鋼雨棚鋼化夾膠玻璃爆裂原因及抗裂措施

陸 雁 飛

(南通職業(yè)大學(xué)，江蘇 南通 226007)

1 概述

本文所討論的鋼雨棚鋼化夾膠玻璃雨棚是一個(gè)公共建筑的懸挑鋼結(jié)構(gòu)雨棚，建于20世紀(jì)90年代中期，由于當(dāng)時(shí)建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)較低，設(shè)計(jì)時(shí)懸挑鋼結(jié)構(gòu)的剛度較小及鋼化夾膠玻璃與鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)件間未設(shè)置柔性膠墊等因素，導(dǎo)致玻璃經(jīng)常爆裂，針對(duì)該情況，筆者進(jìn)行了研討。

鋼化玻璃(Tempered glass/Reinforced glass)是通過(guò)先對(duì)普通平板玻璃進(jìn)行加熱處理后再通過(guò)化學(xué)或物理的方法，使得玻璃表面形成一定的預(yù)壓應(yīng)力，在玻璃使用時(shí)先抵消該預(yù)壓應(yīng)力，從而提高玻璃的承載能力，來(lái)增強(qiáng)玻璃本身沖擊性、抗風(fēng)壓性、寒暑性等性能的一種安全玻璃。建筑業(yè)所用的水平鋼化玻璃是使用水平輥道鋼化爐進(jìn)行淬火熱處理加工后而產(chǎn)生的一種玻璃，其工藝屬于物理鋼化。鋼化夾膠玻璃是在兩片鋼化玻璃之間夾上PVB中間膜，經(jīng)高溫高壓加工制成，夾膠玻璃的安全性能要高于普通的鋼化玻璃。

通過(guò)對(duì)該公共建筑物懸挑鋼結(jié)構(gòu)雨棚鋼化玻璃爆裂情況分析，發(fā)現(xiàn)爆裂的鋼化玻璃基本上是由于玻璃本身質(zhì)量、玻璃加工不當(dāng)、玻璃受力不勻、玻璃尺寸偏大等原因造成的。

2 鋼化夾膠玻璃爆裂原因

本文所討論的建筑物檐口四周設(shè)置懸挑鋼結(jié)構(gòu)夾膠玻璃雨棚(見(jiàn)圖1)，由于懸挑鋼雨棚整體剛度較小，受風(fēng)載、雪載等外力影響較大，構(gòu)件的撓度變形較大;夾膠玻璃與鋼構(gòu)件間未設(shè)置柔性膠墊，長(zhǎng)時(shí)間暴曬在太陽(yáng)光下等因素，導(dǎo)致夾膠玻璃經(jīng)常爆裂。從對(duì)幾次更換下來(lái)的玻璃爆裂情況分析，鋼化夾膠玻璃爆裂主要有以下幾方面原因。

2.1 玻璃自身質(zhì)量

玻璃在生產(chǎn)過(guò)程中會(huì)加入Ni等添加劑。這些添加劑的加入與玻璃中的S等材料生成硫化鎳(Ni3S2，Ni7S6，Ni-XS)夾雜物，這些夾雜物一般是以晶體狀的小球體存在，直徑一般在0.1 mm～2 mm，在玻璃內(nèi)部呈不均勻狀態(tài)分布，且外表呈金屬狀存在, 其中Ni1-X相是造成鋼化玻璃自發(fā)爆裂的主要原因。玻璃在鋼化過(guò)程中，由于溫度的變化，改變硫化鎳雜質(zhì)的相態(tài)，使得硫化鎳在高溫時(shí)的α相態(tài)恢復(fù)到β相態(tài)時(shí)需要比較長(zhǎng)的時(shí)間，而硫化鎳的低溫β相態(tài)發(fā)生變化時(shí)在拉應(yīng)力核心部位體積將增大，產(chǎn)生局部應(yīng)力集中，使得玻璃表面的壓應(yīng)力增大，導(dǎo)致鋼化玻璃產(chǎn)生爆裂。

