京深港高铁广州南站网壳屋面、上海辰山植物园采光顶也采用了超白玻璃(图22、图23)。
四、 离子性中间膜夹层玻璃
离子性中间层夹层玻璃是JGJ 102规范新版本增加的一个新内容。
1. 常规的PVB 夹层玻璃
目前,玻璃幕墙夹层玻璃广泛采用的中间膜是聚乙烯醇缩丁醛,简称 PVB 。PVB使用已经有多年历史,也为幕墙行业普遍熟悉。但是,这种夹胶膜(词条“胶膜”由行业大百科提供)最初是为汽车玻璃(词条“汽车玻璃”由行业大百科提供)而开发的,不是针对建筑幕墙开发的,所以它富于弹性,比较柔软,剪切模量小,两块玻璃间受力后会有显著的相对滑移,承载力较小,弯曲变形较大。PVB夹层玻璃可以用于一般玻璃幕墙,不适宜用于有高性能要求的玻璃幕墙。
同时,PVB夹层玻璃的外露边容易受潮开胶,PVB胶膜夹层玻璃使用时间长以后容易发黄变色,这些都是应该加以注意的。
理想的建筑幕墙用夹层玻璃中间膜应能满足以下要求:
1)对玻璃有较高的粘结能力,有较强的抗撕裂强度,能防止玻璃破碎时飞散。
2)有较强的防护能力,可以防止自然力和人力的破坏。对强风、地震、暴力、盗窃 等有足够的抵抗力。
3)能承受室内人员的突然撞击,防止玻璃飞散或整体脱出,避免室内人员飞出坠落。
4)有足够的剩余承载力,玻璃破碎后再发生弯曲变形时不会整块脱落。
5)中间膜有大的剪切模量(词条“模量”由行业大百科提供),使两块玻璃尽可能整截面受弯工作,从而提高玻璃的承载力和弯曲刚度,减小玻璃的厚度,减轻玻璃的自重。
6)无色透明,能耐受紫外线、水汽和外界气候变化影响,长时期使用不泛黄变色。
目前采用的PVB夹胶膜还不能完全满足上述要求。有必要开发更高性能的幕墙夹层玻璃专用中间膜,以适应超高层建筑幕墙、大跨度采光顶、超大尺寸夹层玻璃、全玻璃结构等对夹层玻璃的高标准要求。
2. 离子性中间膜的特性
现在,能满足建筑幕墙夹层玻璃上述性能要求的夹胶膜 — 离子性中间膜已经公司开发出来,并批量生产,商品名称为 SGP 。这种夹胶膜具有许多优良的性能。
(1) 具有高的强度和剪切模量,力学性能优异
SGP 的剪切模量是 PVB 的50倍以上,撕裂强度比 PVB 高 5 倍。SGP 夹胶后,玻璃受力时两片玻璃之间的胶层基本上不会产生滑动,两片玻璃如同一片等厚度的单片玻璃整体工作。这样一来,承载力就是等厚度的 PVB 夹层玻璃承载力的2倍;同时,在相等荷载、相等厚度的情况下,SGP夹层玻璃的弯曲挠度只有 PVB 夹层玻璃的 1 / 4(图24)。
由于承载力提高,挠度减小,玻璃厚度会相应减小。有可能减少玻璃的用量约40% ,相应也减轻了幕墙的自重。不仅有利于主体结构设计,而且节材就是节能,因为生产每一标准箱浮法玻璃要消耗标准煤16Kg,耗电7.5 度。如果加上钢化、均质化处理等,耗能就更多了。
(2) 具有良好的边部稳定性,可外露使用而无须封边
边部稳定性指夹层玻璃边部外露于大气条件下的耐久性。PVB夹胶不耐潮湿,水汽作用下容易开胶、分离,要求外露边缘进行封边处理。而SGP胶膜有良好的边部稳定性,对水分不敏感,在外露条件下使用也不会开胶、分离,可以开边使用,不必封边(图25)。所以SGP夹层玻璃可以很方便地用于拦板、雨棚、外挑装饰玻璃翅、玻璃遮阳板等外露边缘的构件而无须采取专门的封边措施(图26)。
(3) 玻璃破损后留有充分的剩余承载力,不会整块坠落
普通PVB夹层玻璃,尤其是钢化夹层玻璃,玻璃一旦破碎就会产生很大的弯曲变形,有整块脱落的危险(图27)。当玻璃水平安装在采光顶上时风险更大,北京香山植物园就曾发生过玻璃整块落下的意外事故。
SGP 间膜夹层玻璃整体性好,SGP夹胶膜的撕裂强度是PVB夹胶膜的5倍,即使玻璃万一破碎,SGP膜还可以粘结碎玻璃形成破坏后的一个临时结构,其弯曲变形小,还可以承受一定量的荷载而不会整片下坠。这就大大提高了玻璃的安全性(图28、图29)。
3 离子性中间膜夹层玻璃的试验研究
