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超大尺寸結構玻璃加工技術要點

2017-06-01 16:59

建築玻璃通常隻有三種破壞形式:即彎曲破壞、衝擊破壞和熱炸裂,此外沒有其它破壞形式。由於玻璃是完全的彈性體,至今沒有玻璃抗壓強度、拉伸強度和剪切強度的測量方法,因此玻璃沒有抗壓強度、拉伸強度和剪切強度的數值。通常采用的玻璃強度實際上是玻璃的彎曲強度。且不說玻璃是典型的脆性材料,不應作為工程結構材料使用,就是單從玻璃沒有抗壓強度、拉伸強度和剪切強度就無法實現玻璃構件的設計,如玻璃作為立柱使用至少應進行玻璃柱的壓應力條件下的承載力計算,作為橫梁使用至少應進行拉應力和剪應力條件下的承載力計算。由於玻璃沒有抗壓強度、拉伸強度和剪切強度,即使計算出玻璃構件中的壓應力、剪應力和拉應力,也無法判斷玻璃構件是否滿足承載力要求。在傳統概念下,建築玻璃通常是不能作為工程結構材料使用的。
 
由於建築玻璃表麵存在大量的微裂紋,玻璃在破碎時表現為典型的脆性,即玻璃在破碎之前沒有任何的屈服表現,而表現為突然的斷裂,從這個意義上考慮建築玻璃也不應作為工程結構材料使用。此外建築玻璃在製作、運輸、貯存和安裝過程中難免在玻璃邊部和表麵產生大尺寸的撞傷或劃傷,這些撞傷和劃傷將極大地降低玻璃的強度,因此建築玻璃作為典型的脆性材料,一般作為裝飾材料使用。當被用於建築外圍護材料使用時,主要作為麵板材料使用。隨著建築玻璃生產技術的不斷提高,超白玻璃、鋼化玻璃、複合夾層玻璃,特別是離子型中間膜(又被稱為SGP)膠片材料出現後,夾層玻璃作為結構材料有了可能,並且已在一些工程實踐中獲得應用,即在一定條件下,玻璃也可作為結構材料使用,如全玻幕牆的玻璃肋,玻璃肋支承的點式玻璃幕牆的玻璃肋等。這些玻璃肋都是作為結構材料在使用,他們在設計使用時需要承擔風荷載,有些還要承擔玻璃幕牆麵板的自重荷載。但這些玻璃構件的使用也隻有在一定條件下才成立,特別是近年來超大尺寸結構玻璃在許多工程上得到應用,有成功的應用案例,也有失敗的教訓。本文結合工程案例介紹超大尺寸結構玻璃的加工技術要點,有關設計計算技術要點、構造技術要點、安裝技術要點等將在後續文章中闡述。
 
玻璃加工要求

首先應選用超白浮法玻璃中的優等品,即市場上能夠買到的最好的玻璃原片,因為玻璃原片品質的優劣是玻璃鋼化後是否自爆的決定性因素。超大尺寸結構玻璃對玻璃表麵的缺陷要求較高,通常不允許1.0mm以上的點狀缺陷存在,對小於1.0mm的點狀缺陷允許1處/10平米,小於0.5mm的點狀缺陷相鄰兩個缺陷的間距必須大於300mm。玻璃表麵的外觀線狀缺陷及影響玻璃性能的缺陷不允許存在。因為超大鋼化玻璃必須進行均質處理,為了降低鋼化玻璃均質的自爆率,所以在切割前必須對原片進行清洗檢查,避免使用不合格的原片。嚴禁使用帶有硬傷、厚度方向結石、密集微氣泡的不合格原片。
 
然後對玻璃板應進行精準裁切和邊部加工。一般玻璃的邊長允許偏差通常為 mm,對於大尺寸的玻璃,邊長允許偏差通常為 mm,甚至更大。對於結構玻璃而言,這樣的邊長允許偏差太大了,因為結構玻璃要求精準對位,邊長允許偏差通常為 mm,邊長偏差太大無法滿足工程要求。結構玻璃邊部要求倒角,且應進行三邊精磨和三邊拋光,因為玻璃板在裁切過程中在邊部產生大量裂紋,這些裂紋會極大地降低玻璃板的端麵強度,通過三邊精磨、拋光,可將玻璃板邊部的裂紋清除,達到提高玻璃強度的目的。結構玻璃通常需要在玻璃板上鑽孔。一般玻璃的圓孔直徑允許偏差通常為 mm,對於大孔徑的玻璃,直徑允許偏差更大。對於結構玻璃而言,這樣的邊長允許偏差太大了,結構玻璃要求的直徑允許偏差通常為 mm。結構玻璃的孔徑偏差要求不但高,而且孔邊應進行精磨、拋光處理,因為玻璃板孔邊應力集中,孔徑尺寸偏差過大和孔邊加工低,極易造成玻璃板在使用中由於孔邊受力不均而自孔邊開裂。
 
