幕墙玻璃破裂原因探讨

点击次数: 发布时间:2014-9-23

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㎡玻璃幕墙,二十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。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、总结,在2003年3月30~31日举行的规范送审稿审查会上编制组介绍了他们的成果,与会专家也发表了自己的研究结果,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是玻璃本身的问题、有玻璃裁切工艺及边缘加工质量、玻璃幕墙节点构造设计、施工质量、环境条件对玻璃幕墙的影响以及玻璃幕墙所依附的主体结构的变形(位移)对玻璃幕墙的效应等。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(伸长)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(伸长),内部热力应力形成,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多处裂纹情况下更易引发热炸裂。JGJ102中5.4.4给出了了验算中部与边缘温差应力σt2的计算公式: σt2=0.74E α μ1 μ2 μ3 μ4(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.玻璃的切割与一般用刀或剪之类的切割概念是不同的,玻璃的切割是由刀具造成细微的伤口,然后再进行切割断开,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,就用专用磨边机对玻璃边缘进行处理,消除玻璃周围隐藏的细微裂子导致引伸应力施发。

3.玻璃在温度变化影响下会热胀冷缩,玻璃的线胀系数为1×10-5,一块边长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=α E∆T 。当∆T=80℃时σt=1×10-50.72×105×80=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一定配合间隙,防止玻璃产生挤压应力。JGJ102-96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[α ∆T-(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α ∆T-(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.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它因素影响下能有伸缩余量,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于干硬材料填塞,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.玻璃幕墙依附的主体结构在风荷载和地震作用下产生层间变位,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 C1[1+(L1/L2)*(C2-1.5)/(C1-1.5)]≥[∆u] [∆u]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相晶体位于张力更大的玻璃中央,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。二十世纪六十年代皮尔金顿公司和圣戈班公司发明了热侵法。热侵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,热侵法迄今为止也没有成为被广泛接受的标准。唯一的标准——德国标准化协会(DIN)标准延生于二十世纪八十年代初,它建议在290℃对玻璃热侵8小时。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,热侵法使玻璃成本提高1~4倍。为了降低成本,有的公司热侵时间短或者温度低。 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。