基于变形性能的幕墙中空玻璃失效检测方法

金骏+岳增国+许晨+吴国坚

摘 要：针对幕墙中空玻璃中空层气体泄漏并导致其节能功能失效及外片脱落质量事故问题，研究中空玻璃中空层密封性能检测方法。简要地分析介绍了点支中空玻璃板的承载特点，并简述了有限元模型的建立过程。利用该模型，数值分析荷载大小变化情况下，中空层失效对于中空玻璃内、外板板心位移的影响。基于此分析结果，提出采用在中空玻璃面板中心施加荷载，并通过观测中空玻璃内、外片变形量的大小来评价中空玻璃中空层的密封性能。

关键词：中空玻璃 有限元 变形性能 失效 检测

中图分类号：TU398 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）03（c）-0072-02

随着我国经济建设的快速发展，玻璃幕墙越来越多地在各高层建筑中使用。仅在2007年，中国生产玻璃幕墙总量就已达到2200万m2，占据世界当年产量的86%，玻璃幕墙在中国的使用量已超过3亿m2，占全世界的66%。

近几年，我国新建楼房使用最广的，是中空玻璃。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，中空层失效后气体失去传载能力，中空玻璃整体承载能力明显降低，很容易造成外片玻璃破碎甚至整体脱落，严重影响了中空玻璃安全使用。2011年7月8日，19岁女孩朱依依路过杭州市庆春东路庆春发展大厦时，被一块从高空坠下的幕墙玻璃砸中，無辜被截去左腿；杭州闸弄口街道文体中心的玻璃门自爆，伤了3名女孩。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。为此，该文根据中空玻璃的承载性能建立有限元模型，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。

1 有限元模型

1.1 有限元模型的单元组成

该文使用大型综合有限元程序ANSYS建立模型，玻璃胶、玻璃由体单元SOLID45模拟，立柱、横梁由面单元组合模拟；中间空气层由COMBIN40单元模拟。使用ANSYS提供的COMBIN40单元模拟气体层行为。COMBIN40（弹簧-阻尼组合单元）为2节点单元，每节点有3个平动自由度，可以计算轴向的压缩及阻尼行为。使用两层SOLID45单元模拟计算中空玻璃外、内片玻璃板的抗弯行为，在外、内层SOLID45单元之间除支承处，均匀地设置n个COMBIN39单元模拟气体层的压缩性能。

1.2 中空层本构关系模型

中空玻璃中包含两种材料，即上下两层为玻璃，中间为空气层。玻璃采用SOLID45三维实体单元。为了更好地模拟空气层，使上下两层玻璃面板变形一致，采用COMBIN40弹簧单元来模拟空气层，并给其一定的弹簧刚度。

2 中空玻璃中空层失效对变形性能的影响分析

2.1 边界条件、几何尺寸及荷载

试验采用中空玻璃样品规格为内外层玻璃厚6 mm，中空层厚12 mm，玻璃长宽尺寸为1500 mm×2000 mm。分析模型采用框支形式，中空玻璃的外、内片玻璃四边受结构胶约束。模型采用中心加载，荷载作用在外层玻璃上，荷载大小分别为50 N、100 N、150 N、200 N。

2.2 计算结果分析

计算失效前后外片、内片的板心位移及其平均值，结果见表1。

由表1可以明显看出，中空玻璃失效前后内、外板板心位移变化很大；失效后，内板板心位移几乎为零，而外板板心位移几乎变为失效前的2倍。这是因为失效前，荷载通过空气层重新分配，由内外板共同承担，而失效后，荷载仅有外板承担。

3 中空玻璃失效现场检测方法的提出

通过给使用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位移值（最大位移）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。根据第2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，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。当内层玻璃中心位移约为零时，表明中空玻璃密封失效。

4 结论

通过上面的分析，可以得到以下结论。

（1）中空玻璃失效前后内、外板板心位移变化很大。

（2）失效后，内板板心位移几乎为零。

（3）利用失效前后中空玻璃内、外板板心位移的变化，可以有效地检测幕墙中空玻璃密封性能是否失效。

参考文献

[1] 杨威，王元清，石永久，等.孔边应力状态对点式支承玻璃板承载性能的影响分析[J].建筑结构，2001（6）：63-65.

[2] 杨威，王元清，石永久，等.点式支承玻璃板变形性能的分析研究[J].工业建筑，2001，31（4）：26-28.

[3] Taheri M，Shafie S.A case study on the reduction of energy use for the heating of buildings[J].Renewable energy，1995，6（7）：673-678.

[4] 王元清，梁宇钒，石永久，等.弯剪组合作用下点支承玻璃承载性能的试验研究[J].建筑结构学报，2005，26（6）：122-128.

[5] 马军.中空玻璃失效原因分析及对策[J].玻璃，2004（6）：49-52.

[6] JGJ 102—2003，玻璃幕墙工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[7] Ventsel E，Krauthammer T.Thin plates and shells： theory，analysis and applications[M].New York：Marcel Dekker，2001：136-139.

[8] Mcnicholl A，Lewis J O.Energy efficiency and solar energy in European office buildings： a mid-career education initiative[J].Energy and Buildings，2001，33（3）： 213-217.

[9] 文忠.中空玻璃发展现状及质量控制[J].中国建筑金属结构，2006（3）：29-30.

[10] 殷永炜，张其林，黄庆文.点支式中空和夹层玻璃承载性能的试验研究[J].建筑结构学报，2004，25（1）：93-98.