結構玻璃應進行鋼化處理。如果認為鋼化玻璃有自爆問題而采用半鋼化處理是不合適的,因為結構玻璃通常需要在玻璃板上打孔,半鋼化玻璃是無法滿足開孔要求的。即便不開孔,結構玻璃也應采用鋼化處理,因為玻璃是典型的脆性材料,鋼化處理後,玻璃的脆性得到極大的改善,即玻璃的斷裂韌度提高了。盡管目前還沒有測量玻璃斷裂韌度的方法,也沒有規範采用斷裂韌度來表征玻璃的力學性能,但玻璃的斷裂韌度是客觀存在的,作為結構玻璃,其斷裂韌度的提高無疑是極為有利的。半鋼化處理的玻璃,其斷裂韌度比鋼化處理玻璃斷裂韌度低得多,因此結構玻璃應進行鋼化處理。至於鋼化玻璃的自爆問題可通過以下途徑解決:其一是結構玻璃原片必須采用超白浮法玻璃中的優等品。其二是適度鋼化,即鋼化玻璃允許碎片數應在30—90粒之間。其三是鋼化玻璃表麵壓應力應均勻,即表麵壓應力最大值和最小值之差不應超過15MPa。其四是結構玻璃鋼化後必須進行均質處理。其五是玻璃板邊部精磨、拋光。采用這些措施,結構玻璃的自爆率應當極低。
 
結構玻璃應采用夾層玻璃。一般夾層玻璃可采用PVB膠片,但是結構玻璃必須采用SGP膠片,因為SGP的粘接性更強,且均有一定的殘餘強度,由SGP膠片構成的夾層玻璃的剛度更大。夾層玻璃都有疊差,一般夾層玻璃的疊差較大,對於大板麵夾層玻璃,最大疊差可達6mm。作為結構玻璃,夾層玻璃的疊差非常小,不得超過1.0mm,特別是孔邊的疊差更是嚴格限製,因為要保證組成夾層玻璃的多片玻璃共同工作,同時受力,玻璃板孔邊必須保證疊差極小。結構玻璃的孔必須進行嚴格的質量控製,保證孔周受力均勻。
 
加工設備要求
 
(1)裁切、磨邊拋光設備
 
目前沒有標準規定多大的玻璃板為超大尺寸,一般認為玻璃板一邊邊長超過8m即為超大尺寸玻璃。如此大的板麵,邊長偏差要求小於1.0mm,采用一般裁切設備根本做不到,必須采用加工中心進行加工,因為加工中心的設備精度達到小數點後第八位。
 
超大尺寸玻璃板的精磨邊和拋光對磨邊機的要求也比通常的磨邊機要求。超大尺寸結構玻璃磨邊時不但要控製好尺寸公差,還要嚴格控製磨邊質量。寬度邊尺寸控製在±1.0mm,高度邊的尺寸公差控製在±2.0mm,對角線控製在對角線長度的0.05%,倒棱寬度控製在2.0mm±0.5mm。超大尺寸結構玻璃必須進行精磨邊處理,端麵須精磨光亮,多片玻璃的疊差控製在1.0mm以內。
 
