点支承幕墙玻璃破裂故障分析.doc

此文档收集于网络，如有侵权，请联系网站删除点支承幕墙玻璃破裂故障分析发布时间：2010-02-25【作 者】：龙文志【摘 要】：本文从点支承幕墙玻璃破裂故瘴出发，系统阐述了点支承幕墙玻璃破裂故障多于其它玻璃幕墙的原因，提出了点支承玻璃幕墙设计时，除对玻璃面板的大面应力进行计算分析外，同时也应该对玻璃孔边应力进行设计分析；为了降低玻璃孔边应力，减少点式玻璃幕墙破裂故障，确保点式玻璃幕墙破结构的安全，本文提出了八点参考建议及措施。【关键字】：孔边应力、侧面强度、玻璃断裂力学、适应变形、钻孔工艺、H形接驳爪、意外破碎。1.点支承玻璃破裂故障多与其他玻璃幕墙1.1点支承玻璃故障频频不断 下面是一些故障照片： 1.2点式幕墙玻璃破裂大多是从玻璃接驳爪孔引发： 1.3点支承玻璃破裂故障多于其它玻璃幕墙的原因：1.3.1忽略了孔边局部应力的分析。目前点式幕墙的玻璃面板按照玻璃幕墙工程技术规范JGJ102一2003仅对玻璃进行大面强度计算，忽略了孔边局部应力的分析。1.3.2忽略玻璃易碎性和对轻微缺陷的敏感性。1.3.3孔边局部应力与孔径、孔边距、孔边支承条件、孔加工及安装工艺、金属连接件及其支承体的连接状况等有关因素考虑不够。2.玻璃孔边的荷载计算以及孔边应力分析2.1在极限荷载情况下，索析架上可能产生最大4anim的挠曲，这种变形造成玻璃与其支撑点之间的角度变化。若玻璃阻止变形，则孔周围的玻璃就要承受弯曲荷载。实际上孔是悬吊玻璃结构的最敏感的部位，因它是玻璃及其悬吊连接体系汇合的地方，所有荷载还有玻璃自重及外部荷载(风载、冲击等)都集中在孔周围的区域。从图1z的孔边局部应力的分析示意图可看出，点支承玻璃孔边局部应力大于面板应力。现以图13所示玻璃模型为例，利用确限元软件ansys，对其大面应力及局部应力进行分析计算。 2.2玻璃模型的建立 以图13所示玻璃模型：玻璃选用12+2 28PVB+12mm夹胶钢化玻璃，分格尺寸为：2250X3000mm。 2.3玻璃大面应力分析 以图13所示玻璃为例，垂直面板的均布荷载为：W19484（Kn/mm2），通过有限元软件ansys计算可知，玻璃面板的最大应力Amax45.9N/mm2，如图10-17所示（施加荷载及选用单元等忽略）。 根据规范JGJ102一7003，12mm钢化玻璃的大面强度设计值为f=84(N/mm2，由此可知,在本列中玻璃的强度满足设计要求。 2.4作用在玻璃的各种荷载转换为玻璃孔边集中力的情况作用在玻璃上的各种荷载有可能转换为玻璃孔边的集中力，其主要包括以下三种情况(H向为垂直于玻璃面板方向，V向为平行于玻璃面板方向):a玻璃的自重荷载转换为玻璃孔边的V方向集中力。b作用在玻璃的风荷载转换为玻璃孔边的H方向集中力。c)幕墙玻璃平面外地震作用转换为玻璃孔边的I-I方向集中力。假定作用在同一块玻璃上各支承点的荷载均相同，则作用在玻璃上的各种荷载和作用转换成玻璃孔边的集中力的计算公式如21 P（qxA）/n (2-1) 其中P作用在玻璃孔边的集中荷载或作用（N），分a),b),c)三种情况； Q作用在玻璃上的面荷载或作用作用（N/mm2），分a),b),c)三种情况； A：一块玻璃面积（mm2） N：一块玻璃上所用不锈钢爪的个数。2.5玻璃孔边集中力转换为玻璃孔边作用面的面荷载作用在玻璃上的各种荷载有可能转换为玻璃孔边的集中力，而玻璃孔边集中力又会转换为作用面的面荷载，其计算公式如22: W=P/A （2-2） 式中P作用在玻璃孔边的集中力（N）。 W-作用在玻璃孔边作用面的面荷载（N/mm2） A外片玻璃孔边荷载作用面的投影面积（mm2）。2.6玻璃孔边应力分析利用有限元软件&I15Y5对沉头点支承玻璃孔边应力进行计算分析，其开孔处的荷载由外片玻璃承受。第一步，选取玻璃长边的1/4进行计算分析。选取部分的边界条件为四边支撑，玻璃沉孔的尺寸如图16所示，选取角部玻璃及玻璃开孔尺寸如图17所示。 