中空玻璃中空层密封性能检测技术及装置研究

中空玻璃中空层密封性能检测技术及装置研究

中空玻璃中空层密封层失效原因近年来，舒适与自然、环保与节能逐渐成为世界著名的国际建筑原则，建筑节能成为世界趋势。作为建筑节能最大潜力的门窗和幕墙,玻璃的节能成为关键环节之一。随着市场大量需求,节能玻璃发展迅速,且经历着从简单的单片镀膜玻璃到复杂的多层复合式玻璃(中空玻璃和真空玻璃及中空+真空,真空+夹层玻璃等)。近几年,我国新建楼房使用最广的,就是中空玻璃。中空玻璃也被称为富有时代感的“今天的玻璃”的称号。中空玻璃节能功效取决于两片玻璃之间的密封气体层,一旦密封层失效(气体泄漏),中空玻璃将变成与普通玻璃毫无两样,完全失去节能功效,并造成中空玻璃露点。特别是,中空玻璃的密封气体层还起到传递外载荷作用,中空层失效后气体失去传载能力,此时中空玻璃只受力的一面起到承载作用,因此中空玻璃整体承载能力明显降低。应用于幕墙上的中空玻璃密封层失效后,在风载荷作用下,外片单独受力,大大增大了中空玻璃密封胶及玻璃原片中的应力,很容易造成外片玻璃破碎甚至整体脱落,严重影响中空玻璃安全使用。中空玻璃在服役过程中,要受到环境腐蚀与外力作用,玻璃结构材料不断老化和性能退化,特别是早期中空玻璃市场混乱,质量低劣,因此,中空玻璃密封气体层失效层出不穷。我国中空玻璃总体上数量巨大,如果这些失效的中空玻璃继续使用,不仅使节能建筑失去节能功效,还存在潜在玻璃脱落的安全隐患,百害无一益。因此,中空玻璃中空层密封性能检测也是玻璃门窗幕墙安全评估不可缺少的一道工序。目前,人们对中空玻璃的应用理论已研究的比较透彻,并建立起了产品质量试验室检测规程,但对幕墙用中空玻璃失效在线检测方法仍缺乏可实施方法。为此,本文根据中空玻璃结构特点,分析了中空玻璃在中空层失效前后其承载性能的变化,提出了采用在中空玻璃面板中心施加集中荷载,通过观测中空玻璃内、外片变形量的大小或中空层的厚度变化来评价中空玻璃中空层的密封性能,并设计了一套配套的检测装置。1检测原理1.1外片玻璃的承载比设中空玻璃外片(直接承载的一面)玻璃受垂直均布荷载P作用,此时中空层气体因外片玻璃受弯变形体积被压缩,设压缩体积量为ΔV,压力增大为ΔP,根据理想气体状态方程,如不考虑中空层气体的温度变化,则有:P0V0=(P0+ΔP)(V0-ΔV)(1)式中:P0为中空层初始压强,通常为1标准大气压(1.1013×105Pa);V0为中空层初始体积。另一方面,受ΔP的作用,中空玻璃的内片玻璃也发生变形,根据外、内片玻璃各点处的变形差,将差值对整个玻璃面域积分,就可以求出中空层的体积改变量ΔV为:ΔV=|∫A(w1-w2)dσ|ΔV=∣∣∣∫A(w1−w2)dσ∣∣∣(2)式中:w1、w2分别为玻璃板面内某微小面积σ域上外、内片的挠度;A为中空玻璃的面积域。中空玻璃的外、内片玻璃四边受结构胶约束,挠度计算时,可按四边简支公式计算,在四边简支时,玻璃板的挠度计算公式如下:w(x,y)=16q0Dπ6∞∑m=1∞∑n=1sinmπxasinnπybmn(m2a2+n2b2)2w(x,y)=16q0Dπ6∑m=1∞∑n=1∞sinmπxasinnπybmn(m2a2+n2b2)2(3)式中:m=1,3,5,…;n=1,3,5,…;D=Eh3/12(1-v2)为玻璃板的刚度;q0为均布荷载;a,b为玻璃的长、短边长;h为玻璃的厚度;E为玻璃的弹性模量;v为玻璃的泊松比。