受美国杜邦公司的委托,中国建筑科学研究院于2006~2007年期间进行了SGP 夹层玻璃性能的研究。试验得到了SGP中间膜和PVB中间膜自身的物理力学性能以及对比了SGP夹层玻璃、等厚PVB夹层玻璃和等厚单片玻璃受力性能。
玻璃受弯试件分四边支承和两边简支两种形式。
同厚度夹层玻璃和等厚单片玻璃的对比试验表明,SGP夹层玻璃的应力和挠度与同厚度的单片玻璃基本相同;而PVB夹层玻璃由于中间层显著的滑移,应力与挠度要大得多。因而可以认为:SGP夹层玻璃作为等厚度单片玻璃整体工作;PVB夹层玻璃接近于两片单独的玻璃叠加。
试验还表明,SGP 夹层玻璃破碎后,挠度并没有显著加大,仍保留相当大的剩余承载力,能保证幕墙的结构安全。
进行了30天长期荷载试验,PVB夹层玻璃长期荷载下的弯曲变形显著增大,而SGP夹
层玻璃如同单片玻璃一样,长期挠度增长很小。
进行了温度升高条件下的受力性能试验,温度在50摄氏度以下时,SGP夹层玻璃的承
载力不降低;而PVB夹层玻璃50摄氏度时的承载力仅为20摄氏度时的60%。
试验实测,在温度为20摄氏度时,PVB夹胶膜的剪切模量G=0.84 N/m㎡;而SGP夹胶膜的剪切模量G则高达 42.7 N/m㎡。
4. 离子性中间膜夹层玻璃的力学性能
叠合在一起的几片玻璃的工作性能取决于中间层(夹胶膜)的力学性能。
如果夹胶膜的剪切模量G和撕裂强度f 很小,夹层玻璃受弯时中间层就产生很大的滑移,玻璃之间就在相对滑动,夹胶膜实际上没有起将玻璃连为整体的作用。这几片玻璃看似叠合在一起,实际上还是各自单独工作。承载力仅仅是各片玻璃单独承载力之和。
反之,如果夹胶膜的剪切模量G和撕裂强度f很高,夹层玻璃受弯时夹胶膜滑移量极小,这时候几片玻璃就能够共同工作,好象是一片单片玻璃一样。
理论上,当夹胶膜的力学性能等同于玻璃时,夹层玻璃就变成了单片玻璃。在工程上,当夹胶层的剪切模量G大于20 N/m㎡时,就可以认为夹层玻璃在整体状态下工作。SGP离子性中间层的G达到42.7N/m㎡,已经满足了这个条件;而PVB夹胶膜的G值仅为0.84N/m㎡,与上述条件相差悬殊。它们两者受弯时的截面应力状态是完全不同的(图30)。
正是两者的受力状态不同,在相同厚度下两者的承载力和变形有很大的差别(图31、图32)。
因此,采用SGP夹层玻璃将使得玻璃的厚度减小,更有利于合理地进行幕墙玻璃的选用,取得更大的经济技术效益(图33、图34)。
5. PVB中间膜在超大尺寸玻璃中的应用
如前所述, 目前,国外生产的热弯钢化夹层玻璃最大长度为6m。我国于2010年成功生产了世界上第一块超大尺寸玻璃:12.8mX2.6m热弯钢化超白夹层,15mm+2.28 SGP+15mm(图19)。接着,生产了12块12.6mX2.6m 超大尺寸热弯钢化夹层玻璃,12mm+1.58 SGP+12mm+1.58 SGP+12mm,用于上海苹果店。正是SGP离子性中间膜的应用使得超大玻璃制造成为可能。
现在,美国苹果店13.8mX3.6m 钢化SGP夹层玻璃已经生产出来,为香港苹果店制造的18m 热弯钢化SGP夹层玻璃也已经交付。
超大尺寸SGP夹层玻璃主要用于苹果店这样的全玻璃结构,与大玻璃配套的是超长多重夹胶玻璃梁和玻璃柱。图36为上海苹果店12m长SGP五夹层玻璃柱。现在更长的SGP多重夹胶玻璃柱已经制造成功(图37、图38)。
6. SGP 夹层玻璃在大型公共建筑中的应用
SGP 中间层夹层玻璃已经在许多大型公共建筑中应用。图39 为上海东方艺术中心,幕墙玻璃采用两块玻璃夹一层多孔金属板(图40),只有SGP 强力粘接才能完成金属板夹胶玻璃的制造。
27 SGP夹层玻璃在公共建筑中应用,提高了幕墙的安全性,减轻了玻璃的自重,而且使幕墙更为通透。
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