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真空平板玻璃风荷载应力研究 摘要 真空玻璃作为二十一世纪新型透光保温材料以其优良的抗老化性能、保温性 能、可见光透过和红外光反射性能而独占鳌头。对真空平板玻璃展开系统的研究， 使其在未来的节能降耗领域发挥巨大作用，其中研究真空平板玻璃在外界自然环 境作用下的应力是当前主要的研究工作。本文的研究对于真空玻璃在实际运用过 程中有一定的实用价值，对于真空玻璃在我国的研究和推广，有一定的社会和经 济价值。 本文对真空平板玻璃在风荷载条件下作了系统的、详实的理论研究和实验研 究，对真空平板玻璃特有的支撑结构进行了支撑应力场研究，同时，成功地测试 出了真空平板玻璃在风荷载作用下的最大和最小应力点。支撑结构应力的研究对 优化真空平板玻璃的支撑结构，增加其强度和可靠性，提高其使用寿命，都具有 重要意义。 ( 1 ) 本文对真空平板玻璃实际工作环境进行了模拟，得出了外部风速可改变 真空平板玻璃应力分布的结论，这对于材料测试标准中环境参数的制定提供了重 要的依据。 ( 2 ) 运用m a t l a b 软件进行编程，在程序提示下，通过输入真空平板玻璃风 压计算所需的参数值，得出真空玻璃所承受的风压。 ( 3 ) 用结点法及单、重三角级数法建立真空平板玻璃应力分布数学模型。 ( 4 ) 本文用有限元法分析已建立的数学模型，利用a n s y s 软件分析整块真空 玻璃的应力应变场，得出了精确的应力分布彩图，直观地表达了真空平板玻璃在 封边处、支撑处、支撑柱之间的连线中点处等重要部位的应力分布，并得出理论 计算与软件分析基本一致的结果。 关键词：真空，平板玻璃，风荷载，支撑应力 真空平板玻璃风荷载应力研究 a b s t r a c t a sn e 、一s t y l e ，n o n 1 i 曲tt i g h ta n di n s u l a t e dm a t e r i a lo ft h e21s tc e n t u r ) rt l l ev a c u 啪 g l a s sh e a dt h el i s to fs u c c e s s 伽c a n d i d a t e sb yv i r n j eo fe x c e l l e n tr e s i s t a i l c et 0a g e i n g ， t 1 1 e n l l a lr e t a r d a t i o n ，p e m e a t i o no fv i s i b l el i 出a 1 1 dr e n e c t i o no fi 心a r e dl i 班t h e 呛u u mp l a t e g l a s sw 嬲s y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c h e d ，w m c hp l a y e dan e m e n d o u sr o l ei n 如t u r ef i e l do fs a v i n ge n e 玛yr e d u c i n gl o s s r e s e a r c m n go ns t r e s so fm ev l c u 啪g l 嬲s u n d e re x t e m a la c t i o no fn a n 啪le n v 的姗e n ti st 1 1 em a i nr e s e a r c h 、v o r kt o d a y t l l i s r e s e a r c ho nt 1 1 ev a c u u m9 1 a s si nt h ep r o c e s so fa c t u a lo p e r a t i o nh a ds o m ep r t i c a lv a l u e ， 州c hl l a ds o m es o c i a la u l de c o n o m i cv a l u eo nr e s e 鲫c h 锄dp r o m o t i o no ft l l ev a u c u u m g l a s si n o u r c o u m 阱 t h i sa r t i c l em a d es y s t e m a t i c ，d e t a i l e dt h e o r e t i c a lr e s e a r c ha n de x p e r i m e n t a ls t l l d y o nt h ev a c u 眦p l a t eg l a s si n 血ec o n d i t i o no f 、v i n dl o a d s p e c i f i cs u p p o r t i n gs t r u c t u r eo f l ev a c 咖p l a t eg l a s sw 邪r e s e a r c h e do ns u p p o r t i n gs 吮s sf i e l d m e a i l t i m e ，m a ) 【i m a l 锄dm “m a ls n e s sp o i l l t