面板和PVB夹胶层厚度对单元式玻璃幕墙承载性能影响

Effect of Glass Panel and PVB Thickness on Bearing Capacity of Unit Curtain Wall

摘要: 中国已成为世界第一大幕墙生产国和使用国，然而由幕墙引发的安全事故时有发生，玻璃面板是超高层建筑幕墙结构在风荷载作用下最可能出现破坏的构件。在幕墙建造阶段选取承载性能良好的玻璃面板可以有效优化成本。本文以某超高层建筑玻璃幕墙为背景，通过构建单元式中空夹胶玻璃幕墙整体体系的有限元模型，分析玻璃厚度和聚乙烯醇缩丁醛(polyvinyl butyral, PVB)夹胶层厚度对玻璃面板应力的影响。研究表明，在一定范围内，随着玻璃厚度增加，该层玻璃的应力增加，挠度减小，其他层玻璃应力减小；PVB夹胶层增加时，各层玻璃的应力和挠度有微小增加。

Abstract: China has become the largest producer and customer of curtain wall in the world, but safety accidents caused by curtain wall structure often occur. Selecting curtain wall with better strength during curtain wall construction stage can avoid accident risk effectively. This paper selects the curtain wall structure of a super high-rise building in Uzbekistan, and analyzes the influence of glass thickness and polyvinyl butyral (PVB) layer thickness on the stress of the glass curtain wall by constructing the finite element model of the whole system of the unit hollow laminated glass curtain wall. The results show that in a certain range, with the increase of glass thickness, the stress of this layer increases, the deflection decreases, and the stress of other layers decreases. When the PVB layer is increased, the stress and deflection of each layer of glass are slightly increased.

1. 引言

随着建筑功能需求的提高，现代建筑中高大立面幕墙的应用越来越多 [1]。然而我国建筑幕墙行业标准化工作仍有一些薄弱环节存在，近几年建筑玻璃幕墙结构在正常使用过程中时有发生玻璃面板损毁、坠落等安全事故。目前，幕墙结构相关研究大多针对玻璃面板、龙骨结构、结构胶等单方面的研究，通过提高单个构件的受力性能，从而保障幕墙体系的安全性。

陶志熊 [2] 等对四边简支夹层玻璃受弯承载力进行试验研究，分析聚乙烯醇缩丁醛(PVB)胶片的厚度对其承载能力的影响。刘强等 [3] 通过对夹层玻璃梁试件的受弯试验和试件整体稳定的有限元模拟分析，研究了不同夹层玻璃梁在无侧向支撑条件下的弯曲性能与整体稳定性能。张宗恒等 [4] 通过落锤试验，得到不同冲击能量下夹层玻璃的破坏模式，分析了玻璃厚度以及PVB夹层厚度对夹层玻璃抗冲击性能的影响。邓汉国等 [5] 研究了承受静态均布横向荷载的PVB夹层玻璃板的力学响应。苏铜军 [6] 采用非线性有限元法模拟出框支承幕墙铝合金立柱的应力和挠度分布规律，并研究了立柱插芯长度对其受力性能的影响。

研究表明 [7]，幕墙各构件之间的相互作用可以提高幕墙的承载性能。尤其是单元式幕墙，是在工厂预制完成的，由面板和支承结构组成的完整独立的结构系统，相对于主体结构有足够的位移能力。因此，在单元式幕墙结构整体体系中，分析幕墙建造阶段各因素对其受力性能的影响，可以有效优化成本，规避风险。

2. 单元式幕墙结构的计算

2.1. 中空夹胶玻璃幕墙受力性能

中空夹胶玻璃一般有三块玻璃组成，外片玻璃与中片玻璃之间设置聚乙烯醇缩丁醛树脂(Polyvinyl Butyral，简写为PVB)夹胶层，中片玻璃与内片玻璃之间设置空气层，兼顾安全和保温性能。依据规范 [8]，玻璃的材料属性如表1所示。

PVB胶片本构复杂，力学行为受胶层厚度、温度、加载时间等影响重大，力学性能参数难以选取。依据陶志雄 [9] PVB胶片剪切试验，本文依据实际工程情况，取PVB胶片的剪切模量为1.1 MPa，泊松比为0.49。

Table 1. Material properties of glass

表1. 玻璃的材料属性

中空夹胶玻璃的空气层可以传递垂直于玻璃面板表面的荷载，但不能阻止内片玻璃与中片玻璃之间的相对滑移，介于此特性，本文在两片玻璃间均匀设置弹簧来模拟空气层的压缩行为，弹簧单元的弹性模量由式(1)和式(2)计算 [10]。

$K=nk=\frac{\left(P_0+P_i\right)A}{d_0}$ (1)

$P_i=P_s\frac{t_2^3}{t_1^3+t_2^3}$ (2)

式中，K为弹簧单元的总弹性模量；k为假设各处压缩性一致，每个弹簧的弹性模量；P_i为1个标准大气压；A为玻璃面板的面积；d₀为空气层的初始厚度；P_i为内片玻璃上的分配的外荷载由式计算；P_S为外荷载；t为玻璃厚度。

2.2. 有限元计算模型

本文选用soild45单元模拟玻璃材料和PVB夹胶材料。采用combin14单元模拟空气层，经计算，在中片玻璃和内片玻璃之间均匀设置231个combin14弹簧单元来模拟空气层的压缩行为，每个弹簧单元的刚度k = 164 N/mm。采用beam188单元模拟幕墙的支承结构。幕墙玻璃面板规格为6 mm + 1.52 PVB + 6 mm + 12 Air + 10 mm。单元式幕墙相邻板块间通过立柱及横梁插接连接，幕墙结构与主体结构之间通过

