玻璃材料与新型建筑.docx

玻璃材料与新型建筑刘向阳, 刘锡良, 陈志华(天津大学建筑工程学院, 天津 300072)摘 要: 介绍了常用的玻璃材料, 采用断裂力学的方法研究了荷载的时间效应对玻璃材料强度的影响, 总结了应用玻璃的新型结构, 并针对点式玻璃幕结构侧向刚度不足的弱点, 提出 了支撑钢结构和玻璃面板共同工作的理论和相应的有限元分析公式, 通过计算比较, 得出了 两者共同工作可提高结构侧向刚度两倍以上的结论 1关键词: 玻璃材料; 点式玻璃幕结构; 共同工作中图分类号: tq 31713文章编号: 049322137 (2001) 0120077204文献标识码: a玻璃是一种古老的建筑材料, 长期以来, 玻璃所特有的透光性深受建筑师的青睐, 但由于力学性能的局 限, 玻璃的用途只限于门窗、采光带及装饰材料 1 近年 来随着玻璃制造工艺的不断改进, 使得玻璃这一传统的建筑材料的力学特性 (强度) 和物理特性 (保温、隔声 等) 大大得到改善 1 目前, 玻璃作为主承载结构的玻璃 梁、柱、板, 常用于建筑物的幕墙、顶蓬、雨蓬、走廊、门 厅、地板、楼梯, 这一切都使玻璃结构作为一种独立的 结构形式日益引起人们的关注, 玻璃所特有的透光性在建筑中得以充分利用 1 实践中玻璃结构常和钢结构 结合起来运用, 使建筑物摆脱了千百年来使用的笨重 的砖石、混凝土的束缚, 而呈现出晶莹剔透、变化多端、 极具现代气息的崭新面貌 1(pv b ) 牢固粘合而成, 当夹层玻璃受到冲击破坏时, 碎片粘在中间的 pv b 膜上, 不会有玻璃碎片飞溅伤人,只是形成辐射状的裂纹, 还能保持原来的形状和可见 度, 是一种性能优良的安全玻璃 11. 3中空玻璃两片或多片玻璃其周边用间隔框分隔, 并用密封 胶密封, 形成有干燥空气层的玻璃 1 中空玻璃的热透 系数几乎减少为普通单层玻璃的一半, 减少噪音 2740 db , 并具有防露的功能 1除此以外, 夹丝玻璃、吸热玻璃、热反射玻璃 (镀膜 玻璃) , 也由于其良好的保温、隔热、隔声、透光等物理 性能在建筑中得到广泛应用 12荷载的持续时间对玻璃材料强度的影响1玻璃材料从微观角度分析玻璃的断裂, 即认为玻璃的破坏是垂直原子平面的拉应力达到晶体的拉伸断裂强度使 原子平面间的结合键被解理分离, 由此可推出玻璃的用于结构的玻璃主要有钢化玻璃、夹层玻璃和中空玻璃等 11. 1 钢化玻璃浮法玻璃原片经过热处理, 可以成为钢化玻璃, 其 抗弯强度可达 200 m p a1 工艺流程主要包括“均匀加热”和“急剧冷却”两个基本过程, 因此, 在工作荷载作用之前, 钢化玻璃中已有预应力存在1 1 由于这个预 应力的存在, 使钢化玻璃具有高弯曲和冲击强度、高热 断裂强度和高安全性 11. 2 夹层玻璃由 两 片 或 多 片 玻 璃 用 透 明 的 聚 乙 烯 醇 缩 丁 醛理论脆断强度, 对于普通玻璃可达 11010 m p a, 而普通玻璃的实际强度不到理论强度的 1100, 玻璃表4面微裂纹是引起玻璃实际强度降低的主要原因 1 在荷载作用下玻璃的裂纹产生蠕变, 因此在实验中得到的 玻璃强度, 在实际应用时必须考虑荷载持续时间对玻 璃强度的影响 1根据 irw in 断裂准则, 表征玻璃中裂纹尖端附近 应力场强度的物理量为应力强度因子 k , 对于最危险 收稿日期: 20002022281作者简介: 刘向阳 ( 1973- ) , 男, 硕士.天津大学学报2001 年 第 34 卷第 1 期781的张开型裂缝为k = y d =n tr =(12)r tdn + 1(1)a式中: tr 玻璃强度实验中加荷持续时间;td 玻璃结构上荷载持续时间 1式中: 名义应力 ( 裂纹位置上按无裂纹计算的应力) ;a 裂纹尺寸 (裂纹的长或深) ;y 形状系数 (与裂纹大小、位置等有关) 1根据西文斯 (s ive rn s) 建立的蠕变脆性断裂理论,蠕变裂纹扩展速率与应力强度因子的关系为2设玻璃强度测试实验中加荷速率为 2n (mm s) , 则加荷持续时间 tr 见表 1, 设结构上风、雪、自重荷 载持续时间 td 分别为 10 分钟、30 天、50 年, 则可由式(12) 