so ft 1 1 ev a c u u mn a tg l a s sw e r e 伍硼叩l l a n t l yt e s t e do nt l l e d i 毹r e n tc o n d i t i o n so f 丽n dl o a d r e s e a r c l l i n g0 ns 仃e s so fs t m c t u r a ls u p p o r th a d s i g i l i f i c a n tm e 撕n gt 0o p t i m i z i n gs t m c 删s u p p o r to ft 1 1 ev a c u 啪p l a t eg l a s s ， i r l c r e a s i n gs n e n g t l l ，i n c r e 嬲i i 培r e l ia _ b i l i t ) r 锄ds e r v i c el i f e ( 1 ) 1 1 1 j sa n i c l es h u l a t e da c t i j a lw o r ke n v 衲m e n to fm ev a u c 删i i i lp l a t eg l 嬲s 1 k c o n c l u s i o nt h a ts u p p o r t i n gs 吮s so fm ev a c u 哪p la _ t eg l a s sw 髂c h 锄g e db ye x t e m a l 丽n dv e l o c 时、v 勰o b t a i n e d i i i l p o r t a n te v i d e n c e 、v 鹄p r o v i d e df o re s 诎i l i s k n g e i i r o m n e m a lp a r a m e t e r so ft e s ts t 锄d a r d so fm a t e r i a l s ( 2 ) m a t l a bs o 小v a r ew a su s e di 1 1p r 0 舒锄血n g u n d e rt h ep r o c e d u r ep r e s e m a t i o i l ， t l l e 、i n dp r e s s u r er e c e i v e db yt 1 1 ev a c u u mg l a s s 、弱o b t a i n e dt l l r o u g l li n p 眦i n g p a r a m e t e r so f 、杭n dp r e s s u i ec a l c u l a t i o no f 吐l ev a c u u mp l a t eg l a s s ( 3 ) a d o p t i n gt h en o d em 甜l o da 1 1 ds m g l e ，r n u l t i - p l yt r i g o n o m e t r i cs e r i e sm e t l l o dt o i i 真空平板玻璃风荷载应力研究 e s t a b l i s hm a t h e m a t i c a lm o d e lo fs t r e s sd i s t r i b u t i o no ft h ev a c u 啪p l a t e g l a s s ( 4 ) 1 1 1 i sa n i c l e 锄m y z e dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lb yt h ef i l l i t ee l e m e n tm e t l l o d d e f o n l l a t i o nf i e l do fs 仃e s so fm ew h o l ev a c u u mg l a s sw 嬲a u l m y z e db ya n s y s ，n l e c o l o r e dp i c t u 】陀so fa c c u r a t es 恤s sd i s t r i b u t i o n 、e r eo b t a j n e d s 仃e s sd i s t r i b u t i o no ft t l e i i n p o r t a ms i d ei si m m e d i a t e l ye x p r e s s e ds u c h 硒s e a l i n gs i d e ，s u p p o r t i r 培s i d ea n d 鲫p p o r t i n gp o l e ，锄d 廿l eb a l s i cc o i n c i d e n tr e s l l l to ft h em e o r i e sc a l c u l a t i o na 1 1 dt l l e s 0 仔w a r e 删y s i sw e r eo b t a j n e d k e y 、0 r d s ：v a c 删m ，n a t 甜a s s ，谢n dl o a d ，s u p p o r t i n gs t r e s s i i l 7 8 扬州大学硕士学位论文 扬州大学学位论文原创性声明和版权使用授权书 学位论文原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下独立进行研究工作所取得的研 究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表 的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。 