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幕墙玻璃破裂原因探讨

发布时间:2019-11-29 04:25:01

幕墙玻璃破裂原因探讨

玻璃幕墙在我国已广泛应用于各类建筑,到2002年底我国共使用了3500~4000万m2玻璃幕墙,20多年来幕墙玻璃破裂时有所闻。有不少学者对幕墙玻璃破裂进行调查、分析,发表了不少调查(研究)报告、文章。在修订《玻璃幕墙工程技术规范》过程中,编制组对此作了专题调研、分析和总结,在2003年3月30~31日举行的该规范送审稿审查会上,编制组介绍了研究成果,与会专家发表了研究报告,进行了热烈的讨论,这些成果反映在规范送审(修订)稿中。

学习这些成果会使我们进一步认识幕墙玻璃破裂的原因,采取相应措施来消除(减少)幕墙玻璃破裂的发生。

幕墙玻璃破裂是复杂的多因素问题,引起幕墙玻璃破裂的原因有玻璃本身的问题、有玻璃裁切工艺及边缘加工质量、玻璃幕墙节点构造设计及施工质量、玻璃幕墙环境条件对幕墙玻璃的影响以及玻璃幕墙所依附的主体结构的变形(位移)对幕墙玻璃的效应等。现在我们分别进行讨论。需特别指出的是,这些因素可单独引起幕墙玻璃破裂,但更多的是几种因素共同作用引起幕墙玻璃破裂。

1.幕墙玻璃热炸裂

是由于玻璃不同部位的温度不均匀,玻璃暴露在阳光直射的部分吸收红外线和可见光转化为热量,温度升高,这一部分玻璃受热膨胀(升长),而处于镶嵌槽或阴影下的那一部分玻璃,因受不到阳光的辐射,不能同步膨胀(升长),内部热应力形成,受热多的区域对受热少的区域产生张应力,这种张应力超过玻璃的抗拉强度就会导致玻璃破裂。在玻璃边缘存在微小裂纹情况下更易引发热炸裂。JGJ中式5.4.4给出了验算玻璃中部与边缘温差应力σt2的计算公式:σt2=0.74Eαμ1μ2μ3μ4(TC-TS),但修订时取消了该公式,这并不是规范不再要求考虑热裂应力,而是由于该公式本身不够成熟,按该公式计算的结果不能真实反映热裂应力的本质,会导致对热裂应力的误解,必须对热裂应力的发生和发展进行深入的研究,待成熟后再列出计算公式,在没有计算公式的情况下,要采取必要的构造措施来防止热炸裂。

2.玻璃的切断

此与一般用刀或剪之类的切断概念是不同的,玻璃的切断是由刀具造成细微的伤口,然后再进行切断,玻璃切断的原理是刀具在玻璃上留下刻痕,这时玻璃内部产生三条裂缝,其中两条沿表面左右分开,另一条为垂直向下方伸展的竖缝,在竖缝的端部产生拉应力,再加上曲折的力,竖缝向下伸展出去便可把玻璃切断,玻璃在裁划折断时,沿玻璃周边隐藏着许多细微裂子,这些裂子在各种效应与热应力影响下,会扩展成裂缝,裂缝进一步发展导致玻璃破裂,因此在裁划后,要用专用磨边机对玻璃边缘进行处理,消除玻璃周边隐藏的细微裂子。

3.玻璃受温度变化影响

会热胀冷缩,玻璃的线胀系数为1×,一块边长1500mm的玻璃,当温度升高80℃时会伸长1.2mm。如果在安装时玻璃与镶嵌槽底紧密接触,一旦伸长就会产生挤压应力,这种应力很大,σt=αEΔT。当ΔT=80℃时σt=1×.72×105×80=57.6N/mm2,大于浮法玻璃强度标准值,因此在设计玻璃幕墙节点时,应使玻璃边缘与镶嵌槽底板间留有配合间隙,防止玻璃产生挤压应力。JGJ中式5.4.3给出在年温度变化影响下,玻璃边缘与边框之间发生挤压时,在玻璃中产生的挤压温度应力σt1的计算公式:σt1=E[αΔt-(2c-de)/b]。在修订时已将此公式删除,主要是该公式对挤压温度应力的描述不符合温度挤压应力的规律,即温度挤压应力不会随αΔt-(2c-de)/b变化,但并不是说规范否定了温度挤压应力,而是要求在构造上采取措施,务必使玻璃不产生挤压应力。

