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建筑幕墻用鋼化玻璃和真空玻璃安全可靠性的評價技術(shù)

文檔作者：包亦望萬德田劉小根邱巖田莉文檔來源：中國建筑材料科學(xué)研究總院		點(diǎn) 擊數(shù)：	更新時間： 2021年01月21日
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Architectural＆ Functional Glass № 8 2009
建筑幕墻用鋼化玻璃和真空玻璃
安全可靠性的評價技術(shù)
中國建筑材料科學(xué)研究總院 包亦望萬德田劉小根邱巖田莉
摘 要：對建筑幕墻用鋼化玻璃發(fā)生突發(fā)性自爆和松動脫落導(dǎo)致城市鬧區(qū)災(zāi)難事故的安全隱患和真
空玻璃應(yīng)用中的強(qiáng)度問題及邊緣易損傷而導(dǎo)致失效等瓶頸問題進(jìn)行了分析，開發(fā)出光彈掃描法和動
態(tài)法等一系列評價既有鋼化玻璃幕墻安全可靠性的技術(shù)及相應(yīng)的設(shè)備，提出鋼化和半鋼化真空玻璃
的高可靠性設(shè)計思想和產(chǎn)業(yè)化制備技術(shù)。本文綜述了項(xiàng)目組近幾年在玻璃評價技術(shù)方面所取得的部
分成果，期望以最大限度地降低鋼化玻璃幕墻的安全隱患，提高玻璃應(yīng)用的安全可靠性，保障城市公
共安全，同時促進(jìn)我國城市建設(shè)用的玻璃更加節(jié)能、環(huán)保和舒適。
關(guān)鍵詞：鋼化玻璃真空玻璃自爆風(fēng)險光彈掃描法動態(tài)法
1 引言
在許多現(xiàn)代建筑物中，建筑物外表面大部分由玻
璃組成，構(gòu)成玻璃幕墻。上世紀(jì)80年代以來，我國各
大城市相繼建造了大量的玻璃幕墻建筑。一幢大的玻
璃幕墻大樓一般會使用幾千到數(shù)萬塊玻璃。玻璃是一
種典型的脆性材料，具有抗壓強(qiáng)度高，抗拉強(qiáng)度低的
特點(diǎn)。在大多數(shù)情況下，由于鋼化玻璃的強(qiáng)度是普通
平板玻璃的數(shù)倍，并且破碎時呈現(xiàn)許多小的圓鈍角玻
璃碎塊，出于安全和強(qiáng)度方面的考慮，現(xiàn)代的玻璃幕
墻大都采用鋼化玻璃【1-蜘。對于大面積使用鋼化玻璃的
玻璃幕墻來說，這些玻璃幕墻大多處在繁華地區(qū)或人
口密集區(qū)域，每一塊有風(fēng)險的幕墻玻璃就像人們頭頂
上的利劍和炸彈，都隨時有可能造成嚴(yán)重的問題。近
幾年，玻璃幕墻自爆和破裂事故頻繁發(fā)生，玻璃幕墻
的破碎對人民生命財產(chǎn)安全造成重大傷害并因此產(chǎn)
生了具大的損失。我國既有玻璃幕墻存量巨大，其安
全可靠性直接影響著人民的生命和財產(chǎn)安全，解決既
有玻璃幕墻安全可靠性評價和現(xiàn)場檢測技術(shù)難點(diǎn)將
是一件十分有必要的事情。我國各級政府、行業(yè)組織
和社會團(tuán)體都極為重視既有玻璃幕墻安全性問題，但
苦于沒有有效的檢測方法和手段，不能對既有幕墻玻
璃面板存在的隱患進(jìn)行排除，只能事故發(fā)生后根據(jù)經(jīng)
驗(yàn)做出評斷。所以，對既有玻璃幕墻的安全性問題上
一】2一
也只是停留在關(guān)注的階段。
近幾十年來，舒適、環(huán)保與節(jié)能逐漸成為新世紀(jì)
國際建筑的原則，建筑節(jié)能成為世界性潮流，綠色建
筑概念大行其道。我國首部公共建筑的節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)《公
共建筑節(jié)能標(biāo)準(zhǔn)》的實(shí)施，引起了業(yè)內(nèi)人士的普遍關(guān)
注。建筑節(jié)能新標(biāo)準(zhǔn)，對節(jié)能玻璃的應(yīng)用提出了明確
要求。作為新一代節(jié)能玻璃，由于真空玻璃的隔熱保
溫性能與市場上現(xiàn)有玻璃相比具有明顯優(yōu)勢，因此其
