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专家解读中国建筑科学研究院黄小坤研究员为您解读夹层玻璃柱的轴压性能

发布于：2021-06-04 08:31:04 来自：建筑结构/混凝土结构 [复制转发]

专家解读

为进一步推广刊登在《建筑结构学报》的优秀科研成果，反映相关研究发展动态和趋势，推动学术交流，《建筑结构学报》微信公众平台开设“专家解读”专栏。在新刊中遴选部分研究方向具有前瞻性和引领性，研究成果具有创新性和实用性，研究方法具有可借鉴意义的优秀成果，由作者介绍研究背景，深入解读其创新成果及研究过程。 本期特邀 中国建筑科学研究院黄小坤研究员为您解读夹层玻璃柱的轴压性能。

研究背景

近年来，玻璃的力学性能逐渐受到重视，在国内外现代建筑中，使用玻璃材料构件直接承受荷载的结构陆续涌现，典型的包括美国苹果公司在全球的专卖店（玻璃作为梁、柱、墙板、楼板）、张家界的“云天渡”玻璃桥（玻璃作为桥面板）等 ^[1] 。

图1 纽约苹果旗舰店

图2 张家界玻璃桥

中国建筑科学研究院黄小坤研究员团队在“十三五”国家重点研发计划项目“城镇建筑结构运维安全保障关键技术”（2017YFC0806100）的资助下，以玻璃结构的构件、节点为主要研究对象，开展了一系列试验研究、数值模拟和理论推导，形成了较为系统的研究成果，提出了面向工程应用的设计方法。

典型玻璃结构的建筑体系构成如图3所示。夹层玻璃柱是玻璃结构中常见的承受轴压荷载的竖向构件。此类玻璃构件一般是由多片玻璃、中间层胶片黏接而成的组合结构构件，通常呈平板状，面外弯曲刚度较小，在轴压荷载作用下易发生面外弯曲屈曲；由于中间层材料的剪切模量远小于玻璃的剪切模量，构件面外受弯时，中间层的剪切变形使不同层玻璃之间产生相对滑移，使构件受力分析更加复杂。因此，在进行多层夹层玻璃柱设计时，应考虑中间层剪切变形与玻璃自身剪切变形的不一致性，准确计算构件的轴压屈曲荷载，并对承受轴压和二阶弯矩的构件进行强度校核。下面主要介绍多层夹层玻璃柱在轴压荷载下的受力性能试验和设计方法研究 ^[2-3] 。

图3 典型玻璃结构建筑体系的构成

试验研究

试验研究部分内容发表于文献[2]。试验共包括21个夹层玻璃柱试件，含12种夹层玻璃截面形式，玻璃材料均为平板玻璃（退火玻璃），中间层分别采用离子性中间层、PVB中间层，玻璃层数分别为2层、3层、4层，夹层玻璃总厚度分别为24、32、40 mm，试验在18℃~23℃的室温下进行。

试验中，夹层玻璃柱发生弯曲屈曲破坏，有较大面外变形，荷载-面外挠度曲线如图5所示，最终受拉侧玻璃开裂。

图4 典型破坏状态

图5 荷载-面外挠度曲线

通过不同截面形式夹层玻璃柱的试验结果对比，可揭示玻璃层数、中间层类型对夹层玻璃柱轴压承载力的影响。对于总厚度相同的夹层玻璃，当采用离子性中间层时，极限荷载随玻璃层数增大而增大；当采用PVB中间层时，极限荷载随玻璃层数增大而减小。对于玻璃层数和总厚度均相同的夹层玻璃，采用离子性中间层的试件极限荷载更高，体现了玻璃之间通过中间层形成组合作用的不同。因此，对轴压荷载下的夹层玻璃柱进行设计时，应考虑中间层剪切变形引起的玻璃之间的部分组合作用。

