玻璃结构关键技术和设计方法研究与应用_黄小坤.pdf

建设科技 47一 等 奖2022 年“华夏建设科学技术奖”获奖项目（一等奖）玻璃结构关键技术和设计方法研究与应用长期以来，建筑玻璃多应用于门、窗、幕墙等非结构构件。进入21世纪，随着建筑审美要求以及玻璃加工、设计施工、技术的提高，以建筑玻璃作为主要结构构件的房屋建筑和景观建筑大量涌现。相比传统建筑结构，玻璃结构在材料、构件、结构黄小坤1 刘强2 杨健3 聂建国4 韩维池5 张燕红6 刘军进2 崔明哲2 段树坤2 韩伟涛2 王星尔3 李刚7 李永春5 李滇2 那振雅2(1.中国建筑科学研究院有限公司，北京 1 0 0 0 1 3;2.中建研科技股份有限公司，北京 1 0 0 0 1 3;3.上海交通大学，上海 2 0 0 0 2 3；4.清华大学，北京 1 0 0 0 8 4；5.江河创建集团股份有限公司，北京 1 0 1 3 0 0;6.郑州中原思蓝德高科股份有限公司，郑州 4 5 0 0 0 1；7.河南中玻玻璃有限公司，周口 4 6 6 7 0 0)摘要 玻璃结构破坏具有明显的脆性特征，易造成公共安全隐患。项目组开展了玻璃结构基础理论和关键技术的创新性研究。识别了玻璃结构构件、节点的失效形态和力学性能，确定了结构构件破坏和失效后承载性能演变机制，建立了不同劣化条件下玻璃结构构件及节点的劣化本构模型；研发了新型高性能加筋增强玻璃构件、多板件组合玻璃构件、金属植入型节点、摩擦型螺栓节点等玻璃结构防倒塌性能提升技术；提出了玻璃结构体系安全冗余设计方法；基于有限-离散元方法，开发了可准确模拟玻璃结构破坏过程的数值计算工具。依据主要研究成果，编制3部技术标准，可为我国玻璃结构的应用提供技术支撑。关键词 玻璃结构；安全；防倒塌；性能提升；设计方法Research and Application of Key Technology and Design Method for Glass StructureHuang Xiaokun1,Liu Qiang2,Yang Jian3,Nie Jianguo4,Han Weichi5,Zhang Yanhong6,Liu Junjin2,Cui Mingzhe2,Duan Shukun2,Han Weitao2,Wang Xinger3,Li Gang7,Li Yongchun5,Li Dian2,Na Zhenya2(1.China Academy of Building Research,Beijing,100013;2.CABR Technology Co.,Ltd.,Beijing,100013;3.Shanghai Jiao Tong University,Shanghai,200023;4.Tsinghua University,Beijing,100084;5.Jangho Group Co.,Ltd.,Beijing,101300;6.Zhengzhou Zhongyuan Silande High Tech Co.,Ltd.,Zhengzhou,450001;7.Henan Glass Inglass Co.,Ltd.,Zhoukou,466700)Abstract:Glass structures exhibit obvious brittle characteristics,which can easily cause public safety hazards.The project team has carried out innovative research on the basic theory and key technologies of glass structures.The failure modes and mechanical properties of glass structural components and joints were identified,and the evolution mechanism of bearing capacity after the failure and damage of structural components was determined.Additionally,deterioration constitutive models of glass structural components and joints under different deterioration conditions were established.The team also developed new technologies to improve the anti-collapse performance of glass structures,such as high-performance reinforced glass beams,multi-panel combination glass members,metal embedded joints,and friction-type bolt joints.A safety redundancy design method for glass structure systems was proposed,and a numerical calculation tool that can accurately simulate the process of glass structure failure was developed based on the finite-discrete element method.Based on the main research results,three technical standards were formulated,which can provide technical support for the application of glass structures in China.Keywords:glass structure,safety,anti-collapse,performance improvement,design method等层面均有其特殊性。