點支式鋼化和夾膠玻璃板的循環(huán)疲勞試驗研究

舒贛平 盧瑞華 李海云 石永久 王元清

(1東南大學土木工程學院，南京210096)

(2清華大學建筑玻璃與金屬結(jié)構(gòu)研究所，北京100084)

點支式玻璃結(jié)構(gòu)視野開闊，通透性好，布置靈活，因而被廣泛應用于建筑玻璃幕墻和采光頂.其在整個使用壽命期內(nèi)主要是承受大小和方向隨機變化的風荷載作用，結(jié)構(gòu)一直處于微振動環(huán)境下工作.對于點支式玻璃結(jié)構(gòu)設計，通常是按短期荷載的強度進行.由于玻璃板在制備過程中就含有大量的Griffith裂紋，這些微觀缺陷可能在長期荷載作用下成為玻璃損傷的起源，降低了玻璃的強度.在實際工程中，一些玻璃結(jié)構(gòu)在風荷載幅值很大時(如遭遇臺風或颶風襲擊等)，會發(fā)生玻璃破碎，這引起了業(yè)內(nèi)學者對玻璃結(jié)構(gòu)在各種荷載作用下的斷裂性能的高度關(guān)注.

目前對造成玻璃脆性破裂的機理剖析進行了相當多的富有爭議的研討，但仍缺乏令人信服的理論結(jié)論.大部分學者都是通過試驗研究，觀察玻璃的失效模式及伴隨的試驗現(xiàn)象，如破壞起源點、玻璃碎片的大小等，來診斷玻璃破壞原因.引起玻璃破壞的原因主要有:玻璃受壓或玻璃的支撐構(gòu)件不穩(wěn)定造成玻璃屈曲破壞;玻璃受過大的拉應力而斷裂;玻璃表面明顯的劃痕和玻璃制造期間殘留在玻璃內(nèi)的包含物(氣泡、鎳化硫等)導致玻璃過早破裂［1］.

玻璃在循環(huán)荷載作用下的疲勞稱為循環(huán)疲勞.玻璃疲勞的含義不同于金屬疲勞，它分為靜疲勞、動疲勞和循環(huán)疲勞.到目前為止，國內(nèi)外對建筑玻璃疲勞方面的研究主要集中在靜疲勞和動疲勞［2-5］，而在循環(huán)疲勞下的力學性能研究還處于起步階段，相關(guān)文獻資料甚少.德國學者Boxheimer等［6］對簡支的鋼化玻璃板(500 mm×100 mm)在三點受彎下的循環(huán)疲勞性能進行了初步研究，認為采用三點受彎可以使鋼化玻璃板斷裂起源點基本出現(xiàn)在加載點附近，能夠減少玻璃表面加工狀況對玻璃疲勞強度，更好地確定循環(huán)荷載作用下的玻璃強度.試驗表明:荷載頻率15 Hz，疲勞極限為2×106次的38塊鋼化玻璃板的循環(huán)疲勞強度的平均值比不進行疲勞試驗同批次的10塊鋼化玻璃板強度的平均值低約10%.Sackmann等［7］對4塊兩對邊簡支四點受彎PVB夾膠玻璃板(1 000 mm×360 mm)進行了1×104次諧波循環(huán)，得到夾膠玻璃板在循環(huán)荷載作用下其抗彎剛度沒有下降的結(jié)果［7］.石永久等［8］進行了3塊點支式單層鋼化玻璃板和3塊夾膠玻璃板在集中力下的高頻疲勞試驗研究，結(jié)果表明:荷載頻率25 Hz，試件經(jīng)過2×106次疲勞循環(huán)后，試件及連接件均未出現(xiàn)斷裂;在疲勞加載后的靜載破壞試驗中發(fā)現(xiàn)，玻璃的極限抗彎承載力幾乎沒有減弱.為了更全面了解點支式玻璃結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，本文進行了點支式鋼化玻璃板和夾膠玻璃板在板中受集中荷載作用下的循環(huán)疲勞試驗.

1 試驗方案

為確定材料或構(gòu)件的疲勞特性，通常采用一組標準試件進行疲勞試驗以獲得等幅循環(huán)最大荷載-循環(huán)次數(shù)(S-N)曲線，即分別在給定的循環(huán)應力下對每個試件進行試驗，記錄試件破壞時的循環(huán)次數(shù)N.