本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 缪宕 签字日期：p 吕年3 月辨日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借阅。 本人授权扬州大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。同时授权中国科学 技术信息研究所将本学位论文收录到 中国学位论文全文数据库，并通过网络向 社会公众提供信息服务。 学雠文储签名掺宏导师签名：步竭乏一， 签字日期：孑年；月计日签字日期：2 伽f 年；月冲日 ( 本页为学位论文末页。如论文为密件可不授权，但论文原创必须声明。) 缪宏 真空平板玻璃风荷载应力研究 第一章绪论 真空平板玻璃作为最优良的透光保温材料，对它深入系统的研究和促进其产 业化进程将对日光利用与节能减排事业有十分重要的意义。由于真空玻璃制造技 术的高难度，和掌握制造技术的人数甚微，所以目前对真空玻璃系统的理论研究 才刚刚开始。 目前国内外大量研究的是关于同心圆玻璃真空管的应力测试及研究，平板玻 璃主要限于整个弯曲工况及加热后温差应力的研究，很多的文章对单层平板玻璃 和中空玻璃作为窗户和幕墙材料进行了风荷载应力研究，但对于风荷载条件下真 空平板玻璃这样特殊的支撑形式的整体应力分析研究尚未见到报导。本文对真空 平板玻璃作为窗户的实际工作环境进行了模拟并进行了试验研究，得出了外部风 速可以改变真空平板玻璃应力分布的结论，这为真空平板玻璃的应用校检及使用 寿命预测提供了第一手的数据资料，也为真空平板玻璃测试标准中环境参数的制 定提供了重要的依据。 1 1 真空平板玻璃相关问题的国内外研究进展 1 1 1 真空玻璃的制造研究进展 1 8 9 3 年，英国物理学家、化学家占姆士杜瓦发明了保温瓶。人们为了纪念他， 把保温瓶又称作“杜瓦瓶 。从此以后，科学家们就有一个梦想，什么时候能将 保温瓶技术应用到建筑玻璃窗上，要实现从杜瓦瓶到真空平板玻璃的飞跃，三大 难题摆在人们面前： 一是与杜瓦瓶不同，真空平板玻璃是一个小容积、大表面积而又狭窄扁平的 玻璃真空腔体，但又要快速抽真空以使残余气体降到可以对热传导忽略不计的程 度，并长期保持其真空度。 二是与杜瓦瓶圆柱体容易抗压不同，平板真空玻璃只有使用支撑物来承受 2 扬州大学硕士学位论文 1 0 5 n m 2 的压力，该支撑物使真空玻璃产品满足建筑玻璃设计标准所要求的强度和 寿命，这就必须对支撑物的物理化学性能以及几何形状、几何分布做出精心设计。 三是比杜瓦瓶更难的是，真空玻璃是门窗用透明材料，在抽气口、支撑物的 设计和选料上，要不影响透明和美观。 真空玻璃是中空玻璃的升级换代产品，运用了保温瓶的原理，在两片平行放 置的玻璃板之间形成空间，对该空间抽真空，使其形成真空层。有关记录真空玻 璃最早的文献出现在1 9 1 3 年n 1 。1 9 1 3 年世界第一个平板真空玻璃专利发布。科学 家们相继进行了大量的探索，诞生了一批专利，但是平板真空不像杜瓦瓶那样由 于真空所产生的大气压相互平衡，它必须要承受每平方1 0 吨的大气压力而不至于 使真空腔消失，平板真空保温技术与杜瓦瓶的另一个不同点就是它不可能只在一 侧让两块玻璃密封起来，它必顺在平板的四边大面积地封焊，且不能漏气，这在 生产工艺上要解决这些问题并非易事。 透明真空保温技术：1 9 2 1 年k i r l i n 提出一种设计，两块玻璃板由一排“凸块 支承，在一块平板玻璃的边缘附近没有压条，也没有弯曲区，以吸收窗户一侧的 热膨胀引起的相对于另一侧的移动乜1 。 w h a t t a n 和m y e r1 9 4 7 年有专利详细介绍了一种真空玻璃结构的生产工艺。缝 隙中放有熔点低于玻璃的条子，熔融操作在真空中进行。提出了内表面施以涂层， 减少辐射产生热流的可能性吩1 。 c h a l o n s1 9 7 6 年提出一种设计，它有一根抽成真空后加以密封的真空管，并 且提出两块玻璃之间的接触面积应很小，支承物用“大理石 制成心1 。 1 9 7 6 年f a l b e l 的专利也提出了真空管保温技术，在该技术中支承物间相距 2 5 m ，内表面镀银。他承认有内爆的危险，提出玻璃之间应留有小缝隙。隔层可 以用云母制成，高0 7 5 砌，面积为0 5 0 5m m 2 。他分析了应力状况，预言隔层 内压缩应力为2 0 0 m p a ，3 咖厚玻璃板内压缩应力o 7m p a ，声称传热性能是o 3 w m 2 水 2 】 o 1 9 7 7 年h e 珈a n n 和h o r s t e r 描述了一种新的保温结构，由一排密封的真空玻璃 管构成，玻璃管相互靠近，内表面上有低发射率涂层。