观察上列级数,可以看出其收敛很快,因此计算时可以只取m=1,n=1就能够满足精度要求。显然,中空玻璃在均布力P作用下,外片玻璃承受的均布荷载为P-ΔP,内片玻璃承受的均布荷载为ΔP,根据式(2)和式(3),可以计算出得到中空层体积改变:ΔV=64a5b5π8(a2+b2)2(Ρ-ΔΡD1-ΔΡD2)ΔV=64a5b5π8(a2+b2)2(P−ΔPD1−ΔPD2)(4)式中:D1,D2分别为中空玻璃外、内片的抗弯刚度。将式(4)代入式(1),就可以得到一个关于ΔP的有解二次方程。ΔP就是在外片玻璃受P作用下通过气体层传给内片的压力,ΔP/(P-ΔP)即为内、外片玻璃承载比例。上面的计算方法是直接根据中空玻璃两原片两面的压力差计算出来的,除了认为玻璃挠度计算时是假设为四边简支外,未经任何假设,因此计算结果可靠,而且综合考虑了玻璃尺寸,中空层初始体积,初始压力和外加荷载等因数,因此,只要这些参数确定下来了,那么中空玻璃内外片的承载比例就能够确定下来。图1是计算中空玻璃规格为6mm+12mm+6mm,玻璃长宽相等,边长尺寸分别为0.1～1.7m下外片玻璃的承载比例图。由图中可以看出,随着玻璃尺寸增大,外片玻璃承载比例逐渐减小,当玻璃面积大于1m2时,也就是说玻璃宽厚比(短边尺寸与单片厚度之比)大于150以上时,外、内片玻璃承载值相差不大,并迅速接近相等,说明此时中空玻璃外内片同舟共济,共同承担外载作用,本文计算结果与文献采用有限差分法计算结果非常吻合。1.2玻璃的作用,是根据荷载根据上面分析,在中空层气体密封情况下,气体的传递作用能够将一部分外荷载传递给另一片玻璃,但是当气体层泄漏时,中空层气体则完全丧失了传递荷载的作用,此时,中空玻璃承受荷载完全由直接受力的那片玻璃承担。显然,此时的中空玻璃承受荷载能力将会明显下降。图2是通过试验测量中空玻璃(规格为6mm+12mm+6mm,尺寸为1000mm×1000mm)在6kPa均布荷载作用下中空层在密封和泄漏情况下内片玻璃(非承载一面)沿中线上的挠度值,该图再一次证明了在中空层气体密封下内片玻璃的挠度明显大于泄漏状态下的挠度,泄漏后中空气体层失去传载能力,内片不受力,几乎没有变形。1.3选取目标函数由理论分析及试验结果图2可知,正因为中空玻璃中空气体层在密封和泄漏状态下其承载变形性能存在明显差别,这就给我们提供了一个现场检测中空玻璃中空气体层是否失效的简便方法。只要给中空玻璃一面的玻璃施加一定荷载,并通过检测设备测量任一面玻璃的变形或中空层厚度的变化,就能达到识别中空玻璃的密封性能。考虑到现场检测时对玻璃施加集中力比较方便,因此,本文对中空玻璃一面受集中荷载后中空玻璃内外片挠度进行计算,变形示意图见图3。根据板的弯曲理论,在集中力p作用于板中心情况下,四边简支矩形板的挠度方程为:w=4pπ4abD∞∑m=1∞∑n=1sinmπ2sinnπ2(m2a2+n2b2)2sinmπxasinnπyb(5)w=4pπ4abD∑m=1∞∑n=1∞sinmπ2sinnπ2(m2a2+n2b2)2sinmπxasinnπyb(5)式中:只取m=1,n=1就能够满足精度要求。