在節(jié)能幕墻上的應(yīng)用倍受青睞。目前已經(jīng)有北京天恒
大廈、清華大學(xué)超低能耗示范樓、樂瀾寶邸俱樂部等
十多個建成項(xiàng)目使用真空玻璃幕墻或門窗。雖然真空
玻璃有著優(yōu)良的節(jié)能性能，但是，目前真空玻璃并沒
能真正產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用，除了受到生產(chǎn)技術(shù)與工藝使真空
玻璃價格過高的原因外，還主要存在以下兩個方面問
題 ol：(1)真空玻璃的安全性問題。目前生產(chǎn)真空玻
璃使用的玻璃原片是普通平板玻璃，受生產(chǎn)技術(shù)和條
件的限制，還不能生產(chǎn)出鋼化真空玻璃。但按我國規(guī)
定，使用在幕墻上的玻璃必須選用安全玻璃。另一方
面，受大氣壓力作用的影響，真空玻璃會在支撐柱支
撐部位玻璃外表面產(chǎn)生持久張應(yīng)力，另外，支撐柱也
受到巨大的壓應(yīng)力作用。玻璃在持久張應(yīng)力作用下，
會影響真空玻璃的安全可靠性，降低真空玻璃的使用
壽命。因此，發(fā)展高強(qiáng)度安全真空玻璃，替代目前的普
建筑玻璃與工業(yè)玻璃2009，Na8
通平板真空玻璃，是促使真空玻璃產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的必經(jīng)
途徑。(2)真空玻璃耐久性問題。目前，生產(chǎn)真空玻璃
并沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)，真空玻璃的生產(chǎn)質(zhì)量直接影響到
真空玻璃的耐久性使用。另一方面，真空玻璃長期受
外界環(huán)境與荷載作用，其真空度的持續(xù)長時間保有量
也受人們關(guān)注，一旦真空玻璃真空層失去真空度，那
么真空玻璃將完全失去其隔熱性能。為解決目前生產(chǎn)
的真空玻璃“不安全現(xiàn)狀”，使真空玻璃能夠廣泛應(yīng)用
于幕墻上，需開發(fā)新型安全真空玻璃，要對不同厚度
和尺寸的真空玻璃進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，達(dá)到熱工和力學(xué)兩
方面的最佳效果。同時為了保證可靠性和耐久性，可
以采用邊緣處理和預(yù)應(yīng)力處理，以提高玻璃強(qiáng)度和安
全性。這些工作直接關(guān)系到我國建筑節(jié)能和新型建材
的發(fā)展。如果新型真空玻璃能夠成功制備并進(jìn)人工程
應(yīng)用，將推動整個建筑玻璃和綠色建筑以及環(huán)境保護(hù)
等領(lǐng)域的一場大變革。同時使我國在節(jié)能環(huán)保建筑材
料的研發(fā)方面躋身世界先進(jìn)行列，其社會效益和經(jīng)濟(jì)
效益將非常巨大。
文中主要針對建筑幕墻用鋼化玻璃存在的安全
隱患和真空玻璃應(yīng)用中的強(qiáng)度問題及邊緣易損傷而
導(dǎo)致失效等瓶頸問題進(jìn)行分析，綜述了鋼化玻璃和真
空玻璃在使用過程中安全可靠性的檢測技術(shù)。開發(fā)出
了相應(yīng)的檢測技術(shù)和設(shè)備，以最大限度地降低玻璃幕
墻的安全隱患，保障城市公共安全，同時推進(jìn)我國城
市建設(shè)用的玻璃更加節(jié)能、舒適和安全。
2 鋼化玻璃自爆源、自爆機(jī)理及其檢測技術(shù)
根據(jù)鋼化玻璃產(chǎn)生壓應(yīng)力的邊界條件，利用有限
元軟件計算得出了其應(yīng)力分布的定量關(guān)系式 ”。
仃=一(1．4~-0．4)× (1)
其中De為表層壓應(yīng)力(拉應(yīng)力為正，壓應(yīng)力為
負(fù))，可通過表面應(yīng)力儀測量；~=x／1，X為樣品中間位
置到表面的距離，，為樣品厚度的一半。
工程上應(yīng)用的鋼化玻璃難免會含有部分微小缺
陷，如果這些缺陷位于鋼化玻璃拉應(yīng)力層中，容易產(chǎn)
