建筑用真空玻璃强度与刚度分析

倪 红(金陵科技学院建筑工程学院，江苏 南京 211169)

真空玻璃是将两片平板玻璃周边进行熔封，将其中间间隔层抽成真空并密闭排气而成。它是玻璃深加工的一枝新秀，综合了玻璃工艺与材料科学、真空技术、物理测量技术、工业自动化及建筑科学等多项技术，具有比中空玻璃窗等目前所有玻璃材料制成的门窗更优越的隔热性能[1]。因此，真空玻璃被期望未来最具发展潜力的节能玻璃[2]。

近些年来，人们对真空玻璃的传热机理[3-7]及制造结构原理[8-10]进行了广泛研究，真空玻璃的制备工艺不断地得到了改进，真空玻璃的应用不断得到推广,但对直接涉及到影响真空玻璃可靠性应用的力学理论和工程应用强度设计研究国内外还鲜见报道。JGJ102-2003《玻璃幕墙工程技术规范》[11]只给出了单片、夹层及中空玻璃的抗风压强度设计，但对真空玻璃及其复合结构并没有给出具体的设计方法。本文通过均布施加载荷试验，研究了单片真空玻璃的承载变形性能，并与夹层玻璃和普通单片玻璃进行了比较，确定了真空玻璃的等效厚度，给出了真空玻璃及其复合结构强度设计方法。

1 试验

1.1 试验样品

长宽尺寸为1000mm×1000mm的玻璃如 下：N3+V+N3、N4+V+N4、N5+V+N5真 空 玻 璃 各1 块，N3+1.52PVB+N3，N4+1.52PVB+N4、N5+1.52PVB+N5 夹层玻璃各1 块，5mm、6mm、8mm、10mm的单片玻璃各1 块。长宽尺寸为300mm×300mm的玻璃如下：N5+V+N5 真空玻璃1 块，N5+1.52PVB+N5夹层玻璃1 块，6mm、8mm、10mm的单片玻璃各1 块。

1.2 试验方法及装置

将玻璃样品置于空腔上部，玻璃四边正好处于空腔边缘位置，用密封胶将支承边部密封，使玻璃处于四边简支状态。采用真空泵抽出空腔部分气体给玻璃施加均布负压，负压大小用膜盒压力表读取。加载过程中，分别记录对应载荷下玻璃板中心最大应力和挠度。玻璃挠度采用激光位移传感器测量，挠度值精确到0.001mm。最大应力采用三片直角450 应变花测量，应变花预先布置在玻璃受拉面板中心。

2 结果与讨论

2.1 真空玻璃强度与刚度分析

表1 和表2 为通过试验获得的各玻璃样品在不同均布载荷作用下板中心的最大应力和挠度。

N3+V+N3-3mm 普通浮法玻璃+vacuum+3mm普通浮法玻璃;N5-5mm 普通浮法玻璃;N3+1.52PVB+N3-3mm 普通浮法玻璃+1.52PVB+3mm普通浮法玻璃，其余类似。

图1、图2分别为长宽尺寸为1000mm×1000mm的N5+V+N5 真空玻璃与其它玻璃在不同均布载荷作用下板中心最大挠度和应力对比。从图中可以看出，玻璃板中心最大挠度和应力与载荷基本呈线性关系。

图1 长宽尺寸为1000mm×1000mm的N5+V+N5 真空玻璃与其它玻璃在不同均布载荷作用下板中心最大挠度对比

表1 长宽尺寸为1000mm×1000mm的玻璃样品板中心挠度和应力测试结果

表2 长宽尺寸为300mm×300mm的玻璃样品板中心挠度和应力测试结果

图2 长宽尺寸为1000mm×1000mm的N5+V+N5 真空玻璃与其它玻璃在不同均布载荷作用下板中心最大应力对比

由试验测试结果可以看出，相同载荷下，真空玻璃板中心最大应力和挠度均比与其等厚度的夹层玻璃和单片普通玻璃(不考虑真空玻璃真空层厚度及夹层玻璃胶片厚度大)，这说明真空玻璃的强度和刚度均不及与其等厚度的单片玻璃和夹层玻璃，从结构上分析，由于真空玻璃的两片玻璃四边由焊接玻璃密封，中间由支撑物支撑，支撑物不能起传递面内剪切力作用，而夹层玻璃的胶片能够传递剪切力，因此，相同条件下，真空玻璃的强度和刚度均比与其等厚度的夹层玻璃和单片玻璃要低。