在集中力p作用下,设中空玻璃中空层压力变化为ΔP,则中空层外片受正向(集中力作用方向)p和反向均布力ΔP作用下发生变形,内片受正向均布力ΔP作用下发生变形,根据式(5)和式(3),外片总体积变化量为:ΔV1=|∫Aw外dσ|=16pa4b4π6D1(a2+b2)2-64a5b5ΔΡπ8(a2+b2)2D1(6)ΔV1=∣∣∣∫Aw外dσ∣∣∣=16pa4b4π6D1(a2+b2)2−64a5b5ΔPπ8(a2+b2)2D1(6)根据式(3),内片总体体积变化量为:ΔV2=|∫Aw内dσ|=64a5b5ΔΡπ8(a2+b2)D2(7)ΔV2=∣∣∣∫Aw内dσ∣∣∣=64a5b5ΔPπ8(a2+b2)D2(7)则中空层在集中力p的作用下总的体积变化ΔV为:ΔV=ΔV1-ΔV2=16pa4b4π6D1(a2+b2)2-64a5bπ8(a2+b2)2(1D1+1D2)(8)将式(8)代入式(1)后可以得到ΔP值。此时,中空玻璃外片在集中力p和均布力ΔP作用变形,最大变形量在板中心,为:wmax外=fpb2Eh外-kΔΡb4Eh外(9)内片受均布力ΔP作用变形,最大变形量在板中心,为:wmax内=kΔΡb4Eh内(10)式中:f、k为系数,与玻璃板的长宽比a/b有关,取值见表1。中空玻璃中空层厚度在板中心处变化量最大,变化量为外、内片挠度之差。采用上述计算方法,表2给出了中空玻璃规格为6mm+A12mm+6mm,边长尺寸为2000mm×2000mm,受集中荷载为p=500N作用下外、内片在中空层气体密封和泄漏下的板中心挠度值及中空层厚度变化。表中结果可作为评价同类型中空玻璃密封性能的参照数据。由表2可以看出,中空层气体泄漏状态下,中空玻璃板中心处的中空层厚度变化超过中空层厚度,也就是说此时两片玻璃已接触在一起了,中空玻璃在服役过程中不断遭受外载(风载荷、冲击载荷)作用,中空层气体泄漏后易造成中空玻璃内外片相互磕碰,也是导致中空玻璃破碎或造成镀膜层损伤的一个原因。若中空层气体密封,则中空层厚度变化不大,两片玻璃不会磕碰在一起。2柔性垫片与加力装置为达到在线检测中空玻璃中空层密封性能,检测装置主要包括施力装置和中空玻璃变形观测装置。图4(a)是一种现场给幕墙中空玻璃施加集中力装置构造示意图,其中施力装置采用螺旋加力方式。该检测装置中设一用于跨设安装在幕墙附框或玻璃上的有足够刚度的导杆,在导杆两端各设有一挂钩,挂钩可在导杆上自由移动,以适应测量尺寸大小不同的玻璃。挂钩上装设吸盘,导杆的中段配置有螺旋加力器,螺旋加力器上的螺纹杆与导杆垂直,螺纹杆前端设一柔性垫片,尾端连接施力螺旋手柄,通过转动施力手柄推动螺纹杆前进;螺纹杆中段放置力传感器用以获取施力大小(参见图5放大示意图)。图4(b)是另一种现场给幕墙中空玻璃施加集中力装置构成示意图,其中加力装置采用砝码加力。该施力装置中设一连杆,连杆由拉杆和压杆组成,拉杆和压杆的一端用铰链连接,使两杆可以相互旋转并得到不同的角度。拉杆的另一端设有挂钩与一真空吸盘连接可吸附在玻璃上,在连杆的铰链处设有一挂钩,挂钩和挂绳一端连接,在挂绳另一端也设有挂钩,挂钩上可放置砝码。