生應(yīng)力集中。一旦應(yīng)力累積超過了玻璃的本征強(qiáng)度，
則會產(chǎn)生鋼化玻璃自爆現(xiàn)象，俗稱“玻璃癌癥”[11-12]。其
共同特征是破壞源處都有一對蝴蝶形狀的碎片(蝴蝶
斑)，蝴蝶斑中間的界面上通常為破壞源發(fā)生點(diǎn)并能
找出引起破壞的雜質(zhì)顆粒。通過對玻璃自爆殘片的掃
描電鏡觀察和成分分析，我們發(fā)現(xiàn)引起鋼化玻璃自爆
的來源不僅僅是傳統(tǒng)認(rèn)識中的硫化鎳微粒，還有許多
其它異質(zhì)相顆粒，如：單質(zhì)硅、氧化鋁和偏硅鋁酸鈉等
[11-21]
。鋼化玻璃中的裂紋萌發(fā)和擴(kuò)展主要是由于在異
質(zhì)相顆粒附近處的徑向殘余拉應(yīng)力所導(dǎo)致的。導(dǎo)致這
種殘余拉應(yīng)力的原因可以分為兩類：一類是在相變膨
脹過程中所產(chǎn)生的應(yīng)力，如NiS；另一類是由于異質(zhì)
顆粒與玻璃基體的熱膨脹系數(shù)不匹配而產(chǎn)生的應(yīng)力，
如單質(zhì)si顆粒。異質(zhì)相顆粒尺寸越大，造成應(yīng)力集中
現(xiàn)象越明顯，產(chǎn)生自爆的風(fēng)險越大。當(dāng)顆粒尺寸足夠
小時，產(chǎn)生的自爆風(fēng)險很小。由此可知，在鋼化玻璃中
有可能會存在一個臨界顆粒尺寸。
根據(jù)均強(qiáng)度準(zhǔn)則，對于處在非均勻應(yīng)力場下的脆
性材料來說，裂紋萌生的臨界狀態(tài)取決于特定小區(qū)域
(擴(kuò)展區(qū)域)的平均應(yīng)力，而不是該面區(qū)域或體區(qū)域中
某點(diǎn)的最大應(yīng)力 。當(dāng)擴(kuò)展區(qū)域的平均應(yīng)力達(dá)到臨界
值盯。，脆性材料將在該區(qū)域斷裂。該區(qū)域的寬度8為
材料常數(shù)，取決于材料性能但與樣品尺寸和形狀無
關(guān)。定義仃。為材料的拉伸強(qiáng)度，確定8值可通過將平
均應(yīng)力代入裂紋尖端的應(yīng)力場，此時K。=K ，
8： 1Tf＼ ) (1) h ／ 、
其中ar6為斷裂強(qiáng)度，可用彎曲強(qiáng)度表示。考慮到
裂紋是由膨脹粒子周圍的切向拉伸應(yīng)力導(dǎo)致的，顆粒
附近裂紋萌生的情況可以通過下式給出，
， +8
l 盯1dr=8·盯。
僅
假定8=0．02mm， d在不同殘余強(qiáng)度 下的
關(guān)系如圖l所示。對局部裂紋的臨界壓力隨顆粒尺寸
的增加或殘余強(qiáng)度的下降而下降。由于壓力與溫差
△T成正比，溫度差受相變溫度與蠕變溫度的限制，大
約為500~600~C，壓力通常約為80-150 MPa，因此在
鋼化玻璃中能引起破壞的顆粒半徑通常為(0．1—0．25)
mm。對于普通玻璃，由于在中間區(qū)域有更高的殘余強(qiáng)
度，該顆粒尺寸不會引起玻璃破壞。從圖1中可以看
a(nun)
圖1 假設(shè)8=0．02ram ，在臨界條件的由顆粒膨脹
引起的壓力計算值與顆粒半徑的關(guān)系
一l3一
Architectural ＆ Functional Glass № 8 2009
出，當(dāng)顆粒的半徑小于0．1 mm，所需膨脹壓力隨顆粒
尺寸的減小而急劇上升。所以，當(dāng)顆粒直徑小于0．2
mm時，鋼化玻璃的自爆風(fēng)險很小。事實(shí)上，在我們收
集到的玻璃自爆的殘片中， 自爆源顆粒直徑均大于
0．2 mm。
在玻璃表面或內(nèi)部的缺陷都會對玻璃的強(qiáng)度造
成很重要的影響，如果存在雜質(zhì)或缺陷的門窗幕墻用
鋼化玻璃在現(xiàn)場能夠鑒別出來，則在其破碎之前就能
更換掉它們，從而避免了事故的發(fā)生。將鋼化玻璃放
置在兩片十字交叉的偏振片之間，就可以觀察到玻璃
中的應(yīng)力條紋。在玻璃工業(yè)中，應(yīng)用十字交叉的偏振
光來研究玻璃中應(yīng)力分布的技術(shù)，是人們所熟知的