(2)鋼化設備
 
目前鋼化設備最大的加工能力為3660mm*18000mm,超大尺寸鋼化玻璃不但要控製好鋼化玻璃的表麵應力,還要控製好鋼化玻璃的平整度和外觀視覺效果。
 
超大尺寸鋼化設備要求鋼化玻璃的外觀質量和視覺效果,即必須保證鋼化玻璃的碎片數為30—90之間,鋼化玻璃的表麵應力必須大於90MPa,且鋼化玻璃表麵應力的最大值和最小值之差小於15MPa。對鋼化爐內各點的溫度差不得超過5度,並且要求快速均勻加熱,迅速冷卻,風壓偏差不得超過2MPa,需要快速出爐從而形成鋼化玻璃的表麵應力。超大尺寸鋼化玻璃的平整度控製在0.005%以內,同時要求超大尺寸玻璃的外觀視覺效果,不得存在明顯的變形和風斑不均現象。滾波紋的變形邊部控製在0.08mm/300mm,中部波形控製在0.04mm/300mm,並要求輥波紋平行於底邊。外觀質量:距1米處目視觀察不得出現明顯的麻點和局部片狀或團裝的應力斑,鋼化後的玻璃不得出現白霧缺陷。圖2鋼化玻璃表麵壓應力的實際測量結果,15米鋼化玻璃應力值最大99MPa、最小90MPa,應力差9MPa。
 
超大尺寸結構玻璃必須采用均質鋼化玻璃,均質過程中的溫度必須達到290度±10度,在此條件下保溫至少2小時(建議保溫150分鍾,因為超大尺寸玻璃麵積大,受熱不均勻,超大版玻璃自身重,為了保證恒溫均勻),在保溫過程中時刻監控記錄保溫時的溫度變化情況,降溫時達到70度以下,均質采用的熱電偶必須經過專業校準,並要求每年校準一次,超大尺寸結構玻璃均質時必須在玻璃表麵貼熱電偶,並按照均質要求的位置和數量進行張貼。均質完成後要對均質的玻璃提供完整的均質報告,否則判定均質處理不合格。
 
(3)高壓釜
 
超大尺寸結構玻璃必須采用離子型中間層做為夾層玻璃的中間層,在加工中必須采用高溫高壓並進行封邊處理,具有高強度的抗彎性能和超強的撞擊性能,同時具有破碎後不倒塌的優點。
 
超大尺寸結構玻璃必須有一層離子型中間層或多次離子型中間層構成,需具備結構玻璃的設計要求。夾層必須在十萬級以上的淨化室內進行合片,合片室須有溫濕度控製裝置,並保持正壓,光線充足良好。結構玻璃表麵必須進行清洗,並且不殘留其它異物,合片前對玻璃表麵進行目視檢查,對離子型中間層進行目視檢查,對異物及時清除。
 
合片時保證結構玻璃的底邊和可見邊的疊差,對多層玻璃合片時需保證夾層玻璃的厚度方向與玻璃表麵垂直,合片後預留1-2mm的中間層,由於玻璃板麵較大,合片後需對玻璃邊緣進行簡單的固定。超大尺寸結構玻璃必須在真空狀態下進行加工,保證夾層玻璃的中間層充分融化並粘接。對夾層結構玻璃進行塗刷封邊劑處理,減少夾層玻璃因中夾層吸收空氣中的水分而影響玻璃的使用壽命。
 
超大尺寸高壓釜在提升氣壓和穩壓方麵都有更高的要求,要在恒溫、恒濕、正壓、10萬級潔淨合片室進行合片,對於厚度100mm的玻璃,在SGP夾層拚接技術上,視覺無缺陷,拚接縫肉眼達到不可視 。
 
失敗案例原因
 
超大尺寸結構玻璃板應用的主要構件之一為點支式玻璃幕牆的玻璃肋。玻璃肋支承的點式玻璃幕牆往往被誤認為全玻幕牆。玻璃肋支承的點式玻璃幕牆與全玻幕牆有較大的差異。圖7為玻璃肋支承的點式玻璃幕牆,圖8為全玻幕牆。全玻幕牆的麵板玻璃和玻璃肋各自獨立安裝,兩者雖然相互支承,但各自的垂直荷載由自身承擔,玻璃肋隻承擔麵板玻璃承受的水平荷載。如果玻璃肋發生破裂,表麵玻璃不會墜落,因為表麵玻璃獨自安裝在結構上,因此全玻幕牆一般不會發生整體坍塌、墜落的事故。但玻璃肋支承的點式玻璃幕牆則不同,麵板玻璃安裝在玻璃肋上,玻璃肋不但要承擔自身的重力荷載,還要承擔麵板玻璃的重力荷載及麵板玻璃所承受的水平荷載。如果玻璃肋發生破裂,麵部玻璃就失去支撐,麵部玻璃就會墜落,甚至發生幕牆整體坍塌墜落。因此玻璃肋支承的點式玻璃幕牆其安全性要求是極高的,也正因為如此,玻璃肋破裂的事故也是最多的。玻璃肋破裂的原因很多,如玻璃加工質量不滿足要求、玻璃肋構造不合理、設計計算錯誤、裝配應力過大等。本文主要討論玻璃加工質量不滿足要求導致的玻璃肋破裂,其他原因造成的玻璃肋破裂留待後續文章闡述。
 