计算出对玻璃强度的影响因素 (见表 2) 1表 1玻璃强度测试实验加荷持续时间 trdand t = a k(2)tab. 1 l oad- dura t ion tr in the exper im en t f or g la ss stren g th式中: a 裂纹分布常数;n 玻璃种类的材料常数, 对于钢化玻璃 n =70, 对于普通玻璃 n = 16 181式 (1) 代入式 (2) 得v = d a = a (ya ) n(3)d t表 2结构上荷载持续的时间对玻璃强度的影响系数 分离系数后右边积分, 化简得ttab. 2 in f luen ce fac tor f or l oad- dura t ion on g la ss stren g th2n d t =(4)n - 22)a y n a i(n -20式中: a i 初始裂纹尺寸 1若 不随时间变化, 即( t) = 0此时破坏应力 f 为(5)点式玻璃幕结构31点式玻璃结构是目前世界上最新的技术, 它是用特制的节点构件将玻璃在角部和金属支撑结构连接在 一起的结构形式, 由于结构的通透性高, 支撑体系轻 巧, 受到人们的喜爱, 有以下几种新型体系2 :3. 1 张拉桁架结构施加预应力的拉杆和之间的刚性压杆组成张拉桁 架, 并通过撑杆和玻璃连接 1 见图 11nf = 0 =(6)fi式中: tf 为破坏时间 1若 为时间的一次函数, 即= 1 t则由式 (4) 可得(7)1n(8)f =f i荷载持续时间对玻璃强度的影响用 来表示,d=(9)rr 由实验测得的玻璃强度d 受荷载持续时间影响的玻璃实际强度 实验中, 荷载引起的玻璃中应力变化符合式 ( 7) ,由式 (8) 得 1 n r(10)r =rrr ir实际中荷载引起的应力符合式 (5) , 由式 (6) 得图 1 张拉桁架结构f ig11 ten s iona l truss struc ture 1 n d(11)d =ddd id由于 n r = n d , a r = a d , a ir = a id , 故2(n - 2)a y n t a (n d - 2) 22 (n r + 1)(n - 2)a y n t a (n r - 2) 22 (n + 1)(n - 2)a y n t a (n - 2) 22(n - 2)a y n t a (n - 2) 2玻璃种类风荷载雪荷载自重荷载钢化玻璃 普通玻璃0190170185014501750130玻璃种类标准强度m p a加荷速率n (mm 2s) - 1加荷持续时间 trs钢化玻璃 普通玻璃12045226022151天津大学学报刘向阳等: 玻璃材料与新型建筑793. 2张拉索网结构拉紧的索网平行地布置在玻璃的接缝后面, 将结 构的通透性提高到最大限度, 见图 21 k i i k j i km i k n i k i j k j j km j k n j k im k jm km m k nm k in k j n km n k nn k =每块子矩阵为 55 矩阵0 0 00 0 0 k rs p k rs =0 00 00 0 k rsb 式中: k rsp 是矩形平面应力单元刚度子矩阵, 为 22阶; k rsb 是矩形薄板单元刚度子矩阵, 为 33 阶 1杆单元总的单元刚度矩阵应是弹性刚度矩阵和几 何刚度矩阵之和 1k e = k e + kgk e 和 kg 都是由 33 阶子块构成, 杆单元总的单元刚图 2 张拉索网结构f ig12 ten s iona l cable-n e t struc ture3度矩阵可表示为313张拉整体结构两组平行的索网在水平、竖直两个方向错动一段 距离, 前后索网节点之间铰接刚性杆, 从而增加了结构的整体性, 能抵抗较大的水平荷载, 见图 31k - k - k k k e =p 0 ( i -eat3 cc t )k =l 0 cc + l 0式中: e 杆件的弹性模量; 截面积;a 杆件的截面积;l 0 杆件的初始长度;p 0 初始应力;c 杆件的方向余弦 1412例题在以上理论分析的基础上分别计算图 4 所示结构 