这种结构的透光性很好， 缪宏真空平板玻璃风荷载应力研究 但视觉畸变厉害。 2 0 世纪8 0 年代起，世界对真空玻璃的研发逐渐活跃起来，其中有两个团体值 得一提。一个是美国克罗拉多太阳能研究所由d k b e n s o n 教授领导的真空玻璃 研究组，经过1 9 8 5 年1 9 9 1 年的实验，创立了许多值得让后人借鉴的技术理论、 思路和实验室数据。另一个是悉尼大学应用物理系r e c o l l i n s 教授1 9 8 9 年1 9 9 4 年领导的研究组，进一步改进工艺，1 9 8 9 年试制出样品，1 9 9 3 年研制出第一块 1 m 1 m 的实用真空玻璃，并申请了4 项专利。北京大学物理系原教授唐健正也是参 与者之一。其后，国内外研究者在此基础上又相继发表了许多专利、科研成果， 主要介绍玻璃板的支撑方法。人类在发明杜瓦瓶之后整整1 0 0 年，终于又发明了真 空平板玻璃。英国、希腊和日本等国的科学家也做了大量的类似研究。 1 9 8 0 年在c o p p l a 、k e n n y 等人的专利中提出了类似的概念，是一种太阳能集热 器真空保温法，也存在着视觉畸变问题瞳1 。 1 9 8 1 年a s s a r s s o n 登记了一份欧洲专利，涉及真空玻璃窗的生产方法，这种窗 户有许多支承物，生产时弄湿平板窗格玻璃的内表面，从而形成水漏型结构。两 块玻璃之间只需要大约0 3 3 姗小的缝隙，支承物面积也很小，只占用玻璃板表面 积的很小部份，因此只损失很少的一点儿透明度。文献中没有谈如何抽成真空和 怎样进行密封处理口1 。 1 9 8 8 年b e u t h e r 提出一种支承物新的固定方法，即用水与玻璃球或聚苯乙烯球 的混合物首先浸渍一块平板玻璃，把玻璃球或聚苯乙烯球随机固定在平板玻璃之 间。让水蒸发，留下玻璃球或聚苯乙烯球。另外玻璃板固定在顶部之前把边缘的 密封固定，边缘用铅条玻璃丝密封。通过加热把窗户熔化，并用抽气管抽成真空乜3 。 b a c h l i 在1 9 8 7 年的一份研究报告中对真空保温窗进行了全面的研究，为热膨 胀、真空的产生、边缘密封这样一些重要问是题提出了解决办法，认为必须采取 柔性边缘密封暖1 。 美国专利4 6 8 3 1 5 4 ( 1 9 8 7 ) 提出了一种真空保温窗户，有玻璃球支承物、边缘 激光焊接、低发射率涂层和吸气剂( 能使真空保持多年) 。1 9 8 4 年b e n s o n 等人提出， 利用集成球状支承物和低发射涂层，并将玻璃边缘全部密封，可以构成高效真空 4 扬州大学硕士学位论文 保温窗户。他们于1 9 8 5 年又研究了用c 0 2 气体激光器密封边缘的可能性，并且发现 在进行高温熔融的过程中只有极个别的低发射率涂层能够保持其所要求的性质。 1 9 8 6 年b e n s o n 等人详细地讨论过玻璃珠与平板玻璃间的接触、应力、风负载和热 传导率、窗框高度保温的重要性。1 9 8 7 年建成一种真空炉，使用了一具4 0 0 wc o ： 激光器，还有激光束控制机构。在真空下对边缘进行激光焊封，实践起来有很多 困难，但是最终制成了高度保温真空窗户瞳1 。 美国太阳能研究所1 9 9 0 年全面研究了真空保温窗对建筑物用能的影响，重点 是西北太平洋地区的节能，预言，每平方米这种窗户一年可节能7 0 0 m j 。他们指出 产业界是否接受这种窗户，主要取决于生产成本，设计和生产过程中的每个部分 在技术上都是可行的，但对真空中玻璃的激光焊接还要做进一步的研究乜1 。 1 9 9 2 年澳大利亚悉尼大学在“s 0 1 a re n e r g y ”上发表了研究论文，从理论和 实践上介绍了真空玻璃的原理和制造方法口1 。 日本板硝子玻璃公司最先引进该技术并于1 9 9 6 年在其京都工厂内建成真空玻 璃生产线，当时的年产量为6 万平方米，1 9 9 8 年4 月产量提高到2 4 万平方米，同年 在茨城县建材中心投资2 0 亿元，建设年产量2 4 万平方米的真空玻璃工厂，使该公 司真空玻璃的年产量接近5 0 万平方米，销额近1 0 0 亿日元h 1 。 图卜1日本板硝子真空玻璃结构图 缪宏真空平板玻璃风荷载应力研究 日本板硝子玻璃公司的产品为两层单真空腔玻璃，采用的玻璃表面封焊工艺 ( 面封) ，产品结构如图1 1 嘲，其产品的性能指标如表l 一1 5 | 。 表1 - 1日本板硝子产品性能 目前为止尚未检索出国外其他规模生产真空平板玻璃的企业。日本板梢子公 司是国外唯一一家将真空平板玻璃产业化的公司。韩国、法国、丹麦等国也在研 制真空玻璃但目前尚未达到工业化生产水平。 北京新立基真空玻璃技术有限公司是我国第一家专业致力于真空玻璃开发和 应用的高新技术企业。目前是我国唯一一家具有全套自动化真空玻璃生产线并且 能够规模化、产业化生产真空玻璃的企业。该公司采用环形支撑物，包括闭合环 形和开口环形代替圆柱形或类似圆柱形的实心支撑物，用“倒角封边 ( 上下片 玻璃尺寸相同而在倒角处封结) 代替“错台封边”来提高真空玻璃的性能。 扬州大学提出侧边封头工艺，该工艺可以使真空烘烤排气封头工艺提高生产 率1 0 0 多倍。