图6 玻璃层数对轴压承载力的影响

图7 中间层类型对轴压承载力的影响

理论模型

采用部分剪力连接组合梁模型建立多层夹层玻璃柱在轴压荷载作用下的分析模型。基本假设为：

1）玻璃、中间层均视作线弹性材料。

2）各玻璃层面外弯曲的挠度相同。

3）忽略中间层材料本身在截面弯矩、轴力、剪力中的贡献，仅考虑其剪切变形引起的玻璃层间滑移及相应的界面剪力。

4）玻璃层间界面剪力与中间层滑移量（剪切变形）成正比。

5）各层玻璃等厚度。

图8 多层夹层玻璃柱受力分析模型

通过平衡方程、变形协调、玻璃及中间层的本构关系，可列出夹层玻璃柱面外挠度 w 和轴向压缩位移 u 的控制方程组：

该方程组可继续简化为只包含面外挠度 w 的形式：

其中：

由该方程通过里兹法可解出，轴压荷载作用下夹层玻璃柱面外挠度与轴压荷载的关系，从而可求出夹层玻璃柱的屈曲临界荷载：

其中， I _eff 是夹层玻璃柱的等效面外弯曲惯性矩，

夹层玻璃柱在轴力和二阶面外弯矩作用下的极限荷载，可由受拉侧玻璃达到其抗拉强度的强度校核准则计算得到：

其中， W _eff 是夹层玻璃柱的等效面外弯曲截面模量，

建立了672个夹层玻璃柱数值模型，通过特征值屈曲分析和考虑大变形的静力分析，对所提出的屈曲临界荷载、极限荷载计算式进行验证，模型如图 9所示，验证结果如图 10所示。可见，所提出的屈曲临界荷载、极限荷载计算式精度高。

图9 数值模型单元类型和约束

图 10 屈曲临界荷载和极限荷载计算式验证

设计方法

参考钢结构设计方法，引入与构件长细比λ相关的稳定系数 φ ，对多层夹层玻璃柱的全截面承载力进行折减。构件的轴压力设计值 N _d 应满足：

其中， f _t,d 为玻璃大面强度设计值。

根据考虑二阶效应的受拉侧玻璃强度校核准则，可推导出 φ - λ 关系为

其中：

根据不同类型玻璃的初始缺陷、受拉强度及构件的持荷时间，标定出曲线参数 α _imp 和 λ ₀ ，列于表 1。

表1 参数 α _imp 和 λ ₀ 取值

收集了本研究团队和国内外相关研究中报道的夹层玻璃柱轴压试验数据共52个，对所提出的设计曲线进行验证。结果表明，所标定的 φ - λ 设计曲线可准确预测多层夹层玻璃柱的极限荷载随等效长细比的折减关系；试验 φ - λ 数据点均位于所标定的 φ - λ 设计曲线上方，该 φ - λ 设计曲线偏于安全。

图 11 有限元、试验结果与设计曲线的对比

结语

本文中介绍了黄小坤研究员团队在玻璃结构方面进行的基础研究的部分进展和研究成果，主要包括：

1）得到了夹层玻璃柱在轴压荷载下的受力性能和破坏特点。

2）建立了多层夹层玻璃柱在轴压荷载作用下的受力分析模型。

3）标定了用于设计的 φ - λ 曲线，验证了该设计曲线的准确性和安全性，对夹层玻璃柱设计的工程实践有重要指导意义。

同时，本团队将针对玻璃结构的受力机理、设计方法和性能提升措施继续进行深入研究，玻璃柱方面正在进行以下研究，相关研究成果将陆续发表：

1）玻璃幕墙面板和结构胶的约束作用对夹层玻璃柱受力性能的影响。

2）夹层玻璃柱在轴压荷载和侧向荷载共同作用下压弯受力性能。

3）通过组合截面、增设加劲肋等方式提高夹层玻璃柱承载力，实现玻璃柱延性化破坏。

参考文献

[1] 黄小坤，段树坤，刘强，等. 玻璃结构研究进展与工程实践[J]. 建筑结构学报，2020，41(6)：1-20.

[2] LIU Qiang，HUANG Xiaokun，LIU Gang，et al. Investigation on flexural buckling of laminated glass columns under axial compression[J]. Engineering Structures，2017，133：14-23.

[3] 黄小坤，崔明哲，刘强，等. 多层夹层玻璃柱轴压设计方法研究[J]. 建筑结构学报，2021,42(8)：177-186.

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