2.2 鋼化玻璃加工不當(dāng)

1)玻璃在鋼化過(guò)程中經(jīng)歷加熱、冷卻等過(guò)程，在這些過(guò)程中，玻璃沿厚度方向產(chǎn)生不對(duì)稱(chēng)、不均勻的溫度梯度，溫度梯度的產(chǎn)生為鋼化玻璃的爆裂創(chuàng)造了條件。當(dāng)不對(duì)稱(chēng)、不均勻的溫度梯度產(chǎn)生的應(yīng)力偏在玻璃厚度的一側(cè)或表面時(shí)，容易導(dǎo)致鋼化玻璃爆裂。

2)玻璃在鋼化前存在表面劃痕、深度爆邊、炸口等缺陷，或鋼化過(guò)程中發(fā)生意外碰撞等情況，造成應(yīng)力集中而導(dǎo)致鋼化玻璃發(fā)生爆裂。

3)加工因素。在原片玻璃上進(jìn)行鉆孔、切角等加工操作，在鉆孔或切角的周邊產(chǎn)生應(yīng)力集中，也為鋼化玻璃的爆裂埋下了隱患。

2.3 鋼化夾膠玻璃擱置點(diǎn)受力不勻

鋼化夾膠玻璃擱置的鋼構(gòu)件本身剛度不足。在風(fēng)荷載、雪荷載等外力作用下，部分構(gòu)件發(fā)生局部變形，若產(chǎn)生超過(guò)鋼化玻璃允許撓度的變形，則夾膠玻璃會(huì)發(fā)生爆裂。

2.4 外界溫差較大

從幾次更換的情況看，玻璃爆裂基本均發(fā)生在溫差較大部位(絕大部分在靠近圖1中的軸～軸間)。由于鋼結(jié)構(gòu)受外界溫度變化而使直接與夾膠玻璃接觸部位溫差較大，導(dǎo)致夾膠玻璃爆裂。經(jīng)實(shí)地察看、測(cè)量，夾膠玻璃損壞部位，有56%爆裂玻璃均處在溫差較大的部位，損壞部位溫差最高能達(dá)到63 ℃。

2.5 安裝、維護(hù)不當(dāng)

1)在安裝過(guò)程中，由于工人的操作方法不當(dāng)或欠缺，安裝的鋼化玻璃與金屬框架直接接觸或玻璃之間的間隙偏小等，鋼化玻璃在太陽(yáng)光的照射下，玻璃與金屬結(jié)構(gòu)的線膨脹系數(shù)不一，鋼化玻璃的邊部或角部產(chǎn)生擠壓而誘發(fā)鋼化夾膠玻璃的爆裂。

2)玻璃表面、邊部由于工人在搬運(yùn)、安裝、維護(hù)不小心或操作不當(dāng)，造成炸口、表面腐蝕、崩邊等缺陷，極易破壞鋼化玻璃內(nèi)部應(yīng)力，從而引發(fā)鋼化玻璃自爆。

2.6 玻璃平面尺寸偏大

玻璃的平面尺寸越大，受熱膨脹后的線變形也越大，產(chǎn)生的約束反力也越大，相應(yīng)地產(chǎn)生更大的熱應(yīng)力，爆裂的幾率大大增加。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，本建筑物的鋼雨棚夾膠玻璃在2010年—2014年間，尺寸為2 000×2 000的爆裂率合計(jì)達(dá)22.5%，尺寸為2 000×1 875的爆裂率合計(jì)達(dá)29.7%，尺寸2 000×1 500的爆裂率合計(jì)達(dá)21.3%；2015年—2019年間尺寸為2 000×2 000的爆裂率合計(jì)達(dá)15%，尺寸為2 000×1 875的爆裂率合計(jì)達(dá)11.1%，尺寸為2 000×1 500的爆裂率合計(jì)達(dá)6.3%(爆裂數(shù)量見(jiàn)圖2)。