调节拉压杆的角度,使压杆与检测玻璃平面相垂直,增减砝码可得到给玻璃施加不同大小的集中力。通过给服役中的中空玻璃一面施加集中力,同时记录中空玻璃内外片中心的挠度值(最大挠度)或中空层厚度,中空玻璃变形可采用位移传感器观测,中空层厚度可采用空气层厚度测量装置测量。根据1.3节提供的计算方法,算出中空玻璃中空层密封和泄漏情况下玻璃内外片的理论挠度值(或通过实验室模拟测试获得),并与实际测量值进行比较,从而判断中空玻璃中空层是否密封。存在一种现象,当中空玻璃生产与使用环境温差或压差存在差别情况下,如果此时中空层气体密封良好,则可导致中空玻璃内、外片变形,即此时中空玻璃的边部与中心气体层厚度不同。因此,现场检测时,首先用中空层气体厚度仪分别观测中空玻璃边部和中心的气体层厚度,当两者相差明显时,可立即断定中空玻璃密封良好,当两者基本相同时,才使用本文提供的方法进行下一步检测。3测试示例3.1试验测量结果试验采用中空玻璃样品规格6mm+12mm+6mm,长宽尺寸为2000mm×2000mm。采用螺旋加力方式给中空玻璃施加集中力,采用基恩士公司生产的LK-G40激光位移传感器测量中空玻璃内外片的变形,该种传感器通过入射激光穿过第一片玻璃并照射到第二片玻璃表面上,通过接收两片玻璃表面反射回来的光线,从而可以同时精确测量到两片玻璃的变形。试验室检测实物装置见图6。试验具体操作步骤如下:(1)将两吸盘吸附于中空玻璃短边边缘中部,调节导杆,使施力螺旋杆对准玻璃板中心。旋转螺旋加力装置,使施力螺旋杆端刚好接触中空玻璃外片,在玻璃与施力杆接触部位垫柔性垫片以防玻璃刚性接触破坏。(2)调节激光位移传感器,使激光测量点对准中空玻璃外片中心,并将力和挠度数值都调整为零。(3)旋转螺旋加力杆,给中空玻璃施加集中力,此时力的大小和中空玻璃变形读数在不断变化,记录力传感器分别为10kg、15kg、20kg、25kg、30kg、35kg、40kg、45kg时的玻璃外、内片中心挠度值及中空层厚度。测量完毕后,旋转螺旋加力杆卸掉载荷。(4)通过人为方法在中空玻璃封边部位钻通一小孔,使中空玻璃中空层气体与大气相通,模拟中空玻璃中空层气体泄漏。(5)按步骤(3)给中空玻璃施加集中力,记录中空层气体泄漏后外、内片中心的挠度值及中空层厚度。实验室测量结果及理论计算结果见表3。表3结果反映了集中载荷作用下中空玻璃中空层密封和泄漏状态下的外、内片变形。其中试验结果比理论结果偏小,这是由于试验时吸盘是吸附在中空玻璃外片上,所以对中空玻璃变形有一定影响。3.2外片玻璃挠度及中空层厚度测量对某大楼四边支承中空玻璃幕墙一层的10片玻璃进行检测,中空玻璃规格为6mm+12mm+6mm,长宽尺寸为2000mm×2000mm。按3.1节试验步骤(1)和步骤(2)安装测量装置,按步骤(3)加载,加载力为200N,测量外片玻璃挠度及中空层厚度见表4。与表3试验室测量同样规格和尺寸的中空玻璃在200N的集中力作用下密封和泄漏状态下玻璃外片挠度及中空层厚度为参照,可以看出表4的所有数据与中空玻璃密封状态下对应的数据接近,说明检测试样的幕墙中空玻璃密封性能良好,中空层未失效。4中空层气体泄漏(1)中空层气体