不同邊界條件下玻璃橋面板承載力試驗(yàn)研究

唐 鵬，宮 賽，梁 鵬，程 高，蘇巨峰

1)長(zhǎng)安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064; 2)南陽理工學(xué)院，河南南陽 473004;3)陜西省公路橋梁與隧道重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西西安 710064

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展及人民生活水平的提高，建筑玻璃的功能不再局限于滿足采光要求，而要具有安全、承重、藝術(shù)裝飾、調(diào)節(jié)光線和保溫隔熱等特性[1].近年來，玻璃橋面板以結(jié)構(gòu)自重輕、強(qiáng)度高、透光性好和節(jié)能環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，被應(yīng)用于人行景觀橋梁中，并很快吸引了國(guó)內(nèi)外學(xué)者、橋梁工程師和新聞媒體的關(guān)注[2].但玻璃板的強(qiáng)度因荷載、邊界條件及厚度的不同而各異，且具有一定的離散性[3].很多學(xué)者對(duì)景觀區(qū)域人行玻璃橋面板進(jìn)行了受力分析.王勛等[4]給出了四邊簡(jiǎn)支板在均布荷載作用下的應(yīng)力和變形解析表達(dá)式.王元清等[5-8]將面內(nèi)受彎玻璃板等效為兩邊簡(jiǎn)支或固支的板梁，指出面內(nèi)受彎玻璃板的承載力與板厚和高跨比呈正相關(guān)關(guān)系.劉強(qiáng)等[9]分析夾層玻璃梁在短期及長(zhǎng)期荷載作用下的受彎性能.殷永煒等[10]在均布荷載作用下，對(duì)點(diǎn)支式中空和夾層玻璃的短期和長(zhǎng)期荷載性能進(jìn)行試驗(yàn)研究.張楊梅等[11-13]認(rèn)為四邊簡(jiǎn)支夾層玻璃在靜力荷載作用下的荷載位移曲線接近于線性分布.現(xiàn)階段研究主要集中于四邊簡(jiǎn)支板和單向板在均布荷載作用下的理論計(jì)算，目前尚未見將玻璃板應(yīng)用于車行橋面板中的試驗(yàn)研究和理論分析，且注重荷載施加持續(xù)性的研究較少.為研究玻璃橋面板適用車輛行駛的技術(shù)可行性，本研究從車行橋面板受力特性的邊界條件及輪壓面積出發(fā)，對(duì)車輪荷載作用在不同邊界條件下3層聚乙烯醇縮丁醛(polyvinyl butyral，PVB)夾層玻璃板和單層玻璃板的承載力進(jìn)行試驗(yàn)研究，分析了車輪荷載在不同邊界條件和最不利荷載位置時(shí)玻璃板的破壞形態(tài)、荷載-位移曲線、安全性能及剛度，為實(shí)際工程提供參考.

1 試驗(yàn)概況

1.1 試件設(shè)計(jì)

確定單層鋼化玻璃試件設(shè)計(jì)尺寸為120 cm×120 cm，厚度為12 mm，具體參數(shù)如表1.玻璃板試件根據(jù)主流車型車重統(tǒng)計(jì)，載重一般小于30 kN，即單輪最大輪重為7.5 kN.輪胎與地面的接觸面呈橢圓形分布，為便于計(jì)算，按矩形簡(jiǎn)化處理，接觸面積與汽車總質(zhì)量和輪胎寬度均呈正比.

表1 試件參數(shù)

1.2 試驗(yàn)內(nèi)容與方法

為分析玻璃板邊界條件對(duì)玻璃板破壞形態(tài)和極限承載力的影響，分別進(jìn)行了四邊簡(jiǎn)支和兩邊簡(jiǎn)支的玻璃板承載力試驗(yàn).試驗(yàn)中輪壓荷載位于玻璃板中央，輪壓面積分別為200 mm×100 mm和200 mm× 200 mm，采用橡膠墊模擬車輪作用于玻璃板.車行橋面板用玻璃進(jìn)行承載能力性能檢測(cè).根據(jù)玻璃生產(chǎn)批次，每批次按照總數(shù)的5%且不少于5塊隨機(jī)抽樣，進(jìn)行正常使用承載能力檢測(cè)(非破壞試驗(yàn)).在上述抽樣中，每批次隨機(jī)選取3塊玻璃，進(jìn)行極限承載能力檢測(cè)(破壞試驗(yàn)).共選取8塊夾層玻璃，其中，3塊用于極限承載力破壞性試驗(yàn)，5塊用于正常使用狀態(tài)的非破壞性試驗(yàn)[14].