。常見的檢測方法是將十字交叉式偏振光彈儀固
定，移動鋼化玻璃樣品進(jìn)行檢測。當(dāng)前用于光學(xué)檢測
玻璃缺陷的設(shè)備大多是進(jìn)口的，設(shè)備價格極其昂貴，
如美國圖像設(shè)備公司開發(fā)的新型平板玻璃自動檢測
系統(tǒng)FastScan Reflect和德國INNOMESS公司的玻璃
缺陷檢測系統(tǒng)FloatScan—Catchers&amp;amp;Optics。它們一般
需要額外的光源，能夠檢測的玻璃樣品尺寸比較小，
十字交叉的偏振光彈儀不能移動而需移動玻璃樣品，
一般只適用于玻璃在出廠前的檢測，不適合在線檢測
大型的既有門窗玻璃幕墻。
通過光彈原理，利用自然光和暗箱檢偏器設(shè)計，
形成無能耗的光強(qiáng)差，獲取幕墻玻璃的應(yīng)力條紋圖
像，然后對應(yīng)力條紋進(jìn)行圖像處理和分析，找出應(yīng)力
條紋中的奇異或突變點(diǎn)，包括應(yīng)力集中點(diǎn)，對這些區(qū)
域進(jìn)一步放大分析，必要時可利用掃描電鏡和X一射
線等分析工具，確定雜質(zhì)或缺陷的類型、尺寸以及位
置 。據(jù)此可以根據(jù)應(yīng)力水平對玻璃幕墻自爆的風(fēng)險
9
8
1一有機(jī)玻璃平板，2一起偏片。3一幕墻玻璃．4一計算機(jī)。5一數(shù)據(jù)傳
輸線，6一數(shù)碼攝像機(jī)或照相機(jī)，7一暗箱盒，8一檢偏片，9一掛鉤
圖2 檢測鋼化玻璃幕墻的雜質(zhì)和缺陷的裝置示意圖
— — 14—．
進(jìn)行評價，用以預(yù)測玻璃幕墻的自爆隱患。該實(shí)驗(yàn)裝
置包括透射式光彈儀系統(tǒng)用于掃描和采集圖像、圖像
傳輸系統(tǒng)以及應(yīng)力分析系統(tǒng)，通過該裝置可以在線檢
測玻璃幕墻的雜質(zhì)和缺陷類型、位置和尺寸。本方法
解決了服役中幕墻用鋼化玻璃內(nèi)應(yīng)力檢測和自爆隱
患評價的難題，對保障服役玻璃幕墻的安全有重要意
義，有廣泛的應(yīng)用前景。檢測玻璃幕墻自爆隱患的方
法及裝置示意圖如圖2所示。圖3是應(yīng)用該裝置現(xiàn)場
檢測某玻璃幕墻中含結(jié)石和孔洞的照片。這項(xiàng)技術(shù)目
前還需要進(jìn)行更深入的研究，期望能達(dá)到檢測不同類
型的玻璃缺陷和提高檢測的精度。
(a) (b)
圖3 通過光彈儀觀測到玻璃幕墻中含結(jié)石
(a)和孔洞(b)的照片
3 聲發(fā)射球壓法無損實(shí)時跟蹤檢測玻璃強(qiáng)度水平
本技術(shù)解決了下面兩個問題 】：(1)對正在工程服
役的玻璃構(gòu)件檢測和跟蹤它的強(qiáng)度變化規(guī)律；(2)對鋼
化玻璃產(chǎn)品的質(zhì)量和強(qiáng)度水平進(jìn)行非破壞性檢驗(yàn)(一
種性能測試，不是無損探傷)。其基本原理是將一個已
知直徑和彈性模量的硬質(zhì)小球和聲發(fā)射探頭組成的
壓頭壓在玻璃表面，隨著壓力增加達(dá)到一個臨界值
時，在材料表面受壓點(diǎn)附近會產(chǎn)生一個環(huán)形微裂紋，
利用聲發(fā)射探頭可監(jiān)測微裂紋發(fā)生時的臨界載荷。通
過局部接觸應(yīng)力與壓力和壓球幾何物理參數(shù)的關(guān)系，
建立了一種球壓法測試脆性材料的表面局部強(qiáng)度的
計算式。
盯 = ．1373 0-2862 _0236]·( )”·}·( )
(3)
式中僅 為環(huán)形裂紋半徑，E為壓頭的彈性模量，
為臨界載荷，，為球壓頭的半徑，k是與材料有關(guān)
的常數(shù)。采用直徑為5 mm 碳化鎢(WC)球(E=600
GPa，泊松比為0．25)，玻璃的彈性模量為72 GPa，泊松
比為0．22，則上述公式可以簡化為：
建筑玻璃與工業(yè)玻璃2009，Na8
(rl =8．21Po +3．014P~2：3—0．0437Pc (4)
局部強(qiáng)度通常比宏觀破壞強(qiáng)度高，因?yàn)樗皇苓?