玻璃肋破裂一部分表現為鋼化玻璃的自爆,其原因有:選擇普通平板玻璃,沒有選擇超白浮法玻璃中的優等品;鋼化度過高,最大碎片顆粒數遠遠超過90粒;玻璃板邊部沒有精磨、拋光。其他原因還有玻璃板邊部碰傷嚴重;玻璃板裁切尺寸偏差大。玻璃肋破裂另外一部分原因:1.安裝方式不當,使用金屬件直接接觸玻璃。2.結構玻璃局部受力或受力不均,造成局部應力過大。
 
(1)原片玻璃質量
 
近年來,建築鋼化玻璃自爆現象比較普遍,為降低鋼化玻璃自爆率,國家發布了《建築門窗幕牆用鋼化玻璃》JG/T455產品標準。在該標準中規定,應用幕牆鋼化玻璃的原片玻璃應采用超白浮法玻璃中的一等品或優等品,平板玻璃應采用優等品。對於超大尺寸結構鋼化玻璃應采用超白浮法玻璃中的優等品。但實際工程中,采用平板玻璃的工程很多,造成鋼化玻璃自爆現象嚴重,有些玻璃還沒有安裝就發生自爆。鋼化玻璃原片品質的優劣是鋼化玻璃是否自爆的決定性因素,要保證超大尺寸結構玻璃應用的安全性,保證玻璃正常條件下使用無自爆,鋼化玻璃原片必須采用超白浮法玻璃中的優等品。
 
(2)均質處理
 
經均質處理的鋼化玻璃,其自爆率是極低的。由於鋼化玻璃是否經過均質處理無法檢測,造成在實際工程中,盡管對鋼化玻璃有均質要求,但實際上並未對鋼化玻璃進行均質處理,造成鋼化玻璃自爆率居高不下。對於超大尺寸結構玻璃,必須進行均質處理。
 
(3)適度鋼化
 
鋼化度高,鋼化玻璃自爆率就高,這是無可爭論的客觀事實。《建築門窗幕牆用鋼化玻璃》JG/T455產品標準規定,鋼化玻璃允許碎片數應在30—90粒之間。對於超大尺寸結構玻璃,要保證鋼化玻璃允許碎片數位於在30—90粒之間,對鋼化爐和鋼化工藝都有嚴格的要求。在實際工程中,許多自爆率高的工程,鋼化玻璃的碎片數都遠超90粒上限。
 
(4)邊部加工質量
 
建築門窗幕牆用鋼化玻璃》JG/T455產品標準規定,鋼化玻璃應進行三邊精磨。對於超大尺寸結構玻璃應進行三邊拋光處理。但在實際工程中,邊部加工質量遠遠沒有達到這一要求,造成玻璃破裂現象嚴重。
 
(5)玻璃邊部碰傷嚴重
 
鋼化玻璃邊部不但要精加工,還要在運輸、儲存、安裝等一切環節中妥善保護。玻璃邊部碰傷嚴重,玻璃的破裂就難以避免了。
 
(6)尺寸偏差大
 
玻璃板尺寸偏差大,特別是孔邊的疊差大是造成實際工程中玻璃肋破裂的主要原因。圖9和圖10是實際工程中玻璃肋出現自爆案例的圖片。
 
玻璃肋的原片玻璃為平板玻璃,邊部加工粗糙,邊部碰傷嚴重,孔邊疊差較大,這樣的玻璃是無法滿足工程要求的,出現破裂是很正常的。
 
結束語

超大尺寸結構玻璃不僅用於玻璃肋支承的點支式玻璃幕牆,也用於全玻幕牆的玻璃肋和無肋全玻幕牆,各自的設計計算要點、構造要點和安裝要點等將在後續文章中詳述。
 
 
 

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