輪壓荷載施加采用單調(diào)分級(jí)加載，先用荷載控制分級(jí)加至70%預(yù)估極限荷載，再改為位移加載.當(dāng)荷載施加到峰值的95%時(shí)，停止加載，以加載過程中的荷載最大值作為試件的極限承載力，直至玻璃破壞.

1.3 試驗(yàn)設(shè)備

本研究采用陜西省橋梁結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室的1 000 kN微機(jī)控制電液伺服壓力試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行承載力試驗(yàn)，采用位移傳感器測(cè)量玻璃板的變形量，采用應(yīng)變計(jì)測(cè)試玻璃板外表面應(yīng)變變化，采用日本TDS-302靜態(tài)數(shù)據(jù)采集儀進(jìn)行位移和應(yīng)變數(shù)據(jù)采集測(cè)試，采用高清攝像機(jī)記錄破壞過程和破壞結(jié)果.

1.4 試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)布置

分別沿玻璃板的長(zhǎng)度和寬度方向等間距布置4列應(yīng)變片，單層玻璃測(cè)點(diǎn)布置如圖1，試驗(yàn)溫度為25 ℃.夾層玻璃的位移和應(yīng)變測(cè)點(diǎn)布置與單層玻璃相同.

圖1 單層玻璃測(cè)點(diǎn)布置(單位：mm)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 四邊簡(jiǎn)支玻璃板

荷載位于板中央，試驗(yàn)組包括4塊夾層玻璃和1塊單層玻璃.其中，夾層玻璃試件編號(hào)分別為JG001、JG002、JG003和JG008，單層玻璃試件編號(hào)為DG001.夾層玻璃及單層玻璃的受力及破壞形態(tài)分別如圖2和圖3.由圖2可知，夾層玻璃試件達(dá)到極限荷載后，出現(xiàn)脆性破壞，受力處出現(xiàn)細(xì)小裂紋，最下層玻璃瞬間破壞，地面上僅有數(shù)片碎小玻璃渣，但直徑均小于1 cm，其余部位呈現(xiàn)大面積網(wǎng)狀裂紋.單層玻璃試件達(dá)到極限荷載后，伴隨“啪”的響聲，呈脆性破壞，聲響明顯較夾層玻璃大, 玻璃板從開裂到破碎在1/24 s內(nèi)完成，玻璃破碎后大部分碎塊呈立方體狀，長(zhǎng)寬尺寸約為2～5 cm.

圖2 四邊簡(jiǎn)支夾層玻璃破壞形態(tài)

圖3 四邊簡(jiǎn)支單層玻璃破壞形態(tài)

取玻璃板破壞前的荷載作為結(jié)構(gòu)的極限承載力，夾層玻璃的極限承載力分別為49.6、58.5和72.1 kN，均值為60.1 kN，單層玻璃的極限承載力為21.6 kN.JG008試件加載墊塊尺寸為200 mm×200 mm，極限承載力為58.1 kN.