Figure 1. Analysis model of overall curtain wall system structure

图1. 幕墙整体体系结构分析模型

挂件连接，因此约束立柱结构X、Y方向的平动位移，释放Z方向位移，以满足幕墙相对主体结构有一定变形能力的要求。根据陶志雄 [9] 的试验结果，约束中空夹胶玻璃短边x、z方向的平动位移，约束长边y、z方向的平动位移。依据上述条件，建立有限元模型如图1所示。

2.3. 有限元计算与规范对比

有限元计算所得玻璃面板最大应力和位移与规范对比如图2和图3所示。由于各构件之间的相互作用可以提高幕墙的承载力，使有限元计算小于规范公式计算结果，但差值在合理范围内。

Figure 2. Maximum stress contrast diagram

图2. 最大应力对比图

Figure 3. Comparison chart of maximum deflection

图3. 最大挠度对比图

3. 受力性能影响因素分析

3.1. 玻璃厚度

本节选取表2所示的有限元分析试件，研究玻璃厚度对玻璃幕墙抗风性能的影响。试件在均布风荷载的作用下，L1及LG1~LG5中空夹胶玻璃外片、中片和内片玻璃的板心最大应力和挠度如图4~7所示。

Table 2. Material properties of glass

表2. 玻璃的材料属性

从图4~6中可以看出，其他条件相同的情况下，外片和中片玻璃厚度增加，会使本片玻璃板心最大应力随之增加，另两片玻璃的板心最大应力减小，且荷载越大，应力差值越来越大。而当内片玻璃厚度增加时，各层玻璃板心应力均减小。外片和中片玻璃应力减小程度较大，内片玻璃应力减小程度较小，且荷载越大，玻璃板心应力差值越来越小。可以看出，当玻璃厚度增加时，其弯曲刚度增加，承受的荷载会增大，从而使得应力增大。但当承受荷载一定时，玻璃厚度越大应力越小，所以虽然LG4试件内片玻璃厚度大于L1试件，但内片玻璃板心应力小于L1试件。

由于各层玻璃板心最大挠度相差较小，因此取最大挠度平均值，各试件板心最大挠度平均值如图7所示。从图中可以看出，各层玻璃厚度增加时，玻璃板心最大挠度均有所下降。LG1试件和LG2试件的最大挠度平均值几乎相同，与L1的差值在7%~13%，LG3试件与L1的差值在13%~23%，LG4较LG1~LG3试件挠度值更小，与L1的差值在17%~29%，说明内片玻璃厚度增加对降低玻璃挠度，提高玻璃抗弯性能的作用程度更大。

3.2. PVB夹胶层厚度

本节选取表3所示的有限元分析试件，研究PVB夹胶层厚度对玻璃面板抗风性能的影响。试件在均布风荷载的作用下，L1及LP1~LP3中空夹胶玻璃外片、中片和内片玻璃的板心最大应力和挠度如图8~11所示。

Figure 4. Maximum stress in the core of outer glass plate with different glass thickness

图4. 不同玻璃厚度下外片玻璃板心最大应力

Figure 5. Maximum stress in the core of medium glass plate with different glass thickness

图5. 不同玻璃厚度下中片玻璃板心最大应力

Figure 6. Maximum stress of inner glass plate core under different glass thicknesses

图6. 不同玻璃厚度下内片玻璃板心最大应力

Figure 7. Average value of maximum deflection of glass plate core under different glass thicknesses

图7. 不同玻璃厚度下玻璃板心最大挠度平均值

Table 3. Thickness change of adhesive layer of test piece

表3. 试件夹胶层厚度变化

从图8~10中可以看出，PVB夹胶层厚度增加时，各层玻璃的板心最大应力随之增加。外片玻璃和内片玻璃应力增大幅度较小，中片玻璃增幅较大，LP3、L1试件应力差值为2.7%~15.8%，LP1、LP2试件应力差值为11.8%~25%。可见PVB夹胶层厚度越大，对玻璃强度影响越小。

Figure 8. Maximum stress in the core of outer glass plate with different PVB sandwich thickness

图8. 不同PVB夹胶厚度下外片玻璃板心最大应力

Figure 9. Maximum stress in the core of medium glass plate with different PVB sandwich thickness

图9. 不同PVB夹胶厚度下中片玻璃板心最大应力

Figure 10. Maximum stress of inner glass plate core under different PVB sandwich thickness

图10. 不同PVB夹胶厚度下内片玻璃板心最大应力

Figure 11. Average deflection of glass plate core under different PVB sandwich thickness

图11. 不同PVB夹胶厚度下玻璃板心挠度平均值

从图11中可以看出，PVB夹胶层厚度增加时，玻璃板心最大挠度有所提高，随着PVB夹胶层厚度，玻璃板心最大挠度提升幅度逐渐减小。但整体来说，PVB夹胶层厚度对玻璃挠度影响不大。实际应用中，在满足承载力和构造条件的情况下，结合玻璃平整度，可以取PVB夹胶层最小厚度。

4. 结论

1) 整体体系有限元分析下的玻璃面板挠度与规范计算值产生13.77%的负偏差。可以反映出在整体体系中，幕墙结构各构件的相互作用，可以提高玻璃面板的强度和稳定性。

2) 当玻璃厚度在一定范围内增加时，其弯曲刚度增加，分配荷载增大，使得该片玻璃应力增大，剩余玻璃应力减小；中空夹胶玻璃的挠度随玻璃厚度增加而降低，且内片玻璃厚度变化对强度和挠度影响程度更大。

3) PVB夹胶层对玻璃应力和挠度影响较小。当PVB夹胶层增加时，各层玻璃的应力和挠度随之增加，即抗弯性能有所下降，中片玻璃应力降幅最大。实际应用中，在满足承载力和构造条件的情况下，结合玻璃平整度，可以取最小PVB夹胶层厚度。