摘 要:為研究面內剪力作用下點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,施加面內均布荷載直至破壞,量測了玻璃板上關鍵點的應力變化,記錄了點支承玻璃板的破壞過程。試驗現象表明,玻璃板在面內剪力作用下發生平面外變形,使其承載能力下降了70%以上。在單獨剪力作用下,點支承玻璃板破壞由孔邊應力控制,而大面中心及板邊中點的應力則較小。該研究為進一步改進點支承玻璃的設計方法提供了依據。
關鍵詞:點式玻璃幕墻;面內剪力;承載性能
點式玻璃幕墻所受荷載包括自重、風荷載、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稱為面外作用,亦稱面外荷載,它使玻璃板發生彎曲;平行于板表面的作用統稱為面內作用,它使得玻璃板在孔邊產生剪切變形,所以又可稱作面內剪力。在實際工程中,點式玻璃幕墻的面板經常處于面外荷載和面內剪力的共同作用下。目前關于點式玻璃板的抗彎承載性能的研究較多,已經有了一套比較完善的抗彎強度設計方法[13]。然而,目前設計中還無法考慮面內剪力對板的承載性能的影響。另外,金屬連接件的設計中也沒有考慮承受較大面內剪力作用。本文作者曾對點支玻璃板面內抗剪性能進行了必要的理論計算分析[4]。本文進行面內剪力作用下的點式玻璃板承載性能的試驗研究,分析了面內剪力對于板承載性能的影響,為改進設計方法提供了重要依據。
1 試件設計與加載設備
1.1 試件設計
點式玻璃板受載時孔邊應力狀態復雜,是影響板承載性能的一個關鍵部位[5]。玻璃板邊長l、厚度δ、孔徑d、孔邊距a以及與支承結構間不同的連接方式(浮頭式和沉頭式)都會影響板受載時在孔邊的應力分布,因而在試驗中設置了2種試件類型:浮頭式試件和沉頭式試件。每種類型均用3個相同試件重復試驗。試件類型及參數見表1。點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應力控制點主要出現在大面中心、板邊中點和孔邊的位置。故試驗中在這些地方布置了應變花,孔邊位置的應力比較復雜,應變花布置得較多。試件測點布置及編號示意圖如圖1所示。
沉頭式板(BL-2)兩個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表面稱為外表面,另一面稱為內表面。
1.2 加載裝置
試驗加載裝置如圖2所示。試驗中將緊固件和玻璃板作為一個整體共同承受荷載以模擬真實的受力情況。在實際應用中,緊固件底部通過爪件固定于幕墻支承結構上,試驗中則將其底部焊接于鋼梁上。
2 試驗現象和結果
2.1 試驗現象
試件初加荷載時,玻璃板變形不大,隨著千斤頂荷載的逐漸增大,玻璃板開始出現面外變形,緊固件螺桿彎曲,玻璃板面外撓度進一步加大直至破壞。較大的面內剪力作用下,在玻璃板未破壞前,緊固件螺桿已經達到屈服,產生了不可恢復的彎曲變形。
2.2 試驗數據
整理后的數據列于表2及表3中(試驗中由于應變花導線接觸而導致明顯不準確的數據沒有列出,表中以—表示)。
理論上,因為對稱,沿千斤頂作用方向上左右兩孔的孔邊應力應該相等,試驗中施加的不是理想的對稱荷載,所以得到兩孔的孔邊應力不相等,板在完全對稱荷載作用下的破壞荷載會比試驗中得到的大。
2.3 試驗曲線
試驗得到了各個測點最大主應力(σmax)隨面內剪力(Vp)變化曲線如圖3、圖4所示。對于板內的應力控制點來說,千斤頂讀數較大時,相同增量的荷載引起更多的應力增長。
3 試驗結果分析
3.1 應力分布
1)浮頭式玻璃板應力增長較快的點位于與剪力同側的孔邊,如圖1中的測點1、7、9和14,板破壞時最大應力出現在下孔邊(測點1、測點7)。
2)沉頭式玻璃板應力增長較快的點位于外表面與剪力同側的孔邊(如圖1中測點12、13、14及15)以及內表面與剪力異側的孔邊(圖1中測點3、8及11)。板破壞時最大應力出現在外表面下孔邊(測點12)。
3)在單獨面內剪力作用下,孔邊應力將在強度設計時起控制作用。板中心(大面中心)和板邊中點的應力都很低,而現行照《規程》[1]中均按以上兩點應力控制驗算。
4)板受剪和受彎時的孔邊應力分布情況不同,如圖5示。
3.2 連接方式的影響
1)浮頭式緊固件對板的嵌固作用較強,控制點的應力增長可近似為兩段折線,當面內剪力達到一定大小時,表現為應力增長在該點突然加快。
2)沉頭式緊固件對板的嵌固作用較弱,不能約束板在荷載作用下的面外變形,所以應力增長速度逐漸加快。
3.3 面內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,變形也不大,緊固件對玻璃板的嵌固作用限制平面外位移。
2)面內荷載增大,緊固件螺桿達到局部屈服而產生較大的彎曲變形,帶動墊板轉動,此時緊固件不但不能約束板發生平面外位移,反而促使板發生較大的面外變形,從而降低了板的剛度,板內應力開始加速增長直至試件破壞。
4 結 論
1)由于玻璃板在面內剪力作用下發生平面外變形,板內控制點的應力加速增長,使點式玻璃板抗剪承載性能嚴重下降達70%以上。
2)點式玻璃板在面內剪力作用下的應力分布情況為:對于浮頭式板,應力控制點出現在下孔邊;對于沉頭式板,應力控制點出現在外表面的下孔邊。
3)點式玻璃板受剪時的破壞由孔邊應力控制,大面中心及板邊中點的應力很小,不再是應力控制點。
4)在大的面內剪力作用下,緊固件將先于玻璃板發生破壞,因此在設計中應該驗算緊固件抗側向力的性能。
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