日本板硝子公司的产品为表面封头( 面封) 工艺，其产品平面有一明 显的封头突起，不但外观不美且易于碰坏而引起真空失效，而扬州大学研制的产 品采用侧面封头( 侧封) 工艺，封头无明显外露，不但不易碰坏，而且外观平顺 光洁，增加美感。在工艺上创新地提出中间支撑柱整板放置方案：即先将支撑柱 放在模板上一次性整组放置在玻璃面上，同时用摄像头监控支撑柱的缺少情况， 这一工艺将大大减少中间支撑柱安放困难，减少工艺难度。该工艺比数控单粒支 撑柱摆放工艺提高效率1 0 0 多倍。 6扬州大学硕士学位论文 真空玻璃经过几十年的研究，已取得了很大的进展。支撑物材料及排列、封 边、封口、抽真空等技术逐步成熟，特别是支撑物材料己从玻璃发展到合金。支 撑物形状大多是圆柱状。此外，还有方状、椭圆形、线状、格子状等。制造支撑 物的材料可以是不锈钢、碳化钨钢、铬钢、铝合金、镍、钼、钽、陶瓷等4 1 。由 于玻璃板有厚薄差、波筋等，整个玻璃板不一定是平坦的，而支撑物的厚度是相 同的，玻璃的间隙就无法和支撑物厚度完全吻合。目前，解决上述问题最主要的 方法是采用能够塑性变形的支撑物。 由于真空平板玻璃在世界上仍属于刚刚起步，所以对于真空平板玻璃的论文 也大多局限于发展趋势、应用前景等综述性的，对于工艺上也只是探索性的，尚 没有系统的理论研究和工艺研究的论文。 1 1 2 透光保温材料的研究进展 表卜2不同类型玻璃的热阻及传热系数值 注：( 1 ) 浮法玻璃的传热系数按规范计算获得。 ( 2 ) 检测标准为g b l 0 2 9 4 和j i s r 3 1 0 6 。 缪宏真空平板玻璃风荷载应力研究 7 有机材料易老化、易于静电吸附尘埃，尘埃中的酸碱又进一步加速了材料的 老化，这导致p e 、p v c 、p e t p 这类材料的使用寿命一般为5 1 0 年，超过其寿命以 后，其透光率大幅度下降，大大影响了温室等农产品的品质“1 1 ，所以研制使用 期限( 1 0 年1 5 年) 更长的盖层一直是这个领域的重要课题嘧1 。由于上述原因，人 们近年来又不得不把研究视线放到玻璃盖层上，因为玻璃是透明物中不老化的材 料。在建筑行业，双层玻璃、中空充氩玻璃、l o w e 玻璃、l o w e 中空充氩玻璃相 继在上世纪8 0 年代和9 0 年代研制成功，目前正在推广应用之中，它们的传热系数田1 如表l 一2 所列。 目前已有l o w e 中空玻璃应用于花卉温室的实例，并且还有进一步发展的趋 势。但是中空玻璃由于夹层中仍有传热介质( 空气) ，传热系数仍然居高不下，最 理想的应该是将夹层中的空气抽去而形成真空玻璃，这样将会大大减少其传热系 数。 真空玻璃与中空玻璃相比保温性能更好，热阻更高，因此具有更好的防结露 性能和隔热节能。真空玻璃两片玻璃中间的真空层消除了传导与对流传热，使房 间与外界的热交换降到极限。真空玻璃具有如下性能优点： ( 1 ) 保温隔热性能 热量传递通过传导、对流、辐射3 种方式进行。真空玻璃中间的真空层将传导 和对流传递的热量降至很低，以至于可以忽略不计，低辐射膜玻璃可减少辐射传 热。 ( 2 ) 防雾防露 由于普通单片玻璃遇冷发生结露时，玻璃窗湿淋淋容易弄脏墙壁与地面，损 伤窗框，还为霉菌提供了生存空间，所以它已跟不上建筑市场的发展。中空玻璃 虽比单片玻璃有所进步，但因经常产生雾气或结露，影响采光和视野的清晰又无 法擦去而不能满足人们生活质量日益提高的要求。真空玻璃的出现则很好地解决 了这个问题。真空玻璃具有较好的隔热性能，室内一侧玻璃表面温度不易下降， 即使室外温度很低，也不易形成雾结露。此外，真空玻璃中间是真空层，绝不会 发生中空玻璃由于间隔中含有湿气，在降温时出现的内结露现象。 8 扬州大学硕士学位论文 ( 3 ) 隔声性能 由于真空玻璃特有的构造，对于声音的传播可大幅度降低，在整个音域范围 都可实现良好的隔音。在降低外界噪音传人同时，室内生活声音也不易外传，总 的隔音效果要比中空玻璃好，容易给人们创造一个温馨恬适的港湾环境。 ( 4 ) 抗风压性能 真空玻璃中的两片玻璃，通过支撑物牢固地压在一起，具有与同等厚度的单 片玻璃相近的刚性，一般来说它的耐风压性能是中空玻璃的1 5 倍们。 ( 5 ) 超长的耐久性 真空玻璃是一种新产品，目前国内外尚无相应标准，更无相应的测试方法。 真空玻璃又不同于中空玻璃。因此，不能完全按中空玻璃试验方法进行，而主要 参照g b l l 9 4 4 8 9 中空玻璃标准而拟定紫外线照射、气候循环、高温高湿度试验。 试验表明即使是在苛刻的条件下真空玻璃同样具有长期稳定耐久性能。 真空玻璃具有优异的保温隔热性能，其性能指标明显优于中空玻璃，一般的 单片玻璃传热系数是6 ，中空玻璃是3 4 ，真空玻璃的传热系数达到1 2 ，一片只有 6 i m 厚的真空玻璃，隔热性能相当于3 7 0 衄的实心黏土砖墙，隔声性能达到五星 级酒店的静音标准，相当于四砖墙的水平。由于隔热保温性能好，真空玻璃在建 筑上的应用将达到节能和环保的双重效果。据统计，使用真空玻璃后空调节能就 达5 0 ，与单层玻璃相比，每年每平方米幕墙、窗户可节约7 0 0 兆焦耳的能源， 相当于一年节约1 9 2 千瓦小时电，1 吨标准煤们。是目前世界上节能效果最好的 玻璃。 真空玻璃空间残余气体有少许对流和传导传热；间隔支柱的传导传热；边部 的传导传热。真空玻璃传热主要是辐射传热和边部传导传热。用镀有透明低辐射 膜玻璃做的真空玻璃，像杜瓦瓶镀银一样又大大降低了辐射传热。