4.幕墙施工的质量

也是关系到玻璃开裂的重要原因,JGJ102规范规定了玻璃边缘与槽口的配合尺寸,它的目的就是保证玻璃在温度变化和其他因素影响下能自由伸缩,一旦出现阻碍玻璃自由伸缩的因素,玻璃就会破裂,如果在玻璃边缘与镶嵌槽底板之间存在一粒很微小的固体颗粒(即使该颗粒的直径 1mm)也会使玻璃挤压破裂,有时在玻璃边缘有一颗钉子(即使直径 1mm)阻碍玻璃伸缩也会使玻璃破裂,玻璃槽口两侧不能用干硬材料填塞,这些材料体积变化对玻璃产生挤压而使玻璃破裂,玻璃在平面外作用的影响下会产生挠曲,如果嵌缝材料阻碍玻璃变曲变形亦会使玻璃破裂,必须用弹性材料填缝,填缝材料要保持必要的弹性以保证玻璃自由挠曲变形。

5.主体结构

玻璃幕墙依附的主体结构在风荷载和地震作用下会产生层间变位,它强制幕墙(由立柱、横梁组成的)框格和它同步变位,这时框格由矩形变成菱形,如果玻璃边缘与镶嵌槽底板间没有足够的间隙适应这种变位,也会将玻璃挤碎。因此JGJ102规范(修订稿)规定,明框幕墙玻璃边缘至边框槽底的间隙应符合下式的要求:

2×(C.5)×[1+(L1/L2)×(C.5)/(C.5)]≥[Δu]

[Δu]应根据主体结构弹性层间位移限值的3倍确定。

6.钢化玻璃中的硫化镍杂质

会导致玻璃破裂。生产玻璃的原料中通常含有微量的镍和硫,熔化过程中镍合金碎片也会增加玻璃中的镍含量。当玻璃被加热时,这些原子发生反应,形成微小的硫化镍晶体。熔炉中0.1克镍可以形成的晶体数量多达5万个。

这些晶体以两种方法存在:高温下稳定的密度较大的α相和室温下稳定的密度小一些的β相。强化过程中的高温把所有的硫化镍晶体都转化成高密度的α相。但是接下来的冷却过程如此迅速,以致于硫化镍晶体没有足够的时间重新转化成β相。这在玻璃中遗留下不稳定的α相晶体,它就像被压缩的弹簧一样随时准备毫无征兆地重新转化为β相。

硫化镍晶体由α相转化成β相时体积膨胀4%。如果α相晶体位于张力最大的玻璃中央,膨胀产生的压力可以使整块玻璃破裂。破裂时间无法预测,可能是生产出来的几个月或几十年后,尽管玻璃被日光加热会加快晶体的转化速度。

玻璃厂家迄今没有找到从源头上消除这种杂质的方法。不过,他们正努力寻找防止玻璃中硫化镍晶体产生危害的方法。20世纪60年代皮尔金顿公司和圣戈班公司发明了热浸法。热浸法通过给玻璃加热数小时后使之强化,其目的是把大多数硫化镍晶体转化成β相,使含有杂质的玻璃在熔炉中破碎。存留下来的玻璃差不多可被当作不含杂质。

然而,热浸法迄今为止也没有成为被广泛接受的标准。惟一的标准——德国标准化协会(DIN)标准诞生于20世纪80年代初,它建议在290℃对玻璃热浸8h。但是即使在德国,也只有部分钢化玻璃采用这种方法生产。而且,热浸法使玻璃成本提高1~4倍。为了降低成本,有的公司热浸时间短或者温度低。

即使完全按标准生产,也不能彻底避免玻璃破碎。大型建筑物轻易就会用上几百吨玻璃,这意味着玻璃中硫化镍存在的几率很大。

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