第二步.利用ansys软件建立实体单元模型.如图18所示。 第三步，分别计算图19所示各方向的集中力。2.7本列中玻璃孔边侧面不满足设计要求3.降低点式玻璃幕墙破裂故障的措施分析3.1铰接装置位于玻璃平面中心，驳接头要适应玻璃变形如果铰接装置安装在玻璃平面外部，则弯曲荷载或扭曲荷载会施加在玻璃上。铰接装置位于玻璃平面中心:保证玻璃不承受弯曲或扭曲荷载。下图中的右图表示铰接装置两种可能位置即在玻璃平面外和在玻璃平面内的比较。 3.2驳接头安装倾角要正确。某点式玻璃驳接头安装倾角过大，致使玻璃破裂。图24挤压破裂:实验结果显示驳接头连接有约束、孔边有附加弯矩和驳接头连接有约束，孔边有附加弯矩相比，孔边应力可增大2.25倍。以上案例表明尽管点式玻璃安装了铰接驳接头，但驳接头安装倾角过大，连接有约束，不能适应玻璃变形，致使孔边应力增大致使玻璃破裂。3.3驳接头为适应玻璃变形，要有适度偏转角3.3.1点式幕墙玻璃受荷载变形示意图27所示玻璃的变形可以近似为弧形。根据几何关系即驳接头为适应玻璃变形，要有适度偏转角。3.3.2驳接头为适应玻璃变形偏转角估算:点支承玻璃面板的挠度限值宜按其支承点长边边长的1/60采用.如图所示玻璃的变形可以近似为弧形。根据几何关系估算:驳接头为适应玻璃变形偏转角:图28根据以上分析驳接头为适应玻璃变形，要有出3. 78度的偏转角，才能满足玻璃变形的要求甲再加上现场施工时驳接爪根部底座有一定方向的角度偏差，因此在选择平面幕墙用驳接头.驳接头应满足士5度的偏转角。3.3.3非平面点式玻璃幕墙驳接头的偏转角。当幕墙或采光顶相邻玻璃不在同一平面时甲即折线形、弧形、球形、圆锥形幕墙或采光顶，在选择驳接头时，除驳接头满足玻璃变形的需要外，还要满足玻璃间夹角的要求如图29所示。驳接头的偏转角应满足士(十5)度要求，实现对玻璃夹角的补偿。钢爪要具备吸收幕墙平面变形的能力。3.4钢爪与玻璃之间垫片要采用铝垫片。3.4. 1钢永远也不能与玻璃直接接触，因为它的支承表面太硬了，所以通常要在钢螺栓和玻璃孔之间加一个热塑性衬垫。然而热塑性材料可产生蠕变从而可能导致钢与玻璃的接触，因铝是一种较软的金属，所以一般用铝来代替，这是Boussois与PPG(美国、Pittsburgh)玻璃研究部门合作研究的成果。金属蠕变比塑料小，而铝的柔性足以接纳玻璃和因钻孔带来的缺陷。铝的强度足以防止任何长期变形。衬点垫最后镀一层Tefion镀层以防止不锈钢螺栓与铝衬垫之间的双金属腐蚀绝缘铝衬套退火等级1050用来防I卜玻璃和螺栓接触。安装时使用1mm的硅酮压条以保证该装置的水密性。3.5提高点式玻璃钻孔质量。3. 5. 1玻璃孔周围剥裂致使玻璃破裂。图323.5.2提高点式玻璃玻璃钻孔质量的工艺措施:1)为了防止在与钻孔相对的一边发生剥裂，必须从玻璃两边同时钻孔。2)两边同时钻孔的钻头要共轴。如钻头不是完全共轴的，则玻璃孔会有一个孔肩。这样的孔肩会产生比光滑孔高的应力集中。在光滑孔处，荷载是均匀分布的。 3)钻孔处的剥裂可能是钻头发钝、孔中异物、玻璃缺陷或钻头润滑不足引起的钻孔缺陷造成的，有剥裂的玻璃孔会导致应力分布不均。此外，剥裂产生裂缝状缺陷，加上玻璃固有的易碎性，裂缝会在荷载下瞬间扩展。然而，在完整的圆柱形玻璃孔周围避免产生剥裂也是非常困难的。4)钻孔建议采用牛奶做润滑剂。 3.6采用中央悬挂及弹簧吊架3.6. 1玻璃以竖直排列方式一列列悬吊，每列四块，每块玻璃悬吊在上一块玻璃上每块玻璃通过其角部连接件连接，然后每列上部的玻璃在其顶部边缘中心悬挂在主构架上。有了这种中央悬挂点，玻璃就能够找到其自身平衡并且能够完全竖直悬挂，与支撑钢管的准直度无关。此外，这种单个的中央悬吊点保障无位移，即使横向荷载也不会对系统造成影响。如果由4片玻璃组成的各个玻璃列是通过两个刚性悬吊点固定的，系统就会抵抗横向荷载，设计时，就要将系统设计成承受这些荷载也承受玻璃重量。