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玻璃幕墙安全性能评估及其面板失效检测技术

作　者: 刘小根
导　师: 包亦望
学　校: 中国建筑材料科学研究总院
专　业: 材料学
关键词: 玻璃幕墙安全评估中空玻璃真空玻璃失效检测技术
分类号: TU228
类　型: 博士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

玻璃幕墙越来越广泛应用于高层建筑,是现代建筑重要组成部分。然而,伴随着玻璃幕墙使用量的增多及服役年限的增加,玻璃幕墙的质量问题越来越突出,幕墙玻璃突发破裂或坠落事故时有发生,严重威胁着人们的生命财产安全。因此,如何现场检测及监测既有玻璃幕墙服役健康状态,确立一套评估玻璃幕墙可靠性标准受到材料界和工程界科研人员的普遍重视,也是保障玻璃幕墙在使用中预防灾害发生,减少经济损失所迫切需要解决的核心问题。玻璃幕墙的结构失效,材料失效将影响其安全性能,而功能失效又会加速其结构与材料失效。基于此,本文重点研究了玻璃幕墙支承体系结构与材料失效及幕墙玻璃面板功能失效的在线检测理论与安全评估新技术,具体完成了如下研究工作内容:(1)提出了通过振动测试方法获得幕墙玻璃的固有频率来识别玻璃幕墙支承结构松动损伤及其结构胶的老化程度。试验室研究了四边夹支及隐框玻璃幕墙在其支承结构体系出现松动、老化和损伤后幕墙玻璃的固有频率变化规律。试验结果表明了四边夹支幕墙玻璃板的固有频率随其边界支承松动而不断衰降,且分布在低于玻璃边界四边固支和高于四边简支对应的频率约20%的区间内;随着结构胶老化时间增长,因结构胶对玻璃粘结强度不断降低,表现为幕墙玻璃板的固有频率变化率也不断增大。根据试验结果,结合矩形薄板边界约束与其动态参数关系,本文建立起了一套以幕墙玻璃板固有频率变化来评价玻璃幕墙支承结构松动损伤及玻璃脱落风险的标准,由于幕墙玻璃板固有频率是一个比较容易获得的动态特性参数,因此,该方法是一种现场检测既有玻璃幕墙安全性能的简便方法。(2)针对幕墙中空玻璃密封性能失效及外片脱落等质量事故问题,首先直接根据中空玻璃内外片玻璃两面承受的气体压差导致的变形求出中空层体积变化,并结合中空层气体理想状态方程,精确地计算了外载及环境因素影响下中空玻璃内外片变形及应力分布大小,解决了环境温、压差给中空玻璃带来的附加应力和变形理论定量计算这一问题,也为幕墙中空玻璃承载能力验算、工程安全应用及密封层失效在线检测技术提供理论指导。根据中空玻璃中空层气体泄漏前后中空玻璃承载变形性能的变化,提出了采用在中空玻璃面板中心施加集中荷载,通过观测中空玻璃内外片变形量的大小来评价中空玻璃中空层的密封性能,实现了在线检测幕墙中空玻璃中空层密封性能。(3)为满足建筑幕墙用安全型真空玻璃的开发及工程应用推广之需要,研究了安全型真空玻璃结构优化设计及应用所必须涉及的力学基础理论。根据真空玻璃结构特点,建立了力学模型,分析了真空玻璃在大气压作用下支撑应力分布特征及计算公式。针对真空玻璃在工程应用中的强度设计关键问题,研究了均布载荷下真空玻璃弯曲失效特性及影响因素,给出了幕墙用真空玻璃强度计算公式。通过上述研究,为安全型真空玻璃结构与强度设计及其工程应用提供了理论基础。另外,提出了基于光弹法和动态法在线检测真空玻璃的真空度,建立起了应力光弹斑痕变化及真空玻璃固有频率与真空玻璃真空度之间的关系,为幕墙真空玻璃真空度失效提供了简便在线检测方法。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-11
第一章绪论  11-27
  1.1 玻璃幕墙的概念及其发展历史  11-15
    1.1.1 玻璃幕墙的概念  11
    1.1.2 玻璃幕墙的品种  11-12
    1.1.3 玻璃幕墙的发展  12-15
  1.2 立项背景与研究意义  15-18
    1.2.1 立项背景  15-18
    1.2.2 研究意义  18
  1.3 国内外研究现状及趋势  18-21
    1.3.1 国内研究现状  18-19
    1.3.2 国外研究现状及趋势  19-21
  1.4 既有建筑玻璃幕墙失效模式及影响  21-24
  1.5 本文研究重点  24-27
    1.5.1 研究方案及出发点  24-25