厚度、跨度和拉杆预力各不相同的 a、b、c、d 四个结构,其它条件相同 1 对每个结构分成考虑玻璃板的影响和不考虑玻璃板的影响两种情况 ( 图 5) , 由计算结果可 以 看 出 前 者 比 后 者 的 侧 向 刚 度 增 加 两 倍 以 上(见表 3) 1图 3 张拉整体结构f ig13 gla ss ten s igr ity struc ture4玻璃和支撑结构共同工作的分析为了充分发挥材料的特性, 弥补结构侧向刚度差的弱点, 建立玻璃支2撑结构共同空间作用的理论 1411理论公式用有限元法分析整体张拉玻璃结构时, 各单元均 按线性考虑, 将玻璃板离散成矩形板壳单元, 支撑结构 离散成杆单元 1矩形板壳单元刚度矩阵 k 是 20 20 阶对称矩 阵, 可分成 44 块子矩阵, 其表达式为图 4 不同结构示意f ig14 skdtch m ap f or struc ture a , b, c, d天津大学学报2001 年 第 34 卷 第 1 期80(a) 44 分格, 跨度 6. 4 m , 厚度 200 mm , 拉杆预力 20 kn , 图 5 中“0”表示(b ) 44 分格, 跨度 6. 4 m , 厚度 400 mm , 拉预力20 kn , 图 5 中“+ ”表示;(c) 66 分格, 跨度 9. 6 m , 厚度 600 mm , 拉杆预 力 30 kn , 图 5 中“3 ”表示;(d ) 66 分格, 跨度 9. 6 m , 厚度 600 mm , 拉杆预 力 35 kn , 图 5 中“”表示 1表 3 考虑和不考虑玻璃作用时结构侧向刚度的比较tab13 com par ison of la tera l st if fn e ss参考文献:吕志涛 1 现代土木工程新发展 m 1 南京: 东南大学出版社, 19981刘向阳, 刘锡良, 陈志华 1 一种新型的空间结构 无框 张拉玻璃结构j 1 工程力学增刊, 1999: 8048091曹 喜 1 张拉整体索穹顶结构的设计理论与实验研究d 1 天津大学, 19971123图 5 考虑和不考虑玻璃作用时结构侧向刚度的比较f ig15 com par ison of la tera l st if fn e ssgl a ss m a ter iala nd new a rch itectsl iu x ian g2yan g, l iu x i2lian g, ch en g zh i2h u a(schoo l o f co n st ruc t io na l e ng inee r ing, t ian jin u n ive r sity, t ian jin 300072, c h ina)a bstrac t: t h e p ap e r in t ro duce s th e u sua lly u sed g la ss m a te r ia l and stud ie s th e effec t s o f lo ad2du ra t io n o n th e st reng th o f th e g la ss m a te r ia l. a f te r ana lyzing th e new a rch itec tu re u sing g la ss and po in t ing o u t th e in suff ic ten t la t2 e ra l st iffne ss o f th e do t po in t g lazing st ruc tu re, th e au tho r s p u t s fo rw a rd th e th eo ry o f th e jo in t w o rk o f th e stee l suppo r t st ruc tu re and g la ss p ane ls, and th e co r re spo nd ing f em ana ly sis fo rm u la s. t h e ca lcu la t io n and com p a r iso n be tw een th e exam p