玻璃除具有透明、耐久等优点外，同时还具有较高的强度。近年来，随着技术水平与人们审美要求的提高，玻璃在建筑中开始作为结构材料直接承受荷载，如美国苹果公司在全球的专卖店全部采用玻璃建造，这是玻璃结构应用的最新趋势。

　　玻璃是脆性材料，用作结构构件时的安全性能最受人们的关注。采用将两片或多片玻璃用特殊的胶片粘结在一起的方法形成夹层玻璃，是解决安全性问题的主要方案之一。

　　在工程实践中，因为玻璃的脆性特性，夹层玻璃除了应具有足够的承载力外，在玻璃开裂后还需要有足够的受力性能，以保证玻璃在诸如撞击、剐蹭等偶然作用下开裂后仍然能有一定刚度和承载能力。

　　尽管钢化玻璃的强度高于普通平板玻璃，但由于其存在无法避免的自爆风险，且开裂后基本无残余承载力，最新研究成果认为主要承力构件的夹层玻璃不宜全部使用钢化玻璃，而宜适当选用平板玻璃或半钢化玻璃。

　　本文对由平板玻璃制成的夹层玻璃梁进行了研究，分析了夹层平板玻璃梁在短期荷载和长期荷载条件下的破坏模式、计算受弯承载力时玻璃强度的合理取值，以及胶片类型对夹层玻璃梁开裂后受力性能的影响。

1 试验研究

　　1.1 试件

　　试验所用试件基本信息见表1。试件分为离子性中间层(简称“SGP”)夹层玻璃和聚乙烯醇缩丁醛(简称“PVB”)夹层玻璃两种类型，玻璃均为平板玻璃。

　　试件截面夹胶层数分1层、2层、3层三种情况，玻璃的总厚度均为24mm。试件的全长为3900mm，有效跨度为3000mm，截面高度为150mm、200mm、300mm三种尺寸。

表1 试验试件

注：玻璃厚度即为梁截面宽度

　　1.2 试验方案

　　试验采用如图1(a)、(b)所示的四点弯曲加载方案，该方案能够确保在支座区间内试件承受均匀弯矩并且不受任何侧向约束。

　　预制的叉形支座如图1(c)所示，该支座能够约束玻璃梁在竖直方向与侧向的平动及轴向的扭转，并释放玻璃梁在平面内与平面外的弯曲转动及扭转翘曲变形，满足理想铰接边界条件。

　　玻璃与支座的接触部位用橡胶条隔开，以防止应力集中对试件造成破坏。荷载按照约0.15mm/min的速度单调连续加载直至玻璃试件断裂。

图1 试验装置

　　1.3 试验结果

　　每个试件的试验结果列于表2。表中试件截面厚度(t)、截面高度(h)以及试验进行时的环境温度均为实测值；破坏应力(σ_g)为玻璃受弯开裂时实测的应变与玻璃弹性模量(72000 N/mm²)的乘积；受弯承载力(M_u)为玻璃梁发生破坏时所承受的荷载实测值与荷载作用点至最近支座距离(400mm)的乘积。

表2 试验结果

2 破坏模式

　　2.1 短期荷载条件

　　各试件的弯矩与跨中位移关系曲线如图2所示。曲线按照试件的截面高度与所用胶片类型分为5组。

图2 试件的弯矩-位移关系曲线

　　图2(a)~(c)显示SGP夹层玻璃梁的全过程受力表现具有玻璃开裂前的线弹性阶段、玻璃开裂承载力突降阶段、裂缝发展的非线性开裂后阶段。

　　图2(d)~(e)显示PVB夹层玻璃梁基本只具有玻璃开裂前的线弹性阶段与玻璃开裂承载力突降阶段，而无玻璃开裂后的裂缝发展阶段，其玻璃开裂后的受力性能极为有限。

　　试验结果表明，尽管玻璃梁的纯弯段达3000mm且均无侧向支撑，但由于普通平板玻璃的强度低于玻璃梁的屈曲临界应力，试件的受弯承载力受强度控制而非稳定性控制。

　　2.2 长期荷载条件

　　为了研究夹层平板玻璃梁在长期荷载条件下的受弯承载力是否由稳定性控制，对表1中的夹层平板玻璃试件进行线性整体稳定分析。

　　在有限元软件中采用实体单元模拟玻璃与中间层胶片。每种试件在长期荷载作用下的屈曲临界弯矩(M_cr，l)、截面受弯承载力(M_c，l)及二者的比值列于表3中。为了进行对比，每种试件在短期荷载作用下的屈曲临界弯矩(Mcr，s)也列于表3。