2.2 兩邊簡(jiǎn)支玻璃板

當(dāng)荷載位于板中央，兩邊簡(jiǎn)支玻璃板試驗(yàn)組包括1塊夾層玻璃和2塊單層玻璃.夾層玻璃板試件編號(hào)為JG007，單層玻璃板試件編號(hào)為DG004和DG005.其中，單層玻璃DG004的加載墊塊尺寸為200 mm×100 mm，單層玻璃DG005的加載墊塊尺寸為200 mm×200 mm.各類試件的破壞形態(tài)分別如圖4和圖5.由圖4可知，夾層玻璃試件JG007和JG008達(dá)到極限荷載時(shí)，玻璃板向下彎曲變形明顯，玻璃板支承邊翹起，破壞時(shí)出現(xiàn)脆性破壞，最底層玻璃發(fā)生瞬間破壞，地面上僅有數(shù)片碎小玻璃渣，但直徑都不足1 cm.由圖5可知，單層玻璃試件DG004和DG005達(dá)到極限荷載后，玻璃板彎曲變形明顯，玻璃板支承邊翹起，破壞時(shí)伴隨“啪”的響聲，呈脆性破壞，聲響明顯較夾層玻璃大，玻璃板從開裂到破碎在1/24 s內(nèi)完成，玻璃破碎后大部分碎塊呈立方體狀，邊長(zhǎng)尺寸約為2～5 cm.

圖4 兩邊簡(jiǎn)支夾層玻璃破壞形態(tài)

圖5 兩邊簡(jiǎn)支單層玻璃破壞形態(tài)

圖6給出了兩邊簡(jiǎn)支情況下玻璃板的荷載-位移曲線.由圖6可知，夾層玻璃的極限承載力為42.0 kN，單層玻璃的極限承載力分別為11.1 kN和11.7 kN.

圖6 荷載-位移曲線

2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

從極限承載力上看，玻璃板的邊界條件顯著影響玻璃板的極限承載力，不同邊界條件的對(duì)比如表2.由表2可知，對(duì)于單層玻璃，兩邊簡(jiǎn)支玻璃板的極限承載力約為四邊簡(jiǎn)支玻璃板極限承載力的53.7%；對(duì)于夾層玻璃，兩邊簡(jiǎn)支玻璃板的極限承載力約為四邊簡(jiǎn)支玻璃板極限承載力的66.7%；通過對(duì)比100 mm×200 mm和200 mm×200 mm兩種加載面積下玻璃板的承載力，發(fā)現(xiàn)單層玻璃和夾層玻璃的極限承載力相差不大.

表2 極限承載力結(jié)果比較

3 結(jié)構(gòu)受力驗(yàn)證性試驗(yàn)

3.1 車輪荷載

通過多組輪壓荷載作用分析夾層玻璃板的承載力.試驗(yàn)中輪壓接觸面尺寸為100 mm×200 mm，玻璃板的邊界條件為四邊簡(jiǎn)支.從滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求的角度出發(fā)，荷載作用于板角部是最不利工況；從滿足結(jié)構(gòu)剛度要求的角度出發(fā)，荷載作用于板中央是最不利工況.因此，在以上兩種最不利工況下，分別以0.8、1.0、1.2、1.5、1.8和2.0倍的車輪荷載對(duì)夾層玻璃進(jìn)行加載，得到夾層玻璃板的最大應(yīng)變值和最大變形量，如表3和表4.其中，玻璃材料的彈性模量為8.8×104MPa.《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》(JGJ 113—2015)中規(guī)定了長(zhǎng)期荷載作用下玻璃強(qiáng)度的設(shè)計(jì)值，12 mm鋼化玻璃在板中部強(qiáng)度為42 MPa，邊緣強(qiáng)度為34 MPa，在端面強(qiáng)度為30 MPa.可見，正常使用狀態(tài)下玻璃橋面板的最大拉應(yīng)力滿足規(guī)范強(qiáng)度要求[15-18].

表3 荷載作用在板中央時(shí)應(yīng)變、應(yīng)力及最大變形量與荷載的對(duì)應(yīng)關(guān)系

3.2 承載能力試驗(yàn)

為驗(yàn)證汽車輪壓荷載作用下玻璃橋面板的承載力和剛度是否滿足使用功能要求，進(jìn)行破壞性試驗(yàn)和非破壞性試驗(yàn).破壞性試驗(yàn)試件編號(hào)分別為JG009、JG010和JG011.采用200 mm×100 mm的橡膠墊模擬車輪作用，將荷載布置于玻璃板中央，加載至玻璃板開裂破碎為止.各試件的破壞形態(tài)基本一致.試件達(dá)到極限荷載后，均出現(xiàn)脆性破壞，最底層玻璃瞬間破壞，地面上僅有數(shù)片碎小玻璃渣，但直徑都不足1 cm.試驗(yàn)的破壞形態(tài)如圖7.

