，挠度值差别逐渐增大。当荷载增加至 4 98kPa时,跨中挠 度相差2 5mm。2 4加载和卸载试验结果*加载阶段 亠载阶段O2 0 8 6 4 2 0II 1-图10为6mm+1 14mmPVB+6mm夹层玻璃在高

23、温(40?)下加载状态和卸载状态下, 夹层玻璃跨中荷载挠度关系关系曲线。试验表明，夹层玻璃在0.36 0,71 1.07 1.60 2.13 2.67 3.20 4.09 4.98荷载# kPa加的支座约束符合夹层玻璃镶嵌的实际情况，在比较大的载荷作用下，能够发挥玻 璃面板内的薄膜效应，符合几何非线性的特点。3 4有限元分析结果 通过ANSYS进行非线性有限元分析，提取夹层玻璃跨中挠度和应力值与试验结果 进行对比分析，表3给出了四边简支6mm+2 28mmPVB+6mm夹层玻璃面板在各 级荷载作用下跨中挠度试验值(平均图10加载、卸载状态荷载 挠度曲线比较Fig.10 Comparisonof

24、load deflectioncurveswithloadi nganduni oad ing值)以及有限元分析值。有限元分析结果与试验结果吻合较好,说明采用这种计算模型进行四边简支的夹层玻璃的力学分析能较好地 反应夹层玻璃的受力特性。表3夹层玻璃(6mm+2 28mmPVB+6mm)跨中挠度的试验均值、有限元分析值Table3 Laminatedglassexpermientalresultscriteriavalueandnumericalresultsofdeflectio n荷载/kPaO 360 711 071 602 132 673 204 094 98常温 20?/mm1 192

25、 403 485 046 467 809 0010 7212 20/mm1 242 513 665 346 868 249 4811 3012 850 040 040 050 060 060 040 050 050 05高温40?偏差值 0 150 060 070 080 090 090 100 070 07/mm1 893 124 636 327 789 1210 2012 2213 68/mm1 693 324 836 788 499 8911 2113 0214 63试验均值分析值偏差值试验均值分析值加载过程中,胶片具有蠕变性能，在卸载过程中，并不能完全恢复到加载前的初始状态。3有限元分

26、析3 1单元属性及网格划分采用考虑几何非线性ANSYS有限元分析程序对四边简支夹层玻璃进行模拟分析。夹层玻璃是由两层玻璃及胶片层组成的复合结构。对于复合结构，ANSYS可以采用SHELL单元和SOLID单元来模拟。但SHELL单元无法考虑PVB层间的相对滑移，计算结果较实际情况偏小。因此本文对玻璃、胶片的建模 采用位移耦合PVB层单元划分SOLID45三维实体单元，它是8节点6面体单元，由各向同性材料参数来定义9。进行有限元分析时,必须考虑胶片厚度对整个夹层玻璃性能的影响，在实际划分网格时，需要在玻 璃、胶片厚度的方向划分3个以上的网格，以满足计算的需要，如图11所示。注:偏差值=1分析值-试

27、验均值|/试验均值现行玻璃幕墙工程技术规范行计算，按式(5)(7)确定。8不考虑PVB夹层的作用，计算夹层玻璃挠度时，取玻璃的等效厚度进Wkadf=?#DEteD=212(1-?)34(6)3te=t1+t2(7)式中:df为在风荷载标准值作用下挠度最大值，mm;a为夹层玻璃短边长度，mm;D为 玻璃刚度,可根据图 11 有限元模型局部示意图 Fig.11 Localdetailoffi niteeleme ntmodel式(6)计算确定;t1为外层玻璃厚度,mm;t2为内层玻璃厚度,mm;te为夹层玻璃等效 厚度,可根据式计算;Wk为垂直于夹层玻璃平面的风荷载标准值，N/mm2;#为折 减系

28、数;?为挠度系数;E为玻璃3 2材料属性根据现行玻璃幕墙工程技术规范按本文试验结果取值。3 3边界条件对于四边简支的玻璃面板，短边在X、z方向上施加平动约束，长边在y、z方向上施 加平动约束。所施8，玻璃面板弹性模量,MPa;?为玻璃泊松比。取6mm+2 28mmPVB+6mm夹层玻璃面板，按规范8的弹性模量取值为72kPa,PVB胶片的物理性能参数设计公式进行计算，并与试验结果和有限元分析结果相比较，见表4。从表中可以看出，规范中关于夹层玻璃的挠度计算结果大 于试验值,计算结果偏于保守。表 4 夹层玻璃跨中挠度 Table4 Deflectionoflaminatedglass荷载a1 61

29、L. 901. 6KQ n0 7|SOI10?. Uft吃I.饷7.274. 614.肚(L 5K,L (ULU 346. 25吕HOIL 6?1 nlA 157. 75H.舶a 70已769. 07g 94Q 74LSla 23LI. 21(1 7S4 tW2L 7712. 2113.Q 7R4. *24洲JI 71L4. 6La a?跨中挠度 /mm 偏差 EngineeringFailureAnalysis,2008,6(1):1866 1875.2张其林.玻璃幕墙结构M.济南:山东科学技术出版社,2006.(Zha ngQili n.wallM.Ji nan:Chi nese)3 Va

30、llabhanCVGirja,Manjunatha.IaminatedglassJ.4 GR FH,DasYC,RamasamudraProp ertiesof PVBi nterlayerused inJournalofMaterialsi nCivilSACKMANNV,eta.lStructureofglasscerta inShandon gScie nceP ress,2006.( inEngin eeri ng,1992,4(1):71 76.ALBRECHTG,Structuralbehaviourofpoint supportedandclampedlaminatedglass

31、J.Structurallnternati on a,l2004(2):129 133.Engin eeri ng注:偏差值=1分析值-试验均值|/试验均值5 VallabhanCVGirija,MinorJosephEIE,NagallaS4结论通过对不同厚度，温度条件下四边简支夹层玻璃受弯承载力试验研究及有限元分析 可以得到以下结论：(1) 夹层玻璃随着荷载的增加，荷载位移曲线接近于线性。(2) PVB胶片对夹层玻璃的受弯承载力有重要影响，由于现行规范没有考虑胶片的 粘结影响,其关于四边简支夹层玻璃的位移计算值和应力值远大于试验值，偏于保 守，有必要对现行规范中夹层玻璃等效厚度的取值进行进一步研究。(3) 温度作用对PVB胶片的性能有显著影响，随着温度升高,夹层玻璃的抗弯刚度降低，强度也随之降低。(4) 夹层玻璃在加载过程中，胶片具