緣和內(nèi)部缺陷的影響。準(zhǔn)確確定產(chǎn)生裂紋時的臨界載
荷只是普通球壓實(shí)驗(yàn)的難點(diǎn)，我們研制了含有聲發(fā)
射探頭的球壓壓頭，利用聲發(fā)射信號捕捉裂紋起始時
刻的臨界載荷。通過在不同位置測到的臨界載荷計算
出各點(diǎn)的局部強(qiáng)度，可判斷玻璃整體的表面應(yīng)力均勻
性，形成一種玻璃強(qiáng)度水平的非破壞性試驗(yàn)方法。其
特點(diǎn)是在被測物體上可以測得多個數(shù)據(jù)，不受標(biāo)準(zhǔn)形
狀和尺寸的約束，不破壞構(gòu)件的整體性，可跟蹤脆性
構(gòu)件在不同服役時間后的表面殘余強(qiáng)度。
通常，鋼化玻璃的強(qiáng)度是由它的表面應(yīng)力來評價
的。對于鋼化玻璃產(chǎn)品的質(zhì)量檢驗(yàn)，要求表面鋼化應(yīng)
力達(dá)到某一水平，即強(qiáng)度要求大于某一特定值，根據(jù)
這一應(yīng)力水平計算出對應(yīng)的球壓載荷作為預(yù)設(shè)壓力。
為了簡化實(shí)驗(yàn)操作，我們研制的實(shí)驗(yàn)裝置帶有預(yù)設(shè)壓
力報警和聲發(fā)射信號報警，在檢測鋼化玻璃的應(yīng)力水
平時，當(dāng)球壓載荷達(dá)到預(yù)設(shè)壓力過程中沒有聲發(fā)射信
號(微裂紋發(fā)生)，產(chǎn)品合格，如果低于預(yù)設(shè)壓力發(fā)生
了聲發(fā)射信號，則玻璃強(qiáng)度未達(dá)到預(yù)計水平。利用聲
發(fā)射信號對應(yīng)的載荷可計算出玻璃局部強(qiáng)度。因此，
可以非常簡單地在不破壞樣品的前提條件下檢查每
一塊樣品的鋼化水平，避免了常規(guī)強(qiáng)度抽檢方法的弊
端。抽到的樣品全部被破壞掉了(有時候一塊樣品都
上萬元)，沒抽到的樣品中還含有部分不合格的，但具
體是哪些仍不知道。
廄 ‘_
(a) (b) (C)
圖4 (a)吸盤式在線球壓實(shí)驗(yàn)儀結(jié)構(gòu)示意圖；(b)玻璃現(xiàn)場檢
測示意圖；(C)玻璃或陶瓷的性能檢測和鋼化玻璃應(yīng)力水平檢
驗(yàn)示意圖
采用聲發(fā)射監(jiān)控球壓法進(jìn)行殘余強(qiáng)度跟蹤和非
破壞性強(qiáng)度水平檢驗(yàn)解決了在玻璃或陶瓷產(chǎn)品質(zhì)量
檢測和工程應(yīng)用中一直無法解決的難題。此外，聲發(fā)
射監(jiān)控球壓法還可以應(yīng)用于建筑幕墻玻璃等構(gòu)件的
在線性能測試和強(qiáng)度退化跟蹤。例如，針對同一塊玻
璃樣品用球壓實(shí)驗(yàn)，我們證明了離子交換增強(qiáng)玻璃的
強(qiáng)度隨時間衰減很快，然后趨于穩(wěn)定。對服役構(gòu)件加
載到預(yù)設(shè)壓力水平，對一些還沒到預(yù)設(shè)載荷值就發(fā)生
聲發(fā)射信號的構(gòu)件，說明強(qiáng)度已經(jīng)下降，應(yīng)引起注意，
或者干脆換掉，以免發(fā)生突發(fā)性破壞事故。這對解決
我國目前建筑玻璃安全使用的無損在線檢測和風(fēng)險
預(yù)測具有重要實(shí)用意義。圖4是一種吸盤式在線球壓
實(shí)驗(yàn)儀的結(jié)構(gòu)和現(xiàn)場檢測示意圖以及產(chǎn)品強(qiáng)度水平
檢驗(yàn)示意。其特點(diǎn)是非破壞性強(qiáng)度驗(yàn)證，節(jié)約樣品，節(jié)
約時間和經(jīng)費(fèi)，效率高，可實(shí)時在線檢測。
4動態(tài)法檢測預(yù)測玻璃幕墻墜落的技術(shù)
通過振動測試獲得幕墻玻璃的動態(tài)特性參數(shù)來
評價玻璃幕墻的安全可靠性能是一種全新的思維方
法。當(dāng)幕墻玻璃本身結(jié)構(gòu)及性態(tài)不發(fā)生改變時，隨著