表4 荷載作用在板角部時(shí)應(yīng)變、應(yīng)力及最大變形量與荷載的對(duì)應(yīng)關(guān)系

圖7 試驗(yàn)破壞形態(tài)

3.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

實(shí)測(cè)的荷載-板中央撓度曲線如圖8.玻璃板在達(dá)到極限荷載前，荷載與板中央撓度基本呈線性變化.玻璃板的極限承載力分別為38.2、38.6 和43.7 kN，達(dá)到極限承載力時(shí)對(duì)應(yīng)的板中央撓度分別為10.41、10.83和12.54 mm.令玻璃板的極限承載力與汽車的輪壓荷載之比為結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，可算得各玻璃板的安全系數(shù)分別為5.09、5.14和5.82，均大于5，可見，玻璃橋面板能夠滿足結(jié)構(gòu)承重的要求.

圖8 荷載-板中央撓度曲線

非破壞試驗(yàn)是剔除非彈性變形，得到玻璃橋面板輪壓荷載為7.5 kN時(shí)的板中央撓度，從而評(píng)價(jià)橋面板的剛度是否滿足相關(guān)規(guī)范要求.根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，5個(gè)玻璃板達(dá)到7.5 kN時(shí)對(duì)應(yīng)的板中央撓度值分別為1.695、1.775、2.241、1.824和2.145 mm.由于玻璃板在輪壓荷載作用下板中央撓度值相對(duì)較小，實(shí)測(cè)撓度受支承方式和結(jié)構(gòu)偏心等因素影響，試驗(yàn)值具有一定的離散性，按照最不利原則取最大撓度值進(jìn)行結(jié)構(gòu)剛度的評(píng)價(jià).在輪壓荷載為7.5 kN時(shí)，結(jié)構(gòu)板中央最大變形量為2.241 mm，約為板寬邊長(zhǎng)度的1/446，小于《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》(JTJ 102—2003)規(guī)定的1/200，能夠滿足正常使用狀態(tài)下玻璃板的剛度要求.

4 結(jié) 論

綜上研究可知：

1)單層玻璃破壞前，玻璃板4個(gè)角向上明顯翹起，但未見有裂紋或可見損傷.破壞過程非常迅速，破壞過程在1/24 s以內(nèi)完成，玻璃瞬間開裂，裂紋遍布整個(gè)板面，并迅速向四周濺射.破壞后，玻璃板整體破碎嚴(yán)重，玻璃碎塊基本保持為鈍角，大大減少人員傷害程度.夾層玻璃破壞前，玻璃板4個(gè)角向上微微翹起，但未見有裂紋或可見損傷.破壞過程非常迅速，最底層玻璃板瞬間開裂，裂紋遍布整塊玻璃，但破壞時(shí)未有玻璃碎片飛出，僅有細(xì)微玻璃碎渣脫落.

2)單塊玻璃板受支承條件和輪壓作用位置影響顯著，兩邊簡(jiǎn)支玻璃板極限承載力約為四邊簡(jiǎn)支玻璃板的一半.

3)夾層玻璃板受邊界條件和輪壓作用位置影響顯著，兩邊簡(jiǎn)支玻璃板的極限承載力約為四邊簡(jiǎn)支玻璃板極限承載力的66.7%.輪壓荷載作用于板中時(shí)玻璃板變形最大，輪壓荷載作用于板角時(shí)玻璃板應(yīng)力最大.

4)根據(jù)隨機(jī)抽取的玻璃板受壓試驗(yàn)，玻璃板的極限承載力分別為38.2、38.6和43.7 kN.玻璃板的結(jié)構(gòu)安全系數(shù)大于5，玻璃橋面板能夠滿足結(jié)構(gòu)承重的要求.正常使用狀態(tài)下，即汽車車輪荷載為7.5 kN時(shí)，荷載作用在玻璃板中央產(chǎn)生最大變形量2.241 mm，與玻璃寬度比為1/446，能夠滿足結(jié)構(gòu)剛度的要求.