3 抗裂措施

1)控制原片玻璃質(zhì)量。優(yōu)先選用臺(tái)玻集團(tuán)、南玻集團(tuán)、福耀集團(tuán)等大型玻璃生產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量穩(wěn)定、可靠的優(yōu)質(zhì)原片玻璃進(jìn)行鋼化。只有質(zhì)量穩(wěn)定、可靠的原片玻璃,經(jīng)鋼化及夾膠處理出來(lái)的鋼化夾膠玻璃的爆裂才能從根本上得到控制。

2)控制玻璃生產(chǎn)過(guò)程中外加劑的加入，特別是對(duì)Ni等在日后使用過(guò)程中有可能導(dǎo)致玻璃爆裂的外加劑加入量的控制，從源頭上控制住鋼化玻璃的爆裂。

3)加強(qiáng)對(duì)玻璃鋼化過(guò)程中關(guān)鍵工藝的過(guò)程，嚴(yán)格控制玻璃聚熱、聚冷的速度，嚴(yán)格控制鋼化玻璃的應(yīng)力值，使得鋼化玻璃的張應(yīng)力值處在壓應(yīng)力值的1/2～1/3之間，并且盡可能降低鋼化玻璃的表面張應(yīng)力，從而減少鋼化玻璃爆裂的發(fā)生。

4)嚴(yán)格加強(qiáng)對(duì)鋼化前原片玻璃的質(zhì)量控制，對(duì)發(fā)現(xiàn)存在爆邊、劃痕、炸口等質(zhì)量缺陷的玻璃堅(jiān)決不予鋼化。

5)嚴(yán)格控制鋼化玻璃的工藝過(guò)程，堅(jiān)決杜絕鋼化過(guò)程中因磕碰等外力的沖擊，減少鋼化玻璃爆裂的發(fā)生。

6)增大鋼雨棚構(gòu)件的整體剛度。通過(guò)增加鋼懸臂梁的剛度、增設(shè)鋼梁間的縱、橫向支撐，嚴(yán)格控制玻璃支撐構(gòu)件變形撓度，將變形撓度控制在構(gòu)件尺寸的1/300以內(nèi)，減少因鋼構(gòu)件變形而導(dǎo)致的玻璃爆裂。

7)在夾膠玻璃與鋼構(gòu)件接觸處增設(shè)彈性膠墊，避免夾膠玻璃與鋼構(gòu)件直接接觸而致使玻璃產(chǎn)生較大溫差，可在夾膠玻璃與鋼構(gòu)件的接觸部位設(shè)置20 mm×20 mm的海綿膠條或橡膠墊，能有效地避免鋼構(gòu)件的溫差導(dǎo)致玻璃爆裂的發(fā)生。

8)在夾膠玻璃上表面粘貼隔熱防爆膜。在玻璃上表面粘貼高性能隔熱防爆膜，在夏天可以較有效地降低太陽(yáng)光對(duì)玻璃產(chǎn)生的直射，降低玻璃因較大的溫差而產(chǎn)生爆裂。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)懸挑鋼雨棚夾膠玻璃爆裂原因的分析，找出了鋼化夾膠玻璃爆裂的原因主要是玻璃本身的質(zhì)量不穩(wěn)定、鋼化過(guò)程中對(duì)鋼化玻璃溫度及應(yīng)力的控制不準(zhǔn)、玻璃架設(shè)的鋼構(gòu)架剛度不夠等影響因素，提出了從玻璃原材料質(zhì)量的控制、玻璃鋼化工藝過(guò)程質(zhì)量的控制、加大玻璃架設(shè)鋼構(gòu)件剛度等方面的具體措施，并且在本工程多次實(shí)際維修過(guò)程中已經(jīng)得到了驗(yàn)證，為解決同類(lèi)工程問(wèn)題，提供了較為可靠依據(jù)。