南化祥，詹子娜，梁孟羽，端木祥玲，李 龍

(中國(guó)建筑科學(xué)研究院建筑防火研究所，北京 100030)

隨著建筑行業(yè)的不斷發(fā)展，各類(lèi)建筑層出不窮，人們對(duì)環(huán)境的舒適度和通透性也有了越來(lái)越高的要求。玻璃因其具有透明性、耐久性和優(yōu)良的力學(xué)性能而被人們廣泛關(guān)注，在建筑中使用的頻率也越來(lái)越高，玻璃作為材料不但可以滿(mǎn)足功能上的使用要求，而且還具有輕盈性、通透性、虛幻性和多彩性等特點(diǎn)。

由于玻璃具有透明性等優(yōu)良的性能，玻璃從傳統(tǒng)的非結(jié)構(gòu)材料(門(mén)窗、幕墻和采光頂)發(fā)展到最新的結(jié)構(gòu)材料(如玻璃地板、樓梯和墻體)。在水平方向上，采用玻璃樓板，可以增加垂直方向上的透明性，所以，越來(lái)越多的建筑內(nèi)部采用玻璃樓板作為建筑構(gòu)件。尤其是鋼化玻璃，因其強(qiáng)度高、熱穩(wěn)定性好和安全性高的特點(diǎn)日益廣泛地應(yīng)用于建筑工程中，鋼化玻璃作為水平建筑構(gòu)件，目前被大規(guī)模應(yīng)用到室外，尤其是在高空玻璃棧道中的使用，吸引了大量游客前去游覽、挑戰(zhàn)。隨著建筑業(yè)的發(fā)展，玻璃樓板在工程內(nèi)部的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，初始的使用，多是裝飾功能，如廣州電視塔的觀景臺(tái)、中央電視臺(tái)懸挑部分觀景樓板、上海東方明珠透明觀光層、北京奧運(yùn)景觀塔觀光平臺(tái)、北京南站高架候車(chē)廳等，但隨著建筑師對(duì)建筑室內(nèi)效果的追求，鋼化玻璃樓板在一些工程中逐漸作為承重樓板構(gòu)件出現(xiàn)。

水平玻璃結(jié)構(gòu)對(duì)玻璃的強(qiáng)度、抗彎剛度以及使用安全性都有很高的要求。水平鋼化玻璃構(gòu)件，在常溫下既能滿(mǎn)足建筑使用功能的需求，又能滿(mǎn)足安全的要求，然而，玻璃的抗火性較差[1,2]，一旦發(fā)生火災(zāi)，這些構(gòu)件是否能夠滿(mǎn)足安全需要，對(duì)其進(jìn)行研究的學(xué)者較少，國(guó)內(nèi)外學(xué)者主要對(duì)豎直方向的玻璃構(gòu)件研究較多。該文通過(guò)試驗(yàn)，對(duì)水平鋼化玻璃高溫下的抗彎性能進(jìn)行研究，為水平鋼化玻璃構(gòu)件在建筑中的使用奠定基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方案

鋼化玻璃在高溫下其抗彎強(qiáng)度是否會(huì)發(fā)生變化，直接關(guān)系著水平鋼化玻璃構(gòu)件的安全，以研究不同厚度鋼化玻璃在不同溫度下，抗彎強(qiáng)度變化為目的，開(kāi)展此次試驗(yàn)。

1.1 試驗(yàn)邊界條件

1.1.1 試驗(yàn)溫度

由于鋼化玻璃可承受的溫度范圍為250～320 ℃，一旦火災(zāi)出現(xiàn)，周?chē)鷾囟燃眲∩仙?，一般?～8 min時(shí)鋼化玻璃就會(huì)炸裂[3,4]。同時(shí)，常溫應(yīng)變片工作的溫度范圍為-30～60 ℃。因此，在試驗(yàn)過(guò)程中選擇5個(gè)溫度：25 ℃、60 ℃、100 ℃、200 ℃、300 ℃，進(jìn)行高溫下鋼化玻璃抗彎強(qiáng)度的試驗(yàn)分析。

