玻璃幕墻在我國已廣泛應用于各類建筑,到2002年底我國共使用了3500~4000萬㎡玻璃幕墻,二十多年來幕墻玻璃破裂時有所聞。有不少學者對幕墻玻璃破裂進行調查、分析,發表了不少調查(研究)報告、文章。修訂《玻璃幕墻工程技術規范》過程中,編制組對此作了專題調研、分析、總結,在2003年3月30~31日舉行的規范送審稿審查會上編制組介紹了他們的成果,與會專家也發表了自己的研究結果,進行了熱烈的討論,這些成果反映在規范送審(修訂)稿中。學習這些成果會使我們進一步認識幕墻玻璃破裂的原因,采取相應措施來消除(減少)幕墻玻璃破裂的發生。
幕墻玻璃破裂是復雜的多因素問題,引起幕墻玻璃破裂的原因是玻璃本身的問題、有玻璃裁切工藝及邊緣加工質量、玻璃幕墻節點構造設計、施工質量、環境條件對玻璃幕墻的影響以及玻璃幕墻所依附的主體結構的變形(位移)對玻璃幕墻的效應等。現在我們分別進行討論。需特別指出的是,這些因素可單獨引起幕墻玻璃破裂,但更多的是幾種因素共同作用引起幕墻玻璃破裂。
1.幕墻玻璃熱炸裂是由于玻璃不同部位的溫度不均勻,玻璃暴露在陽光直射的部分吸收紅外線和可見光轉化為熱量,溫度升高,這一部分玻璃受熱膨脹(伸長)而處于鑲嵌槽或陰影下的那一部分玻璃,因受不到陽光的輻射,不能同步膨脹(伸長),內部熱力應力形成,受熱多的區域對受熱少的區域產生張應力,這種張應力超過玻璃的抗拉強度就會導致玻璃破裂。在玻璃邊緣存在微小多處裂紋情況下更易引發熱炸裂。JGJ102中5.4.4給出了了驗算中部與邊緣溫差應力σt2的計算公式: σt2=0.74E α μ1 μ2 μ3 μ4(TC-TS),但修訂時取消了該公式,這并不是規范不再要求考慮熱裂應力,而是由于該公式本身不夠成熟,按該公式計算的結果不能真實反映熱裂應力的本質,會導致對熱裂應力的誤解,必須對熱裂應力的發生和發展進行深入的研究,待成熟后再列出計算公式,在沒有計算公式的情況下,要采取必要的構造措施來防止熱炸裂。
2.玻璃的切割與一般用刀或剪之類的切割概念是不同的,玻璃的切割是由刀具造成細微的傷口,然后再進行切割斷開,玻璃切斷的原理是刀具在玻璃上留下刻痕,這時玻璃內部產生三條裂縫,其中兩條沿表面左右分開,另一條為垂直向下方伸展的豎縫,在豎縫的端部產生拉應力,再加上曲折的力,豎縫向下伸展出去便可把玻璃切斷,玻璃在裁劃折斷時,沿玻璃周邊隱藏著許多細微裂子,這些裂子在各種效應與熱應力影響下,會擴展成裂縫,裂縫進一步發展導致玻璃破裂,因此在裁劃后,就用專用磨邊機對玻璃邊緣進行處理,消除玻璃周圍隱藏的細微裂子導致引伸應力施發。
3.玻璃在溫度變化影響下會熱脹冷縮,玻璃的線脹系數為1×10-5,一塊邊長1500mm的玻璃,當溫度升高80℃時會伸長1.2mm。如果在安裝時玻璃與鑲嵌槽底緊密接觸,一旦伸長就會產生擠壓應力,這種應力很大,σt=α E?T 。當?T=80℃時σt=1×10-50.72×105×80=57.6N/mm2,大于浮法玻璃強度標準值,因此在設計玻璃幕墻節點時,應使玻璃邊緣與鑲嵌槽底板間留有一定配合間隙,防止玻璃產生擠壓應力。JGJ102-96式5.4.3給出在年溫度變化影響下,玻璃邊緣與邊框之間發生擠壓時,在玻璃中產生的擠壓溫度應力σt1的計算公式:σt1=E[α ?T-(2c-de)/b]。在修訂時已將此公式刪除,主要是該公式對擠壓溫度應力的描述不符合溫度擠壓應力的規律,即溫度擠壓應力不會隨α ?T-(2c-de)/b變化,但并不是說規范否定了溫度擠壓應力,而是要求在構造上采取措施,務必使玻璃不產生擠壓應力。