使用年限的增加，幕墻的支撐體系及粘結(jié)體系會發(fā)生
松動、損傷或老化，可實(shí)際表現(xiàn)出幕墻玻璃的支撐邊
界條件發(fā)生松動變化，從而使玻璃幕墻抗外力作用能
力降低，增大了幕墻玻璃脫落風(fēng)險概率，影響幕墻玻
璃的使用安全可靠性能。另一方面，幕墻玻璃支撐體
系的松動損傷又會表現(xiàn)出玻璃的動態(tài)特性與未損傷
前發(fā)生明顯改變。因此，只要建立起幕墻玻璃的動態(tài)
特性參數(shù)與其邊界支撐松動損傷關(guān)系(比如支撐松動
程度與幕墻玻璃固有頻率的變化關(guān)系，幕墻結(jié)構(gòu)膠的
脫膠及老化對幕墻玻璃模態(tài)振型和頻率的影響)及其
評價標(biāo)準(zhǔn)，就可以通過測量幕墻玻璃動態(tài)特性參數(shù)的
變化，來識別既有玻璃幕墻支撐結(jié)構(gòu)松動及結(jié)構(gòu)膠損
傷與老化，為既有玻璃幕墻的維護(hù)、安全評價提供檢
測判斷依據(jù)。
Boundm,Cmdlims
圖5 不同松緊程度下玻璃固有頻率變化關(guān)系
一l5一
Architectural＆ Functional Glass No8 2009
圖5是通過一個簡單的試驗(yàn)獲得一塊玻璃在不
同邊界松緊狀態(tài)下的固有頻率變化圖，其中玻璃尺寸
為300mmx3OOmmx4mm，邊界松緊采用調(diào)節(jié)螺栓的緊
固力大小來實(shí)現(xiàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，隨著螺栓緊固力越
小，玻璃對應(yīng)的固有頻率也越小，玻璃的固有頻率處
于理論計算的四邊簡支和四邊固支對應(yīng)的固有頻率
之間。
上面試驗(yàn)結(jié)果啟發(fā)了我們可以通過測量玻璃的
固有頻率來識別該塊玻璃的四邊支撐松緊狀況。顯
然，當(dāng)玻璃邊界支撐越松，則其固有頻率越低。往往新
建的玻璃幕墻由于其支撐結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)破損或老化，
幕墻玻璃板支撐緊固，其對應(yīng)的固有頻率較大。隨著
玻璃幕墻使用年限的增加，幕墻玻璃板邊界支撐也發(fā)
生松動，其固有頻率也將不斷下降。當(dāng)幕墻玻璃板支
撐邊界松動到一定范圍而不足以阻擋外力作用但仍
能保證其安全使用時，此時玻璃對應(yīng)的頻率為該塊玻
璃的危險頻率。
顯然，采用測量固有頻率方法來判斷玻璃幕墻的
松動損傷程度及其安全等級，準(zhǔn)確確定玻璃的危險頻
率是最關(guān)鍵的問題，上面試驗(yàn)表明(經(jīng)過大量試驗(yàn)證
明)，四邊支撐幕墻玻璃板固有頻率處于四邊簡支和
四邊固支對應(yīng)的固有頻率之間，也就是說，支撐越緊
固，幕墻玻璃板的極限頻率越接近于其在四邊固支對
應(yīng)下的固有頻率。相反，支撐越松動，其對應(yīng)的固有頻
率越接近于簡支狀態(tài)下對應(yīng)的固有頻率。因此，可以
把幕墻玻璃在四邊固支和簡支對應(yīng)下的固有頻率作
為評價玻璃幕墻松動程度的頻率上下限值。而只要幕
墻玻璃板的形狀尺寸結(jié)構(gòu)確定下來了，則其在固支和
簡支下對應(yīng)的固有頻率可以通過理論計算出來。最
后，根據(jù)幕墻玻璃的實(shí)測頻率在該塊玻璃松動頻率上
下限區(qū)間的分布范圍，對玻璃幕墻進(jìn)行安全等級劃分
。 ．
5 幕墻玻璃抗風(fēng)壓能力和殘余強(qiáng)度評價技術(shù)
玻璃幕墻在服役過程中，外玻璃幕墻經(jīng)常會受到
風(fēng)壓載荷的作用。模擬玻璃抗風(fēng)壓的能力和在均布荷
載下的損傷實(shí)驗(yàn)對于保障玻璃幕墻的安全使用有著
重要的意義。圖6為模擬玻璃幕墻抗風(fēng)壓性能的實(shí)驗(yàn)
裝置以及在不同風(fēng)壓載荷作用下的撓度。在玻璃表面
的正中心位置預(yù)制一個缺陷，觀察在施加一個風(fēng)壓載