1.1.2 試驗(yàn)溫度環(huán)境

在高溫環(huán)境下的力學(xué)性能試驗(yàn)分為穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)和瞬態(tài)試驗(yàn)。穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)是指先將試驗(yàn)的試件加熱到目標(biāo)溫度并維持不變，然后再進(jìn)行加載試驗(yàn)，直至試件發(fā)生破壞。瞬態(tài)試驗(yàn)是指先對(duì)試件進(jìn)行加載，維持荷載不變，然后對(duì)試件進(jìn)行升溫，直至試件破壞。為了更好地模擬鋼化玻璃在實(shí)際應(yīng)用溫度環(huán)境下抗彎強(qiáng)度的變化以及確保鋼化玻璃內(nèi)部溫度應(yīng)力不發(fā)生大的變化，采用穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行。

1.2 試驗(yàn)試件

此次試驗(yàn)依據(jù)為《玻璃材料彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)方法》(JC/T676—1997)[5]，同時(shí)，結(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)地的試驗(yàn)設(shè)備的尺寸及試驗(yàn)開(kāi)展的可行性，試驗(yàn)場(chǎng)地試驗(yàn)爐為柱形的立體對(duì)開(kāi)式結(jié)構(gòu)，爐膛內(nèi)徑300 mm，高400 mm，爐體下部設(shè)置的直徑為160 mm的高強(qiáng)保溫爐體，因此，試驗(yàn)的試件尺寸選擇為120 mm×20 mm。通過(guò)對(duì)鋼化玻璃使用情況的調(diào)研，試驗(yàn)試樣的厚度選用8 mm和12 mm。根據(jù)規(guī)范的相關(guān)規(guī)定，每組測(cè)試試件數(shù)量為15～20個(gè)，試驗(yàn)每組選擇15個(gè)試件。

1.3 試驗(yàn)裝置

根據(jù)常溫下鋼化玻璃的抗彎強(qiáng)度測(cè)試的測(cè)試原理，并結(jié)合試驗(yàn)場(chǎng)地內(nèi)現(xiàn)有的試驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計(jì)了此次高溫下水平鋼化玻璃的抗彎強(qiáng)度測(cè)試的試驗(yàn)臺(tái)。設(shè)計(jì)時(shí)充分利用加熱爐內(nèi)部空間，將高溫環(huán)境和加載要求結(jié)合起來(lái)。設(shè)計(jì)利用中間錨桿的拉力使其作用于上部的不銹鋼壓頭，使玻璃試件的中間部位均勻受壓。在加載過(guò)程中利用中間的荷載傳感器采集荷載數(shù)據(jù)。為避免高溫對(duì)微型位移計(jì)儀器的損傷，在探頭接觸處用耐高溫的陶瓷棒加長(zhǎng)，深入高溫爐內(nèi)壓頭下接觸面，用以間接采集玻璃的撓度變化。

1.4 測(cè)試指標(biāo)及記錄

1.4.1 溫度

溫度是該論文研究的前提，試驗(yàn)時(shí)采用用K型熱電偶分別測(cè)量鋼化玻璃試件上、下表面的溫度和試件周?chē)臏囟取?/p>

1.4.2 位移

選擇微米專(zhuān)用位移計(jì)，精度0.005～0.01 mm。該位移計(jì)的工作環(huán)境溫度為-60～150 ℃。由于需要在高溫下測(cè)試，因此，將位移計(jì)的探頭改為耐高溫的陶瓷棒，伸進(jìn)高溫空間測(cè)量玻璃試件的撓度。

位移計(jì)用支架架設(shè)在試驗(yàn)爐下部，傳感器體放置在試驗(yàn)爐外部，將陶瓷探頭伸進(jìn)試驗(yàn)爐高溫空間。調(diào)整探頭位置接觸壓頭下部，盡量保證位移計(jì)探針的垂直度。

1.4.3 荷載

國(guó)家檢測(cè)機(jī)構(gòu)在常溫下測(cè)試鋼化玻璃的性能時(shí)，采用電子自動(dòng)加載，在高溫下的加載設(shè)備，尚未有成熟的產(chǎn)品，因此，試驗(yàn)采用千斤頂進(jìn)行試驗(yàn)，并對(duì)加載過(guò)程進(jìn)行檢測(cè)。待玻璃溫度與周?chē)鷾囟群愣ê箝_(kāi)始加載，根據(jù)常溫下有關(guān)鋼化玻璃的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，選用量程為7 kN荷載傳感器，測(cè)量荷載值。

1.4.4 應(yīng)變

實(shí)驗(yàn)采用應(yīng)變片作為應(yīng)變測(cè)試裝置。試驗(yàn)選擇高溫應(yīng)變片和普通應(yīng)變片兩種。普通應(yīng)變片，常溫和60 ℃溫度下使用。高溫應(yīng)變片，試驗(yàn)過(guò)程中最高溫度為300 ℃左右。鋼化玻璃試件較小，根據(jù)選擇的應(yīng)變片尺寸將應(yīng)變片貼在玻璃試件的下部。應(yīng)變片的尺寸為10.2 mm×5.6 mm。

