摘 要:为研究面内剪力作用下点支承玻璃板的承载性能,采用沉头式、浮头式连接方式的玻璃板各3件,施加面内均布荷载直至破坏,量测了玻璃板上关键点的应力变化,记录了点支承玻璃板的破坏过程。试验现象表明,玻璃板在面内剪力作用下发生平面外变形,使其承载能力下降了70%以上。在单独剪力作用下,点支承玻璃板破坏由孔边应力控制,而大面中心及板边中点的应力则较小。该研究为进一步改进点支承玻璃的设计方法提供了依据。
关键词:点式玻璃幕墙;面内剪力;承载性能
点式玻璃幕墙所受荷载包括自重、风荷载、雨雪荷载、地震作用、施工荷载、温度变化或支座位移引起的作用以及活荷载等。而其作用形式可以分成两类: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统称为面外作用,亦称面外荷载,它使玻璃板发生弯曲;平行于板表面的作用统称为面内作用,它使得玻璃板在孔边产生剪切变形,所以又可称作面内剪力。在实际工程中,点式玻璃幕墙的面板经常处于面外荷载和面内剪力的共同作用下。目前关于点式玻璃板的抗弯承载性能的研究较多,已经有了一套比较完善的抗弯强度设计方法[13]。然而,目前设计中还无法考虑面内剪力对板的承载性能的影响。另外,金属连接件的设计中也没有考虑承受较大面内剪力作用。本文作者曾对点支玻璃板面内抗剪性能进行了必要的理论计算分析[4]。本文进行面内剪力作用下的点式玻璃板承载性能的试验研究,分析了面内剪力对于板承载性能的影响,为改进设计方法提供了重要依据。
1 试件设计与加载设备
1.1 试件设计
点式玻璃板受载时孔边应力状态复杂,是影响板承载性能的一个关键部位[5]。玻璃板边长l、厚度δ、孔径d、孔边距a以及与支承结构间不同的连接方式(浮头式和沉头式)都会影响板受载时在孔边的应力分布,因而在试验中设置了2种试件类型:浮头式试件和沉头式试件。每种类型均用3个相同试件重复试验。试件类型及参数见表1。点式玻璃板抗弯承载性能的研究表明[2],制约其承载性能的板内应力控制点主要出现在大面中心、板边中点和孔边的位置。故试验中在这些地方布置了应变花,孔边位置的应力比较复杂,应变花布置得较多。试件测点布置及编号示意图如图1所示。
沉头式板(BL-2)两个大面的开孔尺寸不同,我们将紧固件垫板沉入与之平齐的那个表面称为外表面,另一面称为内表面。
1.2 加载装置
试验加载装置如图2所示。试验中将紧固件和玻璃板作为一个整体共同承受荷载以模拟真实的受力情况。在实际应用中,紧固件底部通过爪件固定于幕墙支承结构上,试验中则将其底部焊接于钢梁上。
2 试验现象和结果
2.1 试验现象
试件初加荷载时,玻璃板变形不大,随着千斤顶荷载的逐渐增大,玻璃板开始出现面外变形,紧固件螺杆弯曲,玻璃板面外挠度进一步加大直至破坏。较大的面内剪力作用下,在玻璃板未破坏前,紧固件螺杆已经达到屈服,产生了不可恢复的弯曲变形。
2.2 试验数据
整理后的数据列于表2及表3中(试验中由于应变花导线接触而导致明显不准确的数据没有列出,表中以—表示)。
理论上,因为对称,沿千斤顶作用方向上左右两孔的孔边应力应该相等,试验中施加的不是理想的对称荷载,所以得到两孔的孔边应力不相等,板在完全对称荷载作用下的破坏荷载会比试验中得到的大。
2.3 试验曲线
试验得到了各个测点最大主应力(σmax)随面内剪力(Vp)变化曲线如图3、图4所示。对于板内的应力控制点来说,千斤顶读数较大时,相同增量的荷载引起更多的应力增长。
3 试验结果分析
3.1 应力分布
1)浮头式玻璃板应力增长较快的点位于与剪力同侧的孔边,如图1中的测点1、7、9和14,板破坏时最大应力出现在下孔边(测点1、测点7)。
2)沉头式玻璃板应力增长较快的点位于外表面与剪力同侧的孔边(如图1中测点12、13、14及15)以及内表面与剪力异侧的孔边(图1中测点3、8及11)。板破坏时最大应力出现在外表面下孔边(测点12)。
3)在单独面内剪力作用下,孔边应力将在强度设计时起控制作用。板中心(大面中心)和板边中点的应力都很低,而现行照《规程》[1]中均按以上两点应力控制验算。
4)板受剪和受弯时的孔边应力分布情况不同,如图5示。
3.2 连接方式的影响
1)浮头式紧固件对板的嵌固作用较强,控制点的应力增长可近似为两段折线,当面内剪力达到一定大小时,表现为应力增长在该点突然加快。
2)沉头式紧固件对板的嵌固作用较弱,不能约束板在荷载作用下的面外变形,所以应力增长速度逐渐加快。
3.3 面内剪力作用下玻璃板的破坏过程
1)起初,荷载较小,板变形不大,紧固件处于弹性工作范围内,变形也不大,紧固件对玻璃板的嵌固作用限制平面外位移。
2)面内荷载增大,紧固件螺杆达到局部屈服而产生较大的弯曲变形,带动垫板转动,此时紧固件不但不能约束板发生平面外位移,反而促使板发生较大的面外变形,从而降低了板的刚度,板内应力开始加速增长直至试件破坏。
4 结 论
1)由于玻璃板在面内剪力作用下发生平面外变形,板内控制点的应力加速增长,使点式玻璃板抗剪承载性能严重下降达70%以上。
2)点式玻璃板在面内剪力作用下的应力分布情况为:对于浮头式板,应力控制点出现在下孔边;对于沉头式板,应力控制点出现在外表面的下孔边。
3)点式玻璃板受剪时的破坏由孔边应力控制,大面中心及板边中点的应力很小,不再是应力控制点。
4)在大的面内剪力作用下,紧固件将先于玻璃板发生破坏,因此在设计中应该验算紧固件抗侧向力的性能。
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