摘 要:為研究面內(nèi)剪力作用下點(diǎn)支承玻璃板的承載性能,采用沉頭式、浮頭式連接方式的玻璃板各3件,施加面內(nèi)均布荷載直至破壞,量測(cè)了玻璃板上關(guān)鍵點(diǎn)的應(yīng)力變化,記錄了點(diǎn)支承玻璃板的破壞過程。試驗(yàn)現(xiàn)象表明,玻璃板在面內(nèi)剪力作用下發(fā)生平面外變形,使其承載能力下降了70%以上。在單獨(dú)剪力作用下,點(diǎn)支承玻璃板破壞由孔邊應(yīng)力控制,而大面中心及板邊中點(diǎn)的應(yīng)力則較小。該研究為進(jìn)一步改進(jìn)點(diǎn)支承玻璃的設(shè)計(jì)方法提供了依據(jù)。
關(guān)鍵詞:點(diǎn)式玻璃幕墻;面內(nèi)剪力;承載性能
點(diǎn)式玻璃幕墻所受荷載包括自重、風(fēng)荷載、雨雪荷載、地震作用、施工荷載、溫度變化或支座位移引起的作用以及活荷載等。而其作用形式可以分成兩類:垂直于玻璃板表面的作用和平行于玻璃板表面的作用。垂直于板表面的作用統(tǒng)稱為面外作用,亦稱面外荷載,它使玻璃板發(fā)生彎曲;平行于板表面的作用統(tǒng)稱為面內(nèi)作用,它使得玻璃板在孔邊產(chǎn)生剪切變形,所以又可稱作面內(nèi)剪力。在實(shí)際工程中,點(diǎn)式玻璃幕墻的面板經(jīng)常處于面外荷載和面內(nèi)剪力的共同作用下。目前關(guān)于點(diǎn)式玻璃板的抗彎承載性能的研究較多,已經(jīng)有了一套比較完善的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)方法[13]。然而,目前設(shè)計(jì)中還無法考慮面內(nèi)剪力對(duì)板的承載性能的影響。另外,金屬連接件的設(shè)計(jì)中也沒有考慮承受較大面內(nèi)剪力作用。本文作者曾對(duì)點(diǎn)支玻璃板面內(nèi)抗剪性能進(jìn)行了必要的理論計(jì)算分析[4]。本文進(jìn)行面內(nèi)剪力作用下的點(diǎn)式玻璃板承載性能的試驗(yàn)研究,分析了面內(nèi)剪力對(duì)于板承載性能的影響,為改進(jìn)設(shè)計(jì)方法提供了重要依據(jù)。
1 試件設(shè)計(jì)與加載設(shè)備
1.1 試件設(shè)計(jì)
點(diǎn)式玻璃板受載時(shí)孔邊應(yīng)力狀態(tài)復(fù)雜,是影響板承載性能的一個(gè)關(guān)鍵部位[5]。玻璃板邊長(zhǎng)l、厚度δ、孔徑d、孔邊距a以及與支承結(jié)構(gòu)間不同的連接方式(浮頭式和沉頭式)都會(huì)影響板受載時(shí)在孔邊的應(yīng)力分布,因而在試驗(yàn)中設(shè)置了2種試件類型:浮頭式試件和沉頭式試件。每種類型均用3個(gè)相同試件重復(fù)試驗(yàn)。試件類型及參數(shù)見表1。點(diǎn)式玻璃板抗彎承載性能的研究表明[2],制約其承載性能的板內(nèi)應(yīng)力控制點(diǎn)主要出現(xiàn)在大面中心、板邊中點(diǎn)和孔邊的位置。故試驗(yàn)中在這些地方布置了應(yīng)變花,孔邊位置的應(yīng)力比較復(fù)雜,應(yīng)變花布置得較多。試件測(cè)點(diǎn)布置及編號(hào)示意圖如圖1所示。
沉頭式板(BL-2)兩個(gè)大面的開孔尺寸不同,我們將緊固件墊板沉入與之平齊的那個(gè)表面稱為外表面,另一面稱為內(nèi)表面。
1.2 加載裝置
試驗(yàn)加載裝置如圖2所示。試驗(yàn)中將緊固件和玻璃板作為一個(gè)整體共同承受荷載以模擬真實(shí)的受力情況。在實(shí)際應(yīng)用中,緊固件底部通過爪件固定于幕墻支承結(jié)構(gòu)上,試驗(yàn)中則將其底部焊接于鋼梁上。
2 試驗(yàn)現(xiàn)象和結(jié)果
2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象
試件初加荷載時(shí),玻璃板變形不大,隨著千斤頂荷載的逐漸增大,玻璃板開始出現(xiàn)面外變形,緊固件螺桿彎曲,玻璃板面外撓度進(jìn)一步加大直至破壞。較大的面內(nèi)剪力作用下,在玻璃板未破壞前,緊固件螺桿已經(jīng)達(dá)到屈服,產(chǎn)生了不可恢復(fù)的彎曲變形。
2.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)