應(yīng)變片的安裝一般有焊接、膠接、嵌入。試驗(yàn)選用膠接的方式。為了降低膠水固化溫度對(duì)玻璃試件的影響，通過(guò)對(duì)比不同膠水的效果，試驗(yàn)選擇H-610膠水，工作溫度為-269～280 ℃。

1.4.5 數(shù)據(jù)采集裝置

數(shù)據(jù)采集設(shè)備包括數(shù)據(jù)采集儀、數(shù)據(jù)采集板、顯示屏、數(shù)據(jù)導(dǎo)線(xiàn)等。數(shù)據(jù)采集儀記錄以上幾類(lèi)數(shù)據(jù)，并實(shí)時(shí)儲(chǔ)存在電腦中。

1.5 試驗(yàn)工況及過(guò)程

1.5.1 試驗(yàn)試件準(zhǔn)備

試驗(yàn)共在5個(gè)溫度(25 ℃、60 ℃、100 ℃、200 ℃、300 ℃)下對(duì)水平鋼化玻璃的抗彎性能進(jìn)行研究，每個(gè)溫度下測(cè)試15個(gè)構(gòu)件。使用游標(biāo)卡尺測(cè)量每個(gè)試件的尺寸和厚度，并做好記錄。測(cè)試完成后，粘貼應(yīng)變片。應(yīng)變片的粘貼是該試驗(yàn)的難點(diǎn)也是關(guān)鍵點(diǎn)，應(yīng)變片粘貼的好壞，對(duì)試驗(yàn)的結(jié)果也會(huì)產(chǎn)生一定影響。尤其是中高溫下應(yīng)變片膠水的固化。試驗(yàn)選用的是H-610膠水，該膠水具有蠕變小、滯后低、重復(fù)性好、使用溫度寬、粘度低、不需上底膠等優(yōu)點(diǎn)。使用溫度范圍為-269～280 ℃。H-610膠水由A、B兩部分組成，在使用中粘貼好應(yīng)變片之后，在聚四氟乙烯薄膜上蓋上硅膠板加壓0.1～0.3 MPa并保持恒定，放進(jìn)烘箱固化。以每分鐘2 ℃的速度由室溫升至135 ℃保持2 h，隨烘箱冷卻至室溫后卸壓。再以同樣的速度升溫至165 ℃，保溫2 h，降至室溫后電阻應(yīng)變片粘貼完畢。

1.5.2 試驗(yàn)過(guò)程

1)試件固定

試驗(yàn)時(shí)將試件放入電加熱爐內(nèi)，在不銹鋼支架上放好玻璃試件，確保試件的受力點(diǎn)在中間位置，檢查應(yīng)變片測(cè)量線(xiàn)路是否正常，然后調(diào)節(jié)位移測(cè)量裝置，使耐高溫的陶瓷探頭盡可能的垂直于不銹鋼壓頭的下部，固定好試件位置。

2)升溫

關(guān)閉電加熱爐，加熱爐上部用防火棉封閉，調(diào)節(jié)控溫器開(kāi)始升溫。待升溫爐達(dá)到設(shè)定溫度后恒定，試驗(yàn)中試件的厚度分別為8 mm和12 mm，為避免受熱不均勻影響試驗(yàn)結(jié)果，待升溫爐達(dá)到設(shè)定溫度后，分別在10 min和15 min后開(kāi)始加載試驗(yàn)。

3)加載破碎

根據(jù)理論分析得到兩種試件破壞的最大極限強(qiáng)度在200 MPa左右，則破壞的最大荷載為2 kN左右，實(shí)驗(yàn)采用通過(guò)穿心千斤頂和上部的壓頭給試件施加均勻拉力的加載方案。根據(jù)常溫下試驗(yàn)機(jī)的加載原理及加載部位的尺寸，制定了實(shí)驗(yàn)的壓頭。壓頭下部與螺栓連接，螺栓從高溫爐中間的孔洞中穿過(guò)，同時(shí)穿過(guò)荷載傳感器和穿心千斤頂，穿過(guò)千斤頂后下部用螺母固定，整個(gè)裝置放置在方形鋼片支架上。