1.1 試件設計

試驗采用的玻璃板尺寸為1 m×1 m，孔口直徑36 mm，孔邊距100 mm.緊固件為香港堅朗的浮頭式駁接頭.夾膠玻璃板由兩片鋼化玻璃夾一層PVB膜熱壓成型.設計了4組試件進行靜載試驗和疲勞試驗，試件編號及相關(guān)參數(shù)見表1，其中試件JC-n和JZ-n用于靜載破壞試驗，DCA-n和DZ-n用于疲勞試驗，其中，n為試件編號.

表1 試件編號及參數(shù)

1.2 試驗裝置

試驗在MTS244.31型疲勞試驗機上進行，該試驗機最大加載能力為250 kN，加載頻率為0～20 Hz.

玻璃試件通過4個駁接頭安裝在下部支承鋼架上，加載頭底面中心焊接一直徑為60 mm鋼半球，以便在玻璃板中心施加集中荷載.為了避免鋼球與玻璃板的剛性接觸，在玻璃板中心墊一塊厚度為3 mm、邊長30 mm的正方形橡膠片，試驗加載裝置如圖1所示.

圖1 加載裝置

1.3 試驗方法

1)疲勞試驗頻率和波形.f=2 Hz，正弦波.

2)加載方式.靜載試驗和疲勞試驗均采用面外板中心集中加載.由于疲勞試驗機在加載低于2 kN時，荷載控制有時不夠穩(wěn)定，易產(chǎn)生共振，因而試件最小荷載均定為2 kN.

3) 疲勞極限.取N=5×105作為疲勞極限［9］.

4)測點布置和數(shù)據(jù)采集.玻璃面板的最大主拉應力可能出現(xiàn)在板下表面中心，最大撓度也在板中心.玻璃板下表面的測點布置如圖2所示，其中，測點A為靜態(tài)應變測點，B為動態(tài)應變測點，C為位移測點.板中心撓度由MTS疲勞試驗機不間斷自動采集.測點C1，C2和C3的位移由位移計測出.

為獲得試件在整個循環(huán)加載過程中的應變變化規(guī)律，采用DH3817動態(tài)應變采集儀不間斷測量動態(tài)應變.另外，在荷載循環(huán)到一定次數(shù)后暫停加載，卸載至零后，分級加靜載，采用靜態(tài)應變儀采集其靜態(tài)應變，而后繼續(xù)加循環(huán)荷載.

圖2 測點布置及編號圖(單位mm)

2 試驗現(xiàn)象

靜載和疲勞試驗中鋼化玻璃和夾膠玻璃所有試件破壞均在板中心附近首先破裂，然后迅速向四周呈放射狀擴散直至整片玻璃.夾膠玻璃試件疲勞破壞時既有2片幾乎同時破壞，又有僅下片破壞的.夾膠玻璃只有下片疲勞破壞時，卸載后試件幾乎沒有撓度.圖3是夾膠玻璃板僅下表面破壞時板中心局部詳圖，圖中黑線交叉點處為加載點，裂紋起始于圖中方框處，其破壞源不一定在加載點，而可能是在加載點附近.這是由于鋼化玻璃板和夾膠玻璃板內(nèi)有大量Griffith裂紋，微裂紋隨循環(huán)次數(shù)的增加而緩慢發(fā)展，玻璃內(nèi)某一薄弱區(qū)域的平均最大拉應力達到其極限拉應力，玻璃試件就發(fā)生高脆性破壞.鋼化玻璃和夾膠玻璃試件疲勞破裂的現(xiàn)象和靜載試驗的破壞現(xiàn)象基本一致［10］.

經(jīng)循環(huán)荷載作用后，除駁接爪與玻璃接觸處的氟碳涂層有少量脫落和駁接頭球桿頭與底座套筒間轉(zhuǎn)動更靈活外，未發(fā)現(xiàn)駁接頭的球桿有明顯的軸向位移.

圖3 夾膠玻璃破壞圖

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 靜載試驗

鋼化玻璃和夾膠玻璃靜載破壞試驗均采用逐級加載方法，結(jié)果見表2.由圖4可見，鋼化玻璃和夾膠玻璃的荷載-板中心撓度曲線呈非線性.鋼化玻璃和夾膠玻璃的最大拉應力位于板下表面中心處，下表面各測點的主拉應力均隨荷載的增大而線性增大，結(jié)果見圖5.試驗表明，鋼化玻璃和夾膠玻璃破壞前一直處于彈性狀態(tài);破壞前，無任何征兆，呈現(xiàn)出高脆性破壞.

表2 鋼化玻璃和夾膠玻璃靜載破壞試驗結(jié)果

圖4 靜載試驗荷載-板中心撓度曲線

圖5 靜載試驗荷載與測點應力的關(guān)系

3.2 疲勞試驗

3.2.1 鋼化玻璃疲勞試驗

鋼化玻璃的疲勞破壞試驗循環(huán)荷載與循環(huán)次數(shù)的關(guān)系見表3和圖6.圖7為鋼化玻璃在循環(huán)加載過程中荷載-板中心撓度曲線.