荷作用下的玻璃表面的損傷變化，如圖7所示。該裝
置還可以用作評價幕墻玻璃抗風(fēng)壓殘余強(qiáng)度，利用空
壓機(jī)向空腔中進(jìn)行充氣，造成幕墻玻璃失效所對應(yīng)的
風(fēng)壓值即為玻璃抗風(fēng)壓殘余強(qiáng)度。
一16一
圖6 模擬玻璃幕墻抗風(fēng)壓性能的實(shí)驗(yàn)裝置
和在不同風(fēng)壓載荷作用下的撓度
國
圖7 玻璃表面中心位置在風(fēng)壓載荷作用下的損傷變化
幕墻玻璃在風(fēng)荷載作用下產(chǎn)生的最大應(yīng)力與撓
度是評價其抗風(fēng)壓能力的主要指標(biāo)。建立玻璃在相同
荷載情況下其不同邊界松動(用玻璃固有頻率來描
述)與其抗風(fēng)壓能力(用玻璃產(chǎn)生的最大應(yīng)力和撓度
來描述)之間的關(guān)系，從而根據(jù)對應(yīng)的關(guān)系，通過現(xiàn)場
測量玻璃的固有頻率來描述其剩余抗風(fēng)壓能力，評價
玻璃幕墻的可靠性能。試驗(yàn)選擇一塊鋼化玻璃置于圖
7的裝置上，玻璃尺寸為300mrn~3OOmmx4mm，在玻
璃中心表面貼上應(yīng)變片與測量其應(yīng)變，同時用激光位
移傳感器測量其撓度。采用真空泵將金屬空腔內(nèi)的空
氣抽出一部分，以模擬玻璃受均布荷載。通過調(diào)節(jié)金
屬邊框螺栓松緊以改變玻璃的固有頻率，并測量在對
應(yīng)固有頻率下玻璃中心的撓度和應(yīng)力，結(jié)果如圖8所
示

Architectural ＆ Functional Glass № 8 2009
圖l1是通過試驗(yàn)觀測到不同真空度下同一真空
玻璃對應(yīng)的應(yīng)力光斑圖128]。由圖可以看出，不同真空
度下，觀測到的應(yīng)力光斑從分布狀態(tài)、尺寸大小和光
斑亮度都不同。真空度損失越大，則應(yīng)力光斑越小、越
暗，有的地方還看不到光斑。真空度完全失去時，應(yīng)力
光斑完全消失。因此，通過光斑的分布及形貌，并通過
與相同條件下完好無損的真空玻璃的光斑進(jìn)行比較，
就可以知道哪塊真空玻璃的真空度是否出現(xiàn)衰變及
衰變程度，特別是對那些真空度衰變嚴(yán)重甚至完全失
去的真空玻璃，更能一眼識別出來，從而對其進(jìn)行維
修或更換。
7 結(jié)論
針對建筑幕墻用鋼化玻璃發(fā)生突發(fā)性自爆和松
動脫落導(dǎo)致城市鬧區(qū)災(zāi)難事故的安全隱患和真空玻
璃應(yīng)用中的強(qiáng)度問題及邊緣易損傷而導(dǎo)致失效等瓶
頸問題進(jìn)行了分析，進(jìn)行了相關(guān)的理論基礎(chǔ)研究，開
發(fā)出一系列評價技術(shù)方法和相關(guān)的設(shè)備。主要結(jié)論如
下：
(1)分析得到了鋼化玻璃中應(yīng)力分布的定量關(guān)
系式，發(fā)現(xiàn)了除NiS之外的其它異質(zhì)相顆粒的自爆
源，開發(fā)出光彈掃描法檢測玻璃中缺陷。
(2)建立動態(tài)法測量幕墻玻璃板的振動固有頻
率及模態(tài)振型的變化，識別玻璃幕墻的損傷位置并確
定發(fā)生松動脫落的風(fēng)險概率。
(3)提出玻璃幕墻抗風(fēng)壓能力和殘余強(qiáng)度評價
技術(shù)及裝置，能定量評價玻璃幕墻抗風(fēng)壓能力。
(4)提出了鋼化和半鋼化真空玻璃的高可靠性
設(shè)計思路和產(chǎn)業(yè)化制備技術(shù)，期望能解決真空玻璃的
強(qiáng)度問題和邊緣易損傷而導(dǎo)致失效等瓶頸問題。
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(下轉(zhuǎn)第5頁)
建筑玻璃與工業(yè)玻璃2009，№8
前尚有7000余萬重量箱平板玻璃落后產(chǎn)能。質(zhì)量差、
能耗高、污染重。針對目前供大于求的市場環(huán)境，應(yīng)按