2.2 真空玻璃等效厚度的确定

由试验结果，得出真空玻璃强度与刚度不如与其相同尺寸的普通玻璃，那么真空玻璃的承载能力究竟与多厚的普通玻璃相当？从真空玻璃结构上看，在均布载荷(风压)作用下，真空玻璃两基片始终变形一致，因此，强度分析时，可以将真空玻璃看作一整体，采用等效厚度形式，按单片玻璃进行分析。真空玻璃等效厚度即一定组合的复合真空玻璃结构与一定厚度的单片玻璃在相同支撑条件，相同载荷条件下，两者产生相同的变形或应力，该单片玻璃的厚度即为该复合真空玻璃的等效厚度。真空玻璃的等效厚度可由试验测试结果确定。

根据弹性理论，矩形四边简支板受均布载荷作用下，中心最大挠度和应力计算公式如下[12]：

其中q0为均布载荷，b为玻璃板短边长度，t为玻璃板厚度，E为玻璃弹性模量。

由于测试的玻璃材料、长宽尺寸、测试条件相同，因此，真空玻璃的等效厚度可采用如下公式表示：

其中tw为单片玻璃对应的挠度，wv为真空玻璃对应的挠度，t为单片玻璃的厚度，teq为真空玻璃等效厚度。

其中σt为单片玻璃对应的应力，σv为真空空玻璃等效厚度。

表3 不同真空玻璃等效厚度计算结果

由表3 可以看出，真空玻璃的长宽尺寸对等效厚度影响不明显，真空玻璃基片厚度对等效厚度有影响，且基片厚度越大，则其等效厚度系数(/t总)越小。无论按等挠度，还是等应力计算，其等效厚度基本相同。通过上面分析，可得到如下重要成果：N3+V+N3 真空玻璃等效厚度系数可取0.95，N4+V+N4 真空玻璃等效厚度系数可取0.90，N5+V+N5 真空玻璃等效厚度系数可取0.85。

3 真空玻璃强度设计

虽然真空玻璃由两片玻璃构成，并且每片玻璃均有各自的中性层，但由于外载作用下真空玻璃两基片变形协调，因此，对真空玻璃在风载荷作用下应力计算时，可把真空玻璃当作一块整体，采用等效厚度替代真空玻璃的总厚度进行计算。

工程设计时，可参考规范中的普通玻璃的设计方法。对于四边弹性支撑的真空玻璃门窗或幕墙，按我国目前的设计规范，采用最大应力设计时，玻璃板中心的最大应力计算公式如下：

其中：σ为风载荷作用下玻璃的最大弯曲应力，MPa；q为风载荷设计值，MPa；a为矩形玻璃板短边边长，mm；b为玻璃板的长边边长，mm；t为玻璃板厚度，mm；φ为弯曲系数，与边长比a/b有关，见表4。

因此，在风载荷作用下，引起真空玻璃板中心最大应力计算公式如下：

由于两片玻璃之间的空腔被抽成真空，大气压差作用会导致真空玻璃内部存在不可忽视的应力。这些应力主要分布在以下几个区域：(1)支撑物处玻璃上表面的拉应力；(2)支撑物内部压应力；(3)支撑物处玻璃内表面接触应力。因此，真空玻璃在风载荷作用弯曲下，玻璃表面最大拉应力应为弯曲张应力和支撑物处玻璃上表面的拉应力之和(见图3)。支撑物处玻璃上表面的拉应力与支撑物直径，排列间距和玻璃基片厚度有关，计算公式为[13]：

表4 φ 值

其中m、n分别为真空玻璃支撑点的横向和纵向距离，h为玻璃基片厚度，r为支撑物半径，β、β1与m/n有关，当m/n=1时，β=-0.238，β1=0.2874，F=q0ab，q0为大气压(105Pa)。

因此，真空玻璃在风载荷作用下玻璃外表面最大拉应力计算公式如下：

目前，相关标准和规范规定了不同玻璃品种的设计强度，比如5mm 厚普通浮法玻璃中部设计强度为24MPa。因此，对于用普通浮法玻璃为基片的真空玻璃，其设计载荷为：

这里σmax取 24MPa。

图3 真空玻璃在风载荷及大气压差作用下应力分布图

4 结论

1) 真空玻璃强度与刚度不如与其同尺寸的普通玻璃。

2)真空玻璃等效厚度与玻璃基片厚度有关，但与玻璃长宽尺寸几乎无关。真空玻璃等效厚度系数：3mm 玻璃基片为0.95，4mm 玻璃基片为0.90，5mm 玻璃基片为0.85。

3)真空玻璃强度设计需要考虑大气压引起的玻璃外表面支撑张应力影响。

[1]R.E.Collins,S.J.Robinson.Evacuated glazing.Solar Energy,1991,47 (1):27-38.

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