然后每片玻璃通过两孔连接悬挂在紧邻的上一片玻璃上，固定了两片玻璃水平边缘之间的距离从而使胶缝宽度均匀。为了确保连接件不吸引横向荷载，它们都采用铰接，因此可以侧向转动。每一间隔由4列玻璃组成。每列四块玻璃，独立于其它列而悬挂。所有的水平连接都是铰链连接，这样就防止了所有可能的竖直荷载的传递从一列传至邻近的一列，或者传递到玻璃后面主结构内。各玻璃列可以相对与彼此而滑动的事实意味着顶部钢管可以下陷，而不影响涉及玻璃结构荷载。3.6.2改进玻璃悬吊系统玻璃悬吊系统包括四种不同的支承系统:一方面是弹簧支承装配组件，另一方面是分别用玻璃板角部一个、两个或四个连接装置。玻璃面板破碎后，玻璃自重受力变化如图34所示:如果悬挂弹簧无缓冲效应，则相连悬挂点要突然承受很大荷载，如图所示随着玻璃板的破碎，同时重新分布荷载，玻璃的破碎导致了超强的暂时荷载，对结构造成消极影响，也很难预知此种冲击带来的影响，故而在玻璃悬吊点处采用了预应力缓冲弹簧，玻璃面板破碎后，相连悬挂点增加的荷载会平均分担在其见悬挂点，见图35对体系产生较小影响。 弹簧支承装配组件该组件的形状是其功能的产物，其功能是将玻璃荷载经过弹簧“保险丝”转移到支承结构上。3.6.3弹簧作用原理 以图34为例说明：若每一竖跨玻璃与配件的重量为600公斤，弹簧组件由两个压在两块地连接板之间的螺旋弹簧（考虑到尺寸，单个弹簧占用的空间小，需两个弹簧）。如图36所示。弹簧必须经过精确的计算以确保在给定的荷载下获得特定的长度。在正常情况下，弹簧组件在小于等于600公斤荷载下必须保持固定，但施加了超过600公斤临界荷载的荷载时，弹簧组件必须下垂。将弹簧从自由长度150m压缩到所而需要的100mm，则弹簧组件预应力为600公斤荷载。该预应力由将弹簧组件的两块端板（顶部和底部）夹在一起的螺纹杆支承。每人支承夹具中加上一个预应力弹簧结构，以确保弹簧机构在承受大于玻璃与配件重量的荷载之前保持钢性，通常情况下，玻璃与配件的重量约为600公斤。任何一个弹簧只要受到超过600公斤的荷载，它就会垂直到其余的支承点支承起该荷载。这种“保险丝”式的作用是有必要的，它使人们能够预知可以施加到玻璃和每个主结构框架支撑点上的荷载。在玻璃破碎并因此引起荷载路径的瞬时变化时，弹簧对整个玻璃系统也起到一个减震器的作用。3.7采用H形接驳爪。四孔玻璃面板点支幕墙目前大量使用是x形接驳爪，图37其约束示意图，构造简单，应用广泛。x形接驳爪各肢为刚接，约束了玻璃面板平面内运动，玻璃面板只能绕球铰在平面内转动，如图37所示意，虽然对玻璃面板变形有一定适应能力，但没有H形接驳爪好。H形接驳爪构造复杂，国内用得很少，见图38，其约束示意简化如图:玻璃面板不仅可以在平面内转动，还可以在平面外相对运动，如图39、三种基本运动或的各种组合运动，对主体结构和玻璃面板的变形适应能力强。3.8提防玻璃意外破碎的连锁反应情况下的安全性不能忽略玻璃的易碎性。一块玻璃的破碎会立即引起玻璃悬吊系统荷载路径的变化。如果玻璃面板上部破碎，其余各片玻璃就不再收到支撑，它们将通过四孔连接的水平铸件及及借用硅酮接缝中产生剪切应力把它们的荷载传递到邻近的玻璃板，施加在其它三列玻璃悬吊点的荷载也会增加。图40两片玻璃意外破碎的照片，图41显示了一片玻璃断裂之后荷载重新配置以及因此产生的荷载路径的变化，图42显示了两片玻璃断裂之后的荷载重新配置以及因此产生的荷载路径的变化。 荷载路径的突然变化会引起悬吊点处猛烈的冲击。突然施加的荷载比逐渐施加的荷载更有可能引起其它玻璃破裂，酿成破裂连锁反应。4.结论点支承玻璃幕墙在垂直于玻璃面板的荷载作用下，通常其最大应力发生在玻璃孔边缘附近，目前点式幕墙的玻璃面板按照玻璃幕墙工程技术规范(JGJ102一2003)，仅对玻璃进行大面强度计算，忽略了孔边局部应力的分析。若按照非实际开孔的玻璃面板计算模型进行计算，结果有可能存在较大误差。事实上，孔及其支承结构的边缘效应对玻璃面板的承载力有极大影响.不进行孔边局部