表3 鋼化玻璃等幅循環(huán)下的試驗結(jié)果

圖6 鋼化玻璃等幅循環(huán)次數(shù)與循環(huán)最大荷載關(guān)系

所有鋼化玻璃試件在循環(huán)過程中表現(xiàn)出的特性基本類似，從圖7中可得到:

圖7 鋼化玻璃循環(huán)荷載-板中心撓度曲線

1)首次循環(huán)前，先加靜載后卸載至零，卸載過程的荷載-撓度曲線沒有重復加載過程的軌跡.經(jīng)過十幾次循環(huán)后，加卸載的軌跡循環(huán)基本重合，循環(huán)荷載-板中心撓度曲線形狀相同，僅沿位移軸方向有微量平動.循環(huán)初期沿位移軸方向的移動數(shù)值要大些，隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增量逐漸減小.這是由于固定駁接頭的支座孔洞比駁接頭球桿大2 mm，循環(huán)過程中球桿與支座產(chǎn)生了平動，循環(huán)初期平動值較大，以后逐漸減小.

2)無論是靜載破壞試驗，還是疲勞循環(huán)試驗，所有鋼化玻璃試件的荷載-板中心撓度曲線均呈弱非線性.

3)在整個循環(huán)過程中，鋼化玻璃試件的荷載-板中心撓度曲線的曲率和斜率幾乎沒有變化.即隨循環(huán)次數(shù)的增加，鋼化玻璃的抗彎剛度沒有明顯衰減.

4)鋼化玻璃在循環(huán)荷載最大值為10 kN時，循環(huán)時間為3～11 min，接近于靜載試驗;鋼化玻璃在8 kN時，沒出現(xiàn)循環(huán)疲勞破壞.通常S-N曲線是根據(jù)應力比R=－1擬合繪制的，其他應力比則根據(jù)大量實驗數(shù)據(jù)進行換算得到.由于玻璃的疲勞和金屬疲勞的特性截然不同，沒有經(jīng)驗公式可供選用.本次試驗鋼化玻璃的應力比在R=0.20～0.25范圍內(nèi)，其疲勞主要與循環(huán)最大荷載有關(guān);與循環(huán)荷載最小值關(guān)系不大.圖6中的直線表示擬合得到的S-N曲線(R=0.20～0.25)，采用指數(shù)函數(shù)表示為

5)鋼化玻璃經(jīng)過5×105次疲勞加載后，卸載至零，再加靜載至破壞，其靜載抗彎承載力沒有降低.

6)綜合鋼化玻璃試件在循環(huán)過程中其抗彎剛度幾乎沒有變化及試件DCA-7的實驗結(jié)果說明，鋼化玻璃在荷載低于其靜載平均破壞荷載的80%時，幾乎不會發(fā)生循環(huán)疲勞破壞.

3.2.2 夾膠玻璃疲勞試驗

影響夾膠玻璃強度的因素要比單層鋼化玻璃復雜得多.夾膠玻璃的工作性能與夾層PVB的抗剪剛度密切相關(guān)，PVB的力學特性隨溫度和荷載持續(xù)時間而變化(見圖8)，呈現(xiàn)出線性黏彈性［11］.

圖8 PVB的剪切模量與溫度和時間的關(guān)系

夾膠玻璃試件共有18個，其中試件DZ-1～DZ-6的試驗環(huán)境溫度為11～15℃，其余12個試件試驗溫度為22～30℃.由圖8可知:溫度在10℃時，PVB的剪切模量在5 h內(nèi)由10 MPa迅速減少到2 MPa，而后隨持荷時間增長，剪切模量緩慢減小;溫度在20～30℃范圍時，PVB的剪切模量在0.25～0.6 MPa之間，且在5 h之后，剪切模量基本保持不變.

夾膠玻璃的疲勞試驗首先采用等幅循環(huán)加載，試驗結(jié)果見表4和圖9.

圖9(a)和(b)繪出了等幅疲勞夾膠循環(huán)破壞前或5×105次(達到5×105次沒有循環(huán)破壞的試件)循環(huán)時的循環(huán)荷載-板中心撓度曲線.試驗環(huán)境溫度為11～15℃時，夾膠試件在循環(huán)過程中的荷載-板中心撓度曲線沒有明顯的滯回環(huán);而試驗環(huán)境溫度為22～30℃時，有明顯的滯回環(huán).

