中空、夹层与真空,玻璃等效厚度怎么算?

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首先要明确的是,什么是玻璃等效厚度?

顾名思义,就是不同构造的中空玻璃、夹层玻璃、真空玻璃等在结构设计计算时,挠度变形相等或接近的单片玻璃厚度。

以6+12A+6中空玻璃为例,在做挠度计算时,我们能直接用玻璃总厚度12mm吗?答案是不能,需要用按公式等效计算后的7.2mm。

那么,我们为什么一定要用玻璃等效厚度呢?

因为在玻璃结构设计计算时,我们要计算玻璃的强度、刚度(以应力和挠度来表征),相关文章见:

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在计算玻璃应力时,是将荷载按一定比例分配在各片玻璃上,再分别按各单片玻璃计算。

而在计算玻璃挠度时,目前标准中是将玻璃构造等效为单片玻璃来计算的,见下式:

其中D为玻璃的刚度,更准确来讲是截面刚度,其他参数的意义我就不解释了,截面刚度D计算公式如下:

这里的E为玻璃弹性模量,v为泊松比,t就是玻璃厚度或等效厚度。

如上所述,6+12A+6中空玻璃在做挠度计算时,是将中空玻璃当做7.2mm厚单片玻璃来计算的。

我们能不能不用等效厚度来计算挠度呢?

答案也是不能。因为等效为单片玻璃来计算挠度是最简单的方法,否则就要用弹性力学理论或者有限元(含空气、胶片等复杂模型)计算,难以应用于工程设计。

那么玻璃等效厚度该怎么算呢?

常见玻璃构造有中空玻璃、夹层玻璃、真空玻璃等,见下图。

中空玻璃等效厚度计算公式如下:

PVB夹层玻璃等效厚度计算公式如下:

公式比较简单,就不解释了。除了PVB外,夹层玻璃还有SGP,或称为离子型,其等效厚度计算公式如下:

其中:

其中,Γ为中间层胶片剪力传递系数;G为与温度相关中间层剪切模量,N/m㎡;t1、t2、tv分别为夹层玻璃中第1片、第2片和胶片的厚度,mm;L为夹层玻璃短边长度,mm;E为玻璃弹性模量,N/m㎡。

可以看出,SGP夹层玻璃等效厚度计算公式比PVB夹层玻璃复杂。

有标准还规定,SGP夹层玻璃等效厚度不应大于两片玻璃厚度之和,也就是说如果SGP夹胶玻璃等效厚度大于两片玻璃厚度之和时,应取两片玻璃厚度之和。

说了这么多理论,来个具体例子看看吧。

假定某工程玻璃分格为1.5m×2.0m,采用6+12A+6、6+0.76PVB+6、6+0.38SGP+6时,分别计算玻璃的等效厚度。

结果如下:

6+12A+6中空玻璃等效厚度:7.2mm;

6+0.76PVB+6夹层玻璃等效厚度:7.6mm;

6+0.38SGP+6夹层玻璃等效厚度:12.34mm(按某些标准要求应取12mm)。

其中,6+0.38SGP+6的等效厚度计算过程如下:

ts=0.5×(6+6)+0.38=6.38 mm

ts,1=ts,2=6.38×6/(6+6)=3.19 mm

Is=6×3.192+6×3.192=122.1

Γ=0.99

te,w=12.34mm

可以看出,中空玻璃、PVB和SGP夹层玻璃等效厚度计算方法较为成熟。

也可以看出,不同构造玻璃的等效厚度是不一样的,而等效厚度又是计算玻璃挠度变形的关键;没有等效厚度,工程设计时就难以计算玻璃的挠度变形。

真空玻璃作为一种新型的建筑节能玻璃,因为空腔为真空层,长期承受一个大气压的压力,支撑物两边玻璃变形是协调的。

但真空玻璃边部采用近似刚性的玻璃粉或金属封接,与中空、夹层玻璃构造不同,因此等效厚度也不一样。

真空玻璃等效厚度研究一方面要进行试验,研究不同厚度、尺寸、封接材料、压力时的变形量,另一方面也要进行理论推导、有限元模拟;通过理论推导建立方法,用试验和模拟来验证,再用该方法来指导工程设计。

从目前的试验和有限元模拟数据来看,真空玻璃等效厚度优于中空玻璃、PVB夹层玻璃,小于组成真空玻璃的两片玻璃厚度之和。

简单总结一下:

玻璃的等效厚度是不同构造的中空、夹层、真空玻璃等非单片玻璃在结构设计计算时,挠度变形相等或接近的单片玻璃厚度。

这是因为目前我们在计算玻璃挠度时,是将不同玻璃构造等效为单片玻璃来进行计算的。

常见的中空、PVB夹层、SGP夹层玻璃等效厚度已有相对成熟的计算方法;真空玻璃的等效厚度计算方法有待进一步深入研究。

以某工程分格为1.5m×2.0m的玻璃为例,采用6+12A+6、6+0.76PVB+6、6+0.38SGP+6时,玻璃等效厚度分别为7.2mm、7.6mm和12.34mm。

等效厚度是计算玻璃挠度变形的关键,没有等效厚度,工程设计时就难以计算玻璃的挠度变形;也因此,等效厚度的计算方法是新型玻璃材料(如真空玻璃)结构设计方面的重要研究内容。

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