我国对玻璃结构的基础理论和应用技术研究长期滞后于工程实践，缺乏可指导工程设计的系统技术方法和技术标准，导致玻璃结构工程普遍存在设计依据不足、设计不当甚至存在安全隐患等问题。基于此，项目组统筹规划，近10年来先后承担了DOI:10.16116/ki.jskj.2023.11.00948 建设科技特 别 关 注The Special Focus“华夏奖”专刊包括“十三五”国家重点研发计划、国家自然科学基金、住建部科技计划等多项玻璃结构相关科研项目，针对玻璃结构工程实践中的关键技术问题，系统地开展了应用基础理论和设计方法研究，取得了系列重要研究成果，编制了技术标准，为我国玻璃结构的工程应用提供了技术依据，为提升玻璃结构建筑品质、保障公共安全、满足人民美好生活需求等国家战略提供了技术支撑。1 玻璃结构基本构件力学性能及设计方法完成了73个夹层玻璃板四点弯曲试验，研究了中间层类型、持荷时间、温度变化及边界条件对试件抗弯承载力的影响规律，提出了针对不同胶片类型的夹层玻璃等效厚度计算公式及设计方法（见图 1 a、b）。完成了91个足尺夹层玻璃梁受弯性能试验，研究了玻璃类型、中间层类型、截面厚度和高度、剪跨比等因素对玻璃梁力学性能的影响规律，提出了夹层玻璃梁受弯承载力及稳定性设计方法（见图 1 cf）。完成了41个足尺夹层玻璃柱受力性能试验，考虑了持荷时间、截面高度及厚度等对玻璃柱屈曲承载力的影响，分析了轴心受压、压弯等不同受力形式下玻璃柱的破坏形态及失稳模式，探讨了试件开裂后剩余承载力和变形能力的影响规律，提出了轴心受压及压弯耦合作用夹层玻璃柱的稳定承载力设计方法（见图 1 gj）。完成了6个足尺夹层玻璃板受剪性能试验，研究了玻璃类型以及玻璃板宽高比、两端采用刚性结构胶和柔性结构胶约束对剪切变形及破坏形态影响规律，提出了面内受剪玻璃板稳定承载力设计方法（见图 1 k、l）。完成了83个夹层玻璃板落重冲击试验，研究了不同支承条件以及玻璃层数、类型、厚度、中间层对玻璃板抗冲击性能的影响，记录了玻璃裂纹扩展过程，获取了玻璃碎裂能基础数据；进行了玻璃板的易损性分析，揭示了不同碎片形态及中间层胶片类型对夹层玻璃开裂后剩余力学性能的影响规律（见图 1 m、n）。2 玻璃结构考虑环境与荷载耦合作用的劣化机理和设计方法完成了千余个结构胶“工”型试样及哑铃型试样在水-紫外、温度、湿度、介质侵蚀等环境作用下的劣化性能试验，揭示了硅酮、聚氨酯、丙烯酸酯及环氧树脂结构胶对环境作用的敏感程度和劣化规律（见图 2 a、d），提出了玻璃结构用结构胶在环境作用下的性能劣化指标要求。完成了84个不同环境作用下的结构胶粘接性能试验，研究了基材为不锈钢、玻璃时结构胶的粘接性能（见图 2 b、e），分析了结构胶粘结厚度、粘接面积对粘接连接力学性能的影响规律，对比了不同环境作用下的脱胶荷载、贯穿裂缝长度及界面脱胶能，识别了对界面劣化影响最为显著的环境因素，提出了考虑环境作用的结构胶粘接连接设计建议。完成了34个夹层玻璃构件及节点劣化性能试验，研究了高低温循环、氙灯、温湿度三种劣化条件下玻璃构件的剪切模量-等效厚度曲线变化规律，识别了影响玻璃构件受力性能的主要因素，提出了中间层及粘接面的劣化本构和强度准则，揭示了夹层玻璃构件及节点关键薄弱部位和性能劣化机理；提了考虑环境作用的夹层玻璃构件设计建议（见图 2 c、f）。3 玻璃结构构件及节点延性化性能提升技术完成了60个足尺加筋增强夹层玻璃梁受弯性能试验，研究了玻璃梁受力行为和承载机制，识别了主要破坏模式和控制因素，分析了玻璃开裂后承载和变形能力；标定了加筋增强玻璃梁的初始缺陷标准值，提出了考虑配筋修正的长细比以及稳定承载力设计方法（见图 3 a）。完成了50个多板件组合玻璃构件受力性能试验，研究了在轴压及压弯作用下的受力行为和承载机制，分析了截面类型、玻璃种类、结构胶种类等因素对构件轴压及压弯性能的影响规律，识别了不同受力特征及破坏模式；研究了多板件组合玻璃构件承载力理论分析方法，提出了承载力及稳定性设计建议（见图 3 b）。完成了42个玻璃结构摩擦型螺栓连接节点受力性能试验，研究了玻璃及不锈钢表面处理方式、预紧力大小及垫片类型对节点承载力的影响规律，分析了垫片材料蠕变、胶片蠕变、玻璃厚度等因素对预紧力损失的影响，提出了摩擦型螺栓连接节点承载力设计方法（见图 3 c）。完成了32个夹层玻璃金属植入节点的受力性能试验，研究了荷载角度及剪跨比对节点破坏形态、失效模式及抗拔承载力的影响规律，探讨了荷载传递路径、承载机制以及考虑环境作用的金属与离子性中间层界面粘结承载性能预测模型，建立了节点不同失效模态的判断准则和承载力设计方法（见图 3 d）。建设科技 49一 等 奖（a）四点弯曲试验（b）等效厚度设计曲线（c）梁截面抗弯试验（d）截面承载力模型（e）梁稳定性试验（f）梁稳定性设计曲线（g）柱轴压试验（h）柱稳定性设计曲线（i）压弯试验（j）压弯构件N-M曲线（k）板抗剪试验（l）板抗剪设计曲线（m）冲击试验（n）夹层玻璃冲击性能图 1 玻璃结构基本构件力学性能试验及设计方法图 2 玻璃结构在环境作用下的劣化机理和性能演变规律（a）结构胶劣化性能试验（b）粘接面劣化性能试验（c）构件劣化性能试验（d）结构胶本体劣化规律（e）粘接面劣化规律（f）构件劣化规律4 玻璃结构有限-离散元数值模拟分析方法基于153个玻璃碎裂试验以及维诺形态方法，提出了裂纹数值模拟方法，建立了玻璃构件意外开裂后的初始变形缺陷分析模型。通过数值仿真，研究了玻璃类型、开裂层位置、中间层性能等因素对玻璃构件开裂前、后的承载性能和失效机制影响规律，揭示了玻璃结构在劣化状态下受