使用穿心千斤頂，手動(dòng)緩慢加載，在加載過(guò)程中觀察整個(gè)裝置的工作狀態(tài)。試驗(yàn)過(guò)程中數(shù)據(jù)采集儀采集試驗(yàn)過(guò)程中的荷載數(shù)據(jù)、位移數(shù)據(jù)、應(yīng)變數(shù)據(jù)、溫度數(shù)據(jù)。鋼化玻璃試件破壞為脆性破壞，在達(dá)到破壞荷載時(shí)電加熱爐內(nèi)鋼化玻璃會(huì)突然碎裂，試件破壞。

一個(gè)試件試驗(yàn)結(jié)束后，打開(kāi)高溫爐使溫度降至室溫再進(jìn)行下一個(gè)試件試驗(yàn)。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 試驗(yàn)溫度

溫度梯度是電加熱爐設(shè)定的溫度，在升溫試驗(yàn)中，采集的鋼化玻璃試件表面的溫度會(huì)有波動(dòng)。從試驗(yàn)結(jié)果分析可知，溫度越高，玻璃表面上下的溫差越大，最大溫差為49.28 ℃。分析發(fā)現(xiàn)鋼化玻璃試件上下表面溫度差的產(chǎn)生是因?yàn)樵陔姛釥t的下部留有洞口加載及位移測(cè)量裝置，形成了一定的空氣流動(dòng)，使加熱不夠均勻，為后續(xù)試驗(yàn)裝置的改進(jìn)提供了依據(jù)。

2.2 荷載、位移、應(yīng)變

由試件破壞時(shí)的最大荷載作為破壞荷載來(lái)計(jì)算該試件的破壞強(qiáng)度，位移最大值為試件破壞時(shí)的位移。該文摘取了8 mm試件在200 ℃時(shí)，荷載、位移、應(yīng)變曲線(xiàn)一組數(shù)據(jù)，繪制成曲線(xiàn)，如圖1所示。摘取了兩種厚度試件應(yīng)變數(shù)據(jù)繪制成曲線(xiàn)，如圖2所示。

由圖1可以看出，與電動(dòng)加載曲線(xiàn)按比例直線(xiàn)上升相比，試驗(yàn)手動(dòng)加載曲線(xiàn)不光滑，但在手動(dòng)情況下依次遞增，位移曲線(xiàn)也依次遞增升高，在試件破壞時(shí)位移達(dá)到最大。根據(jù)試驗(yàn)可知，隨著荷載的增加，位移也不斷地增加，應(yīng)變也相繼增大。由圖2可以看出，兩種不同厚度構(gòu)件的應(yīng)變變化規(guī)律不同，8 mm試件應(yīng)變隨溫度升高而下降，12 mm試件應(yīng)變隨溫度升高先上升后下降。

2.3 強(qiáng)度、位移

8 mm、12 mm鋼化玻璃試件在25 ℃、60 ℃、100 ℃、200 ℃和300 ℃時(shí)的強(qiáng)度和位移結(jié)果如表1所示。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析，隨著溫度升高，鋼化玻璃的強(qiáng)度降低，初步分析，應(yīng)該是由于隨著溫度升高，鋼化玻璃軟化，其強(qiáng)度降低。8 mm厚鋼化玻璃的強(qiáng)度降低7.17%，12 mm厚鋼化玻璃的強(qiáng)度降低12.19%。8 mm厚鋼化玻璃的位移增大3.87%，12 mm厚鋼化玻璃的位移增大2.99%。

表1 8 mm、12 mm厚鋼化玻璃不同溫度下強(qiáng)度與位移分析表

3 結(jié) 論

a.鋼化玻璃在溫度升高時(shí)，強(qiáng)度都有所降低，高溫對(duì)厚度較大的鋼化玻璃影響較大。

b.兩種厚度的鋼化玻璃隨溫度的升高，位移也有所增大，即鋼化玻璃的撓度稍微有所變大、軟化程度變大。厚度較厚的鋼化玻璃抵抗變形的能力較強(qiáng)。

c.兩種厚度的鋼化玻璃其應(yīng)變的變化沒(méi)有特定的規(guī)律，根據(jù)分析，因高溫爐內(nèi)鋼化玻璃破裂的位置無(wú)法觀察，可能每個(gè)試件初始裂紋的位置不同，而且玻璃內(nèi)部結(jié)構(gòu)存在著一定缺陷和微裂紋，在一定程度上增加了玻璃試件破裂的隨機(jī)性。

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