整理后的數(shù)據(jù)列于表2及表3中(試驗(yàn)中由于應(yīng)變花導(dǎo)線接觸而導(dǎo)致明顯不準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)沒有列出,表中以—表示)。
理論上,因?yàn)閷?duì)稱,沿千斤頂作用方向上左右兩孔的孔邊應(yīng)力應(yīng)該相等,試驗(yàn)中施加的不是理想的對(duì)稱荷載,所以得到兩孔的孔邊應(yīng)力不相等,板在完全對(duì)稱荷載作用下的破壞荷載會(huì)比試驗(yàn)中得到的大。
2.3 試驗(yàn)曲線
試驗(yàn)得到了各個(gè)測(cè)點(diǎn)最大主應(yīng)力(σmax)隨面內(nèi)剪力(Vp)變化曲線如圖3、圖4所示。對(duì)于板內(nèi)的應(yīng)力控制點(diǎn)來說,千斤頂讀數(shù)較大時(shí),相同增量的荷載引起更多的應(yīng)力增長(zhǎng)。
3 試驗(yàn)結(jié)果分析
3.1 應(yīng)力分布
1)浮頭式玻璃板應(yīng)力增長(zhǎng)較快的點(diǎn)位于與剪力同側(cè)的孔邊,如圖1中的測(cè)點(diǎn)1、7、9和14,板破壞時(shí)最大應(yīng)力出現(xiàn)在下孔邊(測(cè)點(diǎn)1、測(cè)點(diǎn)7)。
2)沉頭式玻璃板應(yīng)力增長(zhǎng)較快的點(diǎn)位于外表面與剪力同側(cè)的孔邊(如圖1中測(cè)點(diǎn)12、13、14及15)以及內(nèi)表面與剪力異側(cè)的孔邊(圖1中測(cè)點(diǎn)3、8及11)。板破壞時(shí)最大應(yīng)力出現(xiàn)在外表面下孔邊(測(cè)點(diǎn)12)。
3)在單獨(dú)面內(nèi)剪力作用下,孔邊應(yīng)力將在強(qiáng)度設(shè)計(jì)時(shí)起控制作用。板中心(大面中心)和板邊中點(diǎn)的應(yīng)力都很低,而現(xiàn)行照《規(guī)程》[1]中均按以上兩點(diǎn)應(yīng)力控制驗(yàn)算。
4)板受剪和受彎時(shí)的孔邊應(yīng)力分布情況不同,如圖5示。
3.2 連接方式的影響
1)浮頭式緊固件對(duì)板的嵌固作用較強(qiáng),控制點(diǎn)的應(yīng)力增長(zhǎng)可近似為兩段折線,當(dāng)面內(nèi)剪力達(dá)到一定大小時(shí),表現(xiàn)為應(yīng)力增長(zhǎng)在該點(diǎn)突然加快。
2)沉頭式緊固件對(duì)板的嵌固作用較弱,不能約束板在荷載作用下的面外變形,所以應(yīng)力增長(zhǎng)速度逐漸加快。
3.3 面內(nèi)剪力作用下玻璃板的破壞過程
1)起初,荷載較小,板變形不大,緊固件處于彈性工作范圍內(nèi),變形也不大,緊固件對(duì)玻璃板的嵌固作用限制平面外位移。
2)面內(nèi)荷載增大,緊固件螺桿達(dá)到局部屈服而產(chǎn)生較大的彎曲變形,帶動(dòng)墊板轉(zhuǎn)動(dòng),此時(shí)緊固件不但不能約束板發(fā)生平面外位移,反而促使板發(fā)生較大的面外變形,從而降低了板的剛度,板內(nèi)應(yīng)力開始加速增長(zhǎng)直至試件破壞。
4 結(jié) 論
1)由于玻璃板在面內(nèi)剪力作用下發(fā)生平面外變形,板內(nèi)控制點(diǎn)的應(yīng)力加速增長(zhǎng),使點(diǎn)式玻璃板抗剪承載性能嚴(yán)重下降達(dá)70%以上。
2)點(diǎn)式玻璃板在面內(nèi)剪力作用下的應(yīng)力分布情況為:對(duì)于浮頭式板,應(yīng)力控制點(diǎn)出現(xiàn)在下孔邊;對(duì)于沉頭式板,應(yīng)力控制點(diǎn)出現(xiàn)在外表面的下孔邊。
3)點(diǎn)式玻璃板受剪時(shí)的破壞由孔邊應(yīng)力控制,大面中心及板邊中點(diǎn)的應(yīng)力很小,不再是應(yīng)力控制點(diǎn)。
4)在大的面內(nèi)剪力作用下,緊固件將先于玻璃板發(fā)生破壞,因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)該驗(yàn)算緊固件抗側(cè)向力的性能。
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