显而易见，真 空玻璃幕墙门窗是第三代幕墙门窗玻璃。是中空玻璃的2 倍，是单片玻璃的4 倍2 1 。 1 1 2 1 真空平板玻璃的制造工艺 真空平板玻璃的制造工艺是将两片玻璃板( 可以是浮法玻璃、夹丝玻璃、钢 化玻璃、压延玻璃、喷砂玻璃、吸热玻璃、紫外线吸收玻璃、热反射玻璃等) 洗 缪宏真空平板玻璃风荷载应力研究9 净，在一片玻璃板上以1 0 2 5 i i i l 的间隔放置高度为o 1 o 5 m m ，直径为0 3 1 o 衄n 的圆柱状支撑物或宽度为0 4 0 6 i m 的线状或格子状支撑物。然后再 放上另一片玻璃板。将两片玻璃板的四周涂上焊接玻璃( 也可以是低熔点金属、 可挠性金属、有机粘接剂) ，在4 5 0 中加热1 5 6 0 分钟，在去除玻璃表面附着的 水分及有机物的同时由焊接玻璃将两片玻璃板的四周封边，形成一个整体。在适 当位置开孔，用真空泵抽真空，使两片玻璃板间膛的真空压力达到0 0 0 1 i 姗汞柱， 即形成真空玻璃，如图1 2 。如此制成的真空玻璃，隔热效果是中空玻璃的一倍。 该玻璃可用于公寓、饭店、医院及冰柜的观察窗等n 扣。 焊接封边 图卜2 真空玻璃结构图 抽真空孔 玻璃板 1 1 2 2 真空平板玻璃的支撑物 由于保温瓶是圆形，其本身能承受大气压力的不平衡作用力，而平板玻璃在 受到大气压力时会使两片平行的相邻的玻璃板向内靠拢，影响真空层。为了保证 在外界大气压力下真空层的存在，在两片玻璃板之间要放置支撑物。支撑物的设 计是制造真空玻璃的关键因素，它与玻璃板的接触面积过大时会增加热导率，同 时影响玻璃的透明度，因此要尽量减少支撑物总体数量及单个支撑物的体积。但 是支撑物与玻璃板的接触过小时，由于大气压的作用集中在玻璃板与支撑物接触 的部位会形成集中荷载重，造成支撑物上方玻璃板外表面的拉应力增大，容易造 1 0 扬州大学硕士学位论文 成玻璃板破损。 关于支撑物形状，目前报道最多的是圆柱状，此外，还有方状、椭圆形、线 状、格子状等。 制造支撑物的材料可以是不锈钢、碳化钨钢、铬钢、铝合金、镍、钼、钽、 陶瓷等。 由于玻璃板有厚薄差、波筋等，整个玻璃板不一定是平坦的，而支撑物的厚 度是相同的，这样平行玻璃的间隙就会有比支撑物厚度大的部位。由于相邻支撑 物限制了玻璃板的间距，这个部位的支撑物得不到玻璃板的充分的夹持，会离开 规定位置，造成支撑物受力不均，降低真空玻璃寿命。 解决上述问题的方法很多，其中最主要的方法是采用能够塑性变形的支撑物。 这样玻璃板不仅在受到静态的外界压力时，通过部分支撑物的塑性变形，既能使 所有的支撑物受到玻璃板充分的夹持，保持在规定位置上，又能使两片玻璃板保 持规定的间隙。在受到动态冲击时，支撑物在保持玻璃板规定间距的同时随外力 产生塑性变形，缓解玻璃板与支撑物接触点上发生的冲击力，降低了玻璃板破损 的可能性。 另外，可以在支撑物的至少一个端面涂有低熔点金属或焊接玻璃，通过加热 处理使支撑物固定在玻璃板上，以确保其永久处于规定位置。也可以用细金属丝 将支撑物相互连结，这样没有受到夹持的支撑物受到被夹持支撑物的约束，仍然 可以确保处于规定位置。采用线状或格子状支撑物时，也可以得到同样效果。 1 1 3 平板形玻璃的相关应力研究进展 r e c o l l i n s 等1 9 9 2 年在s o l l a re n e r g y 杂志上发表题为t r a n s p a r e n t e v a c u t e di n s u l a t i o n 论文引，从理论上和实践上介绍了真空玻璃的原理和制造方 法，文中对支柱的导热计算公式进行了详细介绍，并提出了支撑柱的排列间距及 封边料的选择是设计和制造透光保温玻璃的关键的观点。但论文未能对支撑柱的 排列间距及排列形式进行深入研究，也未对风荷载对真空玻璃使用寿命的影响作 研究。 缪宏 真空平板玻璃风荷载应力研究 l l 谭志明、金蒲明等用有限元法对玻璃啤酒瓶、玻璃瓶进行了应力分析和测试， 利用分析软件a n s y s 对啤酒瓶和普通玻璃瓶建立了精确的模型，在模拟内加压的 情况下对其进行了静力分析，清晰地反映了它的应力分布。平板真空玻璃和玻璃 瓶的情况正好相反，它分析了玻璃瓶外加压平面受力状态，但文章的分析方法值 得本文借鉴1 3 1 4 1 。 赵隆威，戴行正在“用盲孔法及压磁法对搪玻璃反应釜的残余应力测试及分 析 ，文中对反应釜中搪玻璃的应力状态进行了分析测试并就分析测试结果提出了 合理的工艺配方、环境条件等参数“5 1 。 石豪在透明真空保温技术的一文中对支撑柱四周描述了真空玻璃内表面的应 力场，并认为该应力场与经典赫兹球印器系统的应力场的差别不大，文章尚未就 真空玻璃整体的应力分布作研究，且文章仍然认为每个支撑柱的应力一致，整个 大气压平分于每一个支撑柱2 1 。 冯德纯、贾玉英1 9 9 9 年在玻璃杂志上发表题为真空玻璃论文n6 1 ，文中对真空 玻璃的结构、真空玻璃的性能、辐射传热、支柱传热、真空对传热的影响、镀膜 对传热影响及真空玻璃的生产制造、应力、应变作了阐述，但未尚未涉及真空玻 璃的风荷载应力研究。文中提及支撑柱间距为2 3 m m ，显然这一间距让人感到支撑 柱太密，有视觉异差感。 