表3 屈曲临界弯矩与截面受弯承载力对比

　　对于相同截面厚度与截面高度的试件，在短期荷载工况下，SGP夹层玻璃梁的屈曲临界弯矩随胶片数量的增加有所增加，而PVB夹层玻璃梁的屈曲临界弯矩随胶片数量的增加显著减小。

　　在长期荷载工况下，无论SGP夹层玻璃梁还是PVB夹层玻璃梁，屈曲临界弯矩均随胶片数量的增加显著减小，表明长期荷载工况下SGP胶片或PVB胶片层数越多，截面的有效扭转刚度与弱轴方向的弯曲刚度越低，从而导致夹层玻璃梁的屈曲临界弯矩降低。

　　各试件在长期荷载下的屈曲临界弯矩均高于截面受弯承载力，表明在长期荷载作用下，所有试件的受弯承载力均由强度控制。

3 受弯承载力

　　图3显示采用玻璃端部强度获得的计算值与试验值的比值在1.0~0.58范围内，平均比值为0.75，整体结果偏于安全一侧；而采用玻璃边缘强度和玻璃中部强度获得的计算值与试验值的平均比值分别有12.5%和62.5%的结果偏于危险一侧。因此对夹层平板玻璃梁的受弯承载力进行设计时宜采用玻璃的端面强度。

图3 试件受弯承载力计算值与试验值对比

4 玻璃开裂后受力性能

　　SGP夹层玻璃梁与PVB夹层玻璃梁的典型开裂形态如图4所示。

图4 典型开裂形态

　　对于SGP夹层玻璃梁，随着荷载逐渐增加，裂缝最初发生于跨中附近受拉边缘，并发展形成一个扇形的碎裂域，SGP中间层胶片阻止了裂缝进一步向受压区发展，防止了裂缝贯穿整个梁截面；在玻璃开裂后阶段SGP夹层玻璃梁表现出一定的残余承载能力。

　　对于PVB夹层玻璃梁，裂缝最初同样发生于跨中附近受拉边缘，但与SGP夹层玻璃梁不同的是裂缝会迅速发展并贯穿整个截面，导致PVB夹层玻璃梁几乎不具有开裂后承载能力。

5 结论

　　(1)在短期或长期荷载工况下，对于高厚比不超过12.5且跨高比不超过20的夹层平板玻璃梁，其受弯承载力主要受玻璃强度而非整体稳定性控制。

　　(2)在短期荷载工况下，对于相同截面厚度与截面高度的试件，SGP夹层玻璃梁的屈曲临界弯矩随胶片数量增加有所增加，而PVB夹层玻璃梁的屈曲临界弯矩随胶片数量增加显著减小。

　　(3)在长期荷载工况下，对于相同截面厚度与截面高度的试件，SGP夹层玻璃梁与PVB夹层玻璃梁的屈曲临界弯矩均随胶片数量增加显著减小。

　　(4)计算夹层平板玻璃梁的受弯承载力时宜采用玻璃的端面强度。

　　(5)PVB夹层玻璃梁开裂后裂缝迅速发展并贯穿整个梁截面，因此PVB夹层玻璃梁开裂后基本不具有剩余承载能力。

　　(6)SGP夹层玻璃梁开裂后裂缝并不贯穿整个截面，而是形成一个扇形的碎裂域，在梁截面内部形成一个新的承力机制，因此SGP夹层玻璃梁开裂后仍具有一定的剩余承载力。

参考文献：

刘强,黄小坤,韩伟涛,崔明哲,付瑞佳.夹层玻璃梁受弯性能研究[J].建筑科学,2018,34(05):44-49

作者简介

刘  强

　　刘强，中国建研院中建研科技股份有限公司 研发中心主任助理 玻璃结构研究中心副主任，副研究员，博士，兼任中国建筑学会建筑幕墙学术委员会常务理事。