表4 夾膠玻璃等幅循環(huán)下的試驗結(jié)果

圖9 夾膠玻璃板等幅循環(huán)荷載-板中心撓度曲線

夾膠玻璃疲勞試件在整個循環(huán)過程中的荷載-板中心撓度曲線與鋼化玻璃板有以下不同:

1)夾膠玻璃疲勞試件的荷載-板中心撓度曲線在循環(huán)加載上升段呈線性關(guān)系.但與循環(huán)到一定次數(shù)后停止動載，卸載至零后，再加靜載的荷載-板中心撓度曲線不同.由圖9(c)試件DZ-6在循環(huán)2×105次前和2×105次后加靜載的曲線可見，夾膠玻璃板在循環(huán)過程中抗彎剛度要大于卸載后再加靜載的剛度.而鋼化玻璃在循環(huán)過程中抗彎剛度與卸載后再加靜載的剛度一致.

2)圖9(d)為試件DZ-6在不同循環(huán)次數(shù)下的荷載-板中心撓度曲線，從圖中可看出，循環(huán)初期板的撓度增加較多，隨著循環(huán)次數(shù)的增加而增量逐漸減小.這主要是由于試件的夾膠層PVB的剪切模量隨持荷時間的增加而隨之降低，表明夾膠玻璃的抗彎剛度在循環(huán)初期隨循環(huán)次數(shù)的增加而稍有降低.循環(huán)5×104次之后，板中心撓度，即板的抗彎剛度隨循環(huán)次數(shù)的增加幾乎不變.

夾膠玻璃經(jīng)過5×105次疲勞加載后，卸載至零，再進行靜載破壞試驗，其靜載抗彎承載力沒有明顯降低.

從鋼化玻璃等幅循環(huán)破壞和夾膠等幅循環(huán)破壞發(fā)現(xiàn)，在某一應力水平下循環(huán)5×104次之內(nèi)沒有破壞，則在該應力水平下很可能循環(huán)到5×105次.故試件DZ-10～DZ-15采用了逐級遞增的階梯加載方式，具體加載方式見表5.

階梯加載循環(huán)中，并沒發(fā)現(xiàn)階梯循環(huán)加載和等幅循環(huán)加載之間有明顯不同.由于試件的抗彎剛度在循環(huán)5×104次之后隨循環(huán)次數(shù)的增加變化不大，所以在階梯加載循環(huán)中，可只考慮循環(huán)破壞時對應循環(huán)荷載級別下的循環(huán)次數(shù).圖10為夾膠玻璃循環(huán)次數(shù)與循環(huán)最大荷載之間的關(guān)系，圖中，階梯加載的疲勞壽命只計其循環(huán)破壞時對應循環(huán)荷載級別下的循環(huán)次數(shù).

夾膠玻璃疲勞試驗中，在某一應力水平下循環(huán)破壞，可認為其在低一級應力水平下可循環(huán)5×105次.因此，本次試驗共有15個試件，除 DZ-5外，計算夾膠玻璃的平均疲勞極限荷載至少為

其標準差為1.917 kN，變異系數(shù)11.47%.

圖10 夾膠玻璃循環(huán)次數(shù)與循環(huán)最大荷載關(guān)系

表5 試件在階梯循環(huán)加載下的破壞荷載

4 結(jié)論

1)點支式鋼化玻璃疲勞試件破壞前，撓度和應力隨循環(huán)次數(shù)均沒有明顯變化，而是瞬間陡增，發(fā)生高脆性破壞.鋼化玻璃在循環(huán)荷載下荷載-板中心撓度曲線略呈非線性，且隨循環(huán)次數(shù)的增加鋼化玻璃的抗彎剛度沒有明顯變化.

2)點支式夾膠玻璃的疲勞性能在一定的溫度范圍內(nèi)，隨試驗環(huán)境溫度的增加而減小.溫度在11～15℃范圍內(nèi)，沒有明顯的滯回環(huán);溫度在22～30℃范圍內(nèi)，有明顯的滯回環(huán).

3)點支式夾膠玻璃的等幅循環(huán)加載的荷載-板中心撓度曲線在循環(huán)初期撓度隨著循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大，但循環(huán)超過5×104次之后，板中心撓度幾乎不隨循環(huán)次數(shù)的增加而變化.

4)鋼化玻璃和夾膠玻璃經(jīng)過5×105次循環(huán)加載后，卸載至零，再進行靜載破壞試驗，其靜載抗彎承載力沒有明顯降低，表明鋼化玻璃和夾膠玻璃抗疲勞性能很好.

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