郑宏飞、吴裕远等2 0 0 1 年在西安交通大学学报上发表窄缝高真空平面玻璃的 研制论文n7 1 ，文中对真空玻璃的设计研制作了简要介绍，对平面真空玻璃的传热 及应力作了分析，对其性能测试作了研究。文中提及所设计及制造的真空玻璃支 柱尺寸为4 唧4 m m 方形，间距为4 0 帆，尚未对支撑柱进行特别研究。文中的支撑 柱4 衄4 姗也显过大，间距亦较密，视觉异物感及热桥作用更为明显。 张瑞宏、马承伟等n 町2 0 0 3 年在玻璃与搪瓷杂志上发表真空玻璃中试方案研究 论文，详细地对真空玻璃的中试生产工艺进行阐述及对每一中试工艺的生产成本 进行核算，文中叙述了真空玻璃中试生产中采用了扁圆柱型玻璃支撑柱，和矩形 排列支撑方案。 d e g u i r e ，b r o w n 1 9 8 4 年1 9 1 ，k o z l o v s k a y a1 9 8 9 发表文章捌，描述了玻璃的 1 2 扬州大学硕士学位论文 杨氏模量e 与玻璃疲劳寿命的关系对玻璃的疲劳破坏形式作了研究。 t a k a h a s h ik 等人心妇1 9 8 3 年做了玻璃应力与断裂形式关系的各种试验，并得 到了很多有价值的结论，但文章的试验对象均为单层玻璃，对于两层玻璃的叠加 并封接的结构尚未涉及。 林宗寿等1 9 9 9 年出版的无机非金属材料工艺一书提出乜羽：玻璃的实际强度要 比理论强度低好几个数量级，这种偏差的出现是由于实际玻璃材料中存在着表面 裂纹、裂痕、残余应力等，这说明玻璃的残余应力和永久应力均是降低其寿命的 原因。d e g u i r e ，k o zl o v s k a y a ，t a k a h a s h i 和林学寿等均未说明风荷载对真空玻璃 寿命影响研究。 k e r k h o f f 乜羽提出在玻璃表层产生永久压应力的方法可以提高玻璃强度，但 未就一面受拉一面受压或局部受拉另一局部受压这一具体情况做出具体研究。 在文献啦3 2 1 的检索中大量是关于圆形玻璃应力测试分析，文章也限于整个弯 曲工况及加热后因温差的应力研究，而张瑞宏2 0 0 5 年撰写的博士论文真空平板 玻璃传热性能及支撑应力研究n 和张瑞宏，顾乡等在真空平板玻璃支撑应力 实验研究8 1 只是叙述抽真空状态下玻璃的应力变化，对于真空玻璃这样的特殊 支撑形式的整体在风荷载条件下的应力分析与有限元研究尚未见到报导。通过检 索国内外所有资料，均未见发现有风荷载条件下的真空平板玻璃应力研究论文发 表。 1 2 课题所研究意义、方法及内容 1 2 1 本课题研究意义 由上述与本论文相关的全面搜索结果可以看出尚未有关于真空平板玻璃的风 荷载应力研究论文的发表，而作为真空平板玻璃的重要应用场所之一就是在玻璃 窗户和玻璃幕墙上的应用，风速是玻璃窗户或幕墙的重要环境参数，研究风速对 真空平板玻璃的影响对真空平板玻璃在建筑业的应用是至关重要的。 本课题研究目的是对真空平板玻璃在风荷载条件下进行较深层次的应力研 缪宏真空平板玻璃风荷载应力研究 1 3 究，把有限元分析方法应用到该领域，解决真空平板玻璃设计应用中的难点问题， 使力学计算、软件分析与实际应用设计更加紧密地结合，从而使力学、软件分析 在实际工程中得到新的应用，本课题可以为真空玻璃结构设计中的优化设计提供 一些参数，这样不仅可以提高结构的抗震性、稳定性等等，而且节约成本，从而 做到“技术上先进、经济上合理 ，获得良好的经济效益和社会效益。此外，本文 对真空平板玻璃实际工作环境进行模拟，得出外部风速与真空平板玻璃应力变化 的关系式，对于真空平板玻璃测试标准中环境参数的制定和结构设计中的优化设 计提供重要的依据。 由于真空玻璃制造技术的高难度，和掌握制造技术的人数甚微，所以对真空 平板玻璃系统的理论研究刚刚开始。本文在掌握了其制造技术的基础上开展了对 其系统的理论研究，这可望填补这方面的国家空白。 1 2 2 本课题研究方法 ( 1 ) 运用板壳理论、数理方程、弹性力学、有限元分析对风荷载条件下的真 空平板玻璃进行挠度计算公式推导及有限元分析验证。 ( 2 ) 运用m a t l a b 软件进行编程，在程序提示下，通过输入真空平板玻璃风压 计算所需的参数值，迅速得出真空玻璃所承受的风压。 ( 3 ) 运用有限元分析对风荷载条件下的真空平板玻璃进行强度刚度实用的计 算公式研究。 ( 4 ) 用a n s y s 软件分析风荷载条件下的整块真空平板玻璃的应力应变场， 得出玻璃的应力分布彩图，并与试验结果进行对比。 1 2 3 本课题主要研究内容 本文对真空平板玻璃在风荷载条件下作了系统的、详实的理论研究和实验研 究，对真空平板玻璃特有的支撑结构进行了支撑应力场研究，同时，通过试验成 功地测试出了真空平板玻璃在风荷载作用下应力的变化，从而验证了风速与应力 变化之间关系式的正确性。研究支撑结构的应力对优化真空平板玻璃支撑结构、 1 4 扬州大学硕士学位论文 增加真空平板玻璃的强度、增加其可靠性、提高其寿命、对真空平板玻璃测试标 准中环境参数的制定提供重要的依据具有重要意义。主要研究内容如下： ( 1 ) 对作用在真空平板玻璃上的风荷载进行研究，运用m a t l a b 软件进行编程， 在程序提示下，通过输入真空平板玻璃风压计算所需的参数值，得出真空玻璃所 承受的风压。 ( 2 ) 用结点法及重、单三角级数法建立风载荷条件下的真空平板玻璃应力分 布数学模型，推导出风速与玻璃应力变化之间的关系。 ( 3 ) 用有限元方法分析已建立的数学模型，验算出最大应力和最大挠度在允 许范围内。采用解析法与数值法进行计算，推导出在工程结构设计中操作方便、 实用的计算公式。 ( 4 ) 用国际近二十种专业技术协会认证的a n s y s 软件分析风荷载条件下的 整块真空平板玻璃的应力应变场，得出了精确的应力分布彩图，直观地表达了真 空玻璃封边处、支撑处、支撑柱之间的连线中点处等重要特征部位的应力分布， 并得出理论计算与软件分析基本一致的结果。 缪宏真空平板玻璃风荷载应力研究 1 5 第二章真空平板玻璃上的风荷载研究 “风是指空气从高压区向低压区流动的过程，可称为动态气流。气流一遇 到真空平板玻璃阻碍，就会在其迎风面就形成高压气幕。“风流动的速度越大， 对它的压力也越大，从而使其产生大的变形和振动响应。真空平板玻璃如果抗风 设计不当，可以使其产生局部破坏，甚至整体破坏。 在风速时程曲线中，包含两种成分，一种是长周期成分，其值一般在1 0 分钟 以上；另一种是短周期成分，一般只有几秒钟左右，根据风的这一特点，可以把 作用在真空平板玻璃上的风分解为平均风( 静压) 和脉动风( 动压) 来加以分析。 平均风是在给定的时间间隔内，把风对真空平板玻璃的作用力的速度、方向 以及其他物理量都看成不随时间而改变的量，其作用性质相当于静力。 脉动风是由于风的不规则性引起的，随时间按随机规律变化，其作用性质是 动力的，由此引起真空平板玻璃的振动效应。由于脉动风周期较短，与真空平板 玻璃的自振周期较接近，将使其产生一定的动力响应。在分析非确定性的脉动风 时，应考虑脉动风的随机性，按随机振动理论分析真空平板玻璃的随机振动响应。 2 1 风荷载基本理论 风荷载是随机荷载，每时每刻都在变化。当风以一定的速度向前运动遇到结 构物的阻碍时，结构承受着风的动压力。在顺风时，一般风的压力w 。表示为3 ”： k ( x ，f ) = 以x ) + w ( z ，f ) ( 2 1 ) 式中：似x ) 为平均风压，相当于静力荷载作用在结构物上；w ( x ，f ) 为脉动风压， 相当于随机荷载作用在结构物上，会引起结构物的随机振动。 在逆风向时，结构物背面的漩涡发生规则或不规则地脱落等现象，使其发生 横向振动。还由于风压力对结构物的偏心，又会使结构物发生扭转振动。 1 6 扬州大学硕士学位论文 一般来说，作用在结构物上的风速越高，振动的程度也越厉害，由于结构物 的振动会改变风本身的结构，使得其表面风压发生变化，风压的变化又反过来影 响着它的振动，因而风力和结构物之间有着一定的耦合作用。 2 1 1 平均风荷载 所谓风压是在最大风速时，垂直于风向的平面上所受到的单位面积上的压力， 单位为斟m 2 或k p a 3 钔。风压与风速的关系为： w = 三2 或者w = 专y 2 ( 2 - 2 ) 式中：w 为风压，p 为空气密度， ，为风速，为空气容重，在标准大气压 下，= o 0 1 2 k n m 3 ，g 为重力加速度。 为了反映结构物上静力风压受各种因素的影响情况，同时又能便于结构物抗 风设计的应用，将结构物上风压的计算公式规定如下： 心= 尾从心 ( 2 3 ) 式中：统一为高度z 处的风振系数( 静力风荷载取1 0 ) ； 以一风压的结构体型系数； 心一为高度z 处的风压高度变化系数； w o 一理论状态的基本风压。 2 5 2 脉动风荷载 脉动风实际上是三维的风紊流，它包括顺风向、横风向和垂直向的紊流。由 于垂直向紊流数值很小，对结构物影响可以不计，而横风向紊流也较小，因此通 常只考虑顺风向紊流对结构物的作用。 脉动风是一种随机动力干扰，它对结构物的作用是动力的，根据对脉动风的 缪宏真空平板玻璃风荷载应力研究 1 7 大量实测记录的样本时程曲线统计分析可知，若将平均风的部分去掉，脉动风速 本身也具有零均值的高斯平稳随机过程的特性，因此作用在结构物的广义脉动风 荷载向量为高斯平稳随机过程向量。根据达文波特脉动风速谱，其表达式为： s 叫面2 m 意舻警 q 叫， 厂( 1 + x 2 ) 3 l o 式中：s ( 门为脉动风速功率谱( m 2 s ) ； y - o 为1 0 m 高度处的平均风速( 1 l l s ) ； 为脉动风频率( h z ) 。 2 2 真空平板玻璃上的风压与风振力 对于气流场中的真空平板玻璃，在迎风面，由于气流受阻拥塞，形成高压气 幕，使真空平板玻璃受到一定的压力；在背风面，气流将形成一定的旋涡，对真 空平板玻璃产生吸力。沿真空平板玻璃的表面压力和吸力的分布并不是均匀的， 而随着真空平板玻璃的体形、面积、高度以及风速、风向、风的紊乱结构变化而 不断的改变。 真空平板玻璃在结构设计上的显著特点之一，就是侧向荷载在结构中起着决 定性的作用。除了地震作用外，主要的侧向荷载就是风荷载。对于真空平板玻璃 结构来说，风荷载是最主要的直接荷载，也是一种最主要的破坏荷载。特别是由 于较大的局部风压对真空平板玻璃造成的破坏有时是致命的。 计算风荷载对真空平板玻璃的作用与计算风荷载对一般结构物上的作用一 样，可按照风的性质来进行，通常分为顺向风和横向风b 5 3 们。顺向风分为平均风 和阵风。平均风又称稳定风，它对结构的作用相当于静力，可按静力方法进行风 力计算。阵风又称脉动风或阵风脉动