    1.5.2 研究内容  25-26
    1.5.3 预期研究效果及对社会贡献  26-27
第二章幕墙玻璃的振动固有特性分析  27-41
  2.1 引言  27-28
  2.2 幕墙玻璃板振动特性理论解析  28-32
    2.2.1 玻璃幕墙结构类型  28
    2.2.2 幕墙玻璃板支承边界条件  28-29
    2.2.3 幕墙玻璃板的自由振动分析  29-32
  2.3 不同支承条件幕墙玻璃板振动模态分析  32-40
    2.3.1 有限元模态分析  32-36
    2.3.2 试验模态分析  36-40
  2.4 本章小节  40-41
第三章基于固有频率变化的玻璃幕墙安全评估  41-58
  3.1 引言  41-42
  3.2 幕墙玻璃固有频率变化与其边界支承松动损伤关系试验研究  42-47
    3.2.1 试验条件  42-43
    3.2.2 试验步骤  43
    3.2.3 四边夹支玻璃幕墙支承松动对幕墙玻璃固有频率的影响  43-45
    3.2.4 边缘受转动限制矩形板振动理论分析  45-47
  3.3 幕墙玻璃边界支承松动对其承载性能的影响  47-48
  3.4 基于玻璃固有频率变化的玻璃幕墙安全评估  48-52
    3.4.1 相对比较法  48-49
    3.4.2 划分安全频率区间法  49-52
  3.5 玻璃幕墙安全评估现场检测细则  52-54
    3.5.1 检测设备选择  52-53
    3.5.2 检测步骤  53-54
  3.6 基于固有频率变化的玻璃幕墙安全性能现场检测应用实例  54-57
  3.7 本章小结  57-58
第四章基于模态参数的隐框玻璃幕墙  58-71
  4.1 引言  58-59
  4.2 理论基础  59-60
  4.3 试验  60-62
  4.4 试验结果及分析  62-68
    4.4.1 结构胶界面脱胶对幕墙玻璃模态振型的影响  62-63
    4.4.2 结构胶界面脱胶对幕墙玻璃固有频率的影响  63-65
    4.4.3 结构胶老化对幕墙玻璃固有频率的影响  65-68
  4.5 基于玻璃固有频率变化的隐框玻璃幕墙安全预警  68-69
  4.6 现场检测步骤  69-70
  4.7 本章小结  70-71
第五章幕墙中空玻璃失效机理及检测技术  71-93
  5.1 引言  71-73
  5.2 中空玻璃承载性能分析  73-76
  5.3 环境温、压差对中空玻璃影响分析  76-81
    5.3.1 环境温差对中空玻璃的影响  77-79
    5.3.2 海拔压差对中空玻璃承载性能的影响  79-81
  5.4 自动调压式中空玻璃及存在的问题  81-83
  5.5 中空玻璃中空层密封性能检测  83-91
    5.5.1 检测原理  83-86
    5.5.2 中空玻璃中空层失效在线检测方法  86-89
    5.5.3 实施例  89-91
  5.6 本章总结  91-93
第六章幕墙安全型真空玻璃结构优化及工程应用理论  93-131
  6.1 引言  93-95
  6.2 真空玻璃结构优化设计基本理论  95-113
    6.2.1 真空玻璃支撑应力分析  95-106
    6.2.2 持久应力作用下玻璃强度设计  106-110
    6.2.3 真空玻璃结构功能一体化综合优化设计  110-111
    6.2.4 优化设计实例  111-113
  6.3 真空玻璃承载特性与强度设计  113-124
    6.3.1 试验条件与方法  114
    6.3.2 结果与分析  114-124
  6.4 真空玻璃真空度在线检测技术与应用  124-130
    6.4.1 光弹法检测真空玻璃真空度  125-128
    6.4.2 动态法检测  128-130
  6.5 本章小结  130-131
结论  131-134
本文主要创新点  134-135
参考文献  135-144
攻读博士学位期间的科研成果  144-147
致谢  147

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