4.施工的質量也是關系到玻璃開裂的重要原因,JGJ102規范規定了玻璃邊緣與槽口的配合尺寸,它的目的就是保證玻璃在溫度變化和其它因素影響下能有伸縮余量,一旦出現阻礙玻璃自由伸縮的因素,玻璃就會破裂,如果在玻璃邊緣與鑲嵌槽底板之間存在一粒很微小的固體顆粒(即使該顆粒的直徑<1mm)也會使玻璃擠壓破裂,有時在玻璃邊緣有一顆釘子(即使直徑<1mm)阻礙玻璃伸縮也會使玻璃破裂,玻璃槽口兩側不能用于干硬材料填塞,這些材料體積變化對玻璃產生擠壓而使玻璃破裂,玻璃在平面外作用的影響下會產生撓曲,如果嵌縫材料阻礙玻璃變曲變形亦會使玻璃破裂,必須用彈性材料填縫,填縫材料要保持必要的彈性以保證玻璃自由撓曲變形。 5.玻璃幕墻依附的主體結構在風荷載和地震作用下產生層間變位,它強制幕墻(由立柱、橫梁組成的)框格和它同步變位,這時框格由矩形變成菱形,如果玻璃邊緣與鑲嵌槽底板間沒有足夠的間隙適應這種變位,也會將玻璃擠碎。因此JGJ102規范(修訂稿)規定明框幕墻玻璃邊緣至邊框槽底的間隙應符合下式的要求: 2 C1[1+(L1/L2)*(C2-1.5)/(C1-1.5)]≥[?u] [?u]應根據主體結構彈性層間位移限值的3倍確定。 6.鋼化玻璃中的硫化鎳雜質會導致玻璃破裂。生產玻璃的原料通常含有微量的鎳和硫,熔化過程中鎳合金碎片也會增加玻璃中的鎳含量。當玻璃被加熱時,這些原子發生反應,形成微小的硫化鎳晶體。熔爐中0.1克可以形成的晶體數量多達5萬個。 這些晶體以兩種方法存在:高溫下穩定的密度較大的α相和室溫下穩定的密度小一些的β相。強化過程中的高溫把所有的硫化鎳晶體都轉化成高密度的α相。但是接下來的冷卻過程如此迅速,以致于硫化鎳晶體沒有足夠的時間重新轉化成β相。這在玻璃中遺留下不穩定的α相晶體,它就像被壓縮的彈簧一樣隨時準備毫無征兆地重新轉化為β相。 硫化鎳晶體由α相轉化成β相時體積膨脹4%。如果α相晶體位于張力更大的玻璃中央,膨脹產生的壓力可以使整塊玻璃破裂。破裂時間無法預測,可能是生產出來的幾個月或幾十年后,盡管玻璃被日光加熱會加快晶體的轉化速度。 玻璃廠家迄今沒有找到從源頭上消除這種雜質的方法。不過,他們正努力尋找防止玻璃中硫化鎳晶體產生危害的方法。二十世紀六十年代皮爾金頓公司和圣戈班公司發明了熱侵法。熱侵法通過給玻璃加熱數小時后使之強化,其目的是把大多數硫化鎳晶體轉化成β相,使含有雜質的玻璃在熔爐中破碎。存留下來的玻璃差不多可被當作不含雜質。 然而,熱侵法迄今為止也沒有成為被廣泛接受的標準。唯一的標準——德國標準化協會(DIN)標準延生于二十世紀八十年代初,它建議在290℃對玻璃熱侵8小時。但是即使在德國,也只有部分鋼化玻璃采用這種方法生產。而且,熱侵法使玻璃成本提高1~4倍。為了降低成本,有的公司熱侵時間短或者溫度低。 即使完全按標準生產,也不能徹底避免玻璃破碎。大型建筑物輕易就會用上幾百噸玻璃,這意味著玻璃中硫化鎳存在的幾率很大。