照國家政策規(guī)定的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)盡快予以淘汰。
3．4 促進(jìn)行業(yè)重組聯(lián)合，發(fā)展大集團(tuán)
一方面堅持市場基礎(chǔ)配置原則，通過優(yōu)勝劣汰和
重新“洗牌”，重組平板玻璃行業(yè)。有實(shí)力的大企業(yè)發(fā)
揮主導(dǎo)作用，進(jìn)一步做大做強(qiáng)；另方面政府和行業(yè)協(xié)
會通過政策、金融、協(xié)調(diào)等方式，給予強(qiáng)有力支持。盡
快確定平板玻璃行業(yè)國家重點(diǎn)支持的“大集團(tuán)”名單。
并在項(xiàng)目核準(zhǔn)、土地審批、貸款投放等方面給予優(yōu)惠
政策和重點(diǎn)保證。同時支持有實(shí)力的大企業(yè)(集團(tuán))走
出國門，開展工程總承包和直接投資辦廠，由產(chǎn)品輸
出向資本、裝備、技術(shù)、管理和服務(wù)等配套輸出的國際
化經(jīng)營發(fā)展。
3．5 加大技改力度，促進(jìn)節(jié)能減排和結(jié)構(gòu)調(diào)整，堅持
科學(xué)發(fā)展
建議在今年技術(shù)改造專項(xiàng)中適當(dāng)安排一部分平
板玻璃技術(shù)改造項(xiàng)目，鼓勵企業(yè)自主創(chuàng)新，提高生產(chǎn)
工藝和技術(shù)裝備水平，生產(chǎn)市場需求的短缺產(chǎn)品。鼓
勵有條件的玻璃生產(chǎn)線實(shí)施余熱發(fā)電、富氧及全氧燃
燒等節(jié)能減排新技術(shù)。新上項(xiàng)目不能單看眼前的經(jīng)濟(jì)
效益，而應(yīng)兼顧社會效益、能源保障和環(huán)境可持續(xù)性
三個方面。要在三者間尋求平衡，堅持科學(xué)發(fā)展。
3．6 加強(qiáng)行業(yè)自律，規(guī)范市場秩序
常言道“合作才能共贏”，只有加強(qiáng)自律，理性競
爭，才能在困難形勢下，渡過難關(guān)。我們應(yīng)實(shí)施產(chǎn)品差
異化，避開普通競爭領(lǐng)域；充分發(fā)揮龍頭企業(yè)帶頭作
用，促進(jìn)溝通與協(xié)調(diào)，增強(qiáng)相互間信任與合作，抵制惡
性競爭和低價傾銷行為，促進(jìn)平板玻璃價格正?；?
歸。
在競爭激烈情況下，一些企業(yè)為降低成本，通過
生產(chǎn)非標(biāo)產(chǎn)品和劣質(zhì)產(chǎn)品，搞不正當(dāng)競爭。建議質(zhì)檢
和工商部門加大質(zhì)量抽檢力度，維護(hù)國家標(biāo)準(zhǔn)的嚴(yán)肅
性，嚴(yán)防不合格產(chǎn)品流入市場。行業(yè)協(xié)會要發(fā)揮自身
貼近市場，貼近企業(yè)的優(yōu)勢，開展調(diào)查研究，溝通市場
信息，及時發(fā)現(xiàn)運(yùn)行中新情況、新問題，準(zhǔn)確把握市場
動態(tài)，提高服務(wù)的實(shí)效性和針對性。協(xié)調(diào)、規(guī)范市場秩
序，為企業(yè)創(chuàng)造一個“和諧共贏”的發(fā)展環(huán)境。
(上接第26頁)
4 總結(jié)
采用X一熒光光譜法分析不同配方玻璃的化學(xué)成
分，采用目測外觀形貌法測定玻璃發(fā)霉程度，研究玻
璃成分中的各金屬氧化物含量與霉變性能的內(nèi)在關(guān)
系，并從霉變化學(xué)機(jī)理這一層次上，找出解決玻璃霉
變問題的解決方案，提高玻璃制品的耐候穩(wěn)定性。研
制成功符合防霉要求的玻璃防霉隔離粉。
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— 5 一

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