鋼雨棚鋼化夾膠玻璃爆裂原因及抗裂措施

陸 雁 飛

(南通職業大學，江蘇 南通 226007)

1 概述

本文所討論的鋼雨棚鋼化夾膠玻璃雨棚是一個公共建筑的懸挑鋼結構雨棚，建于20世紀90年代中期，由于當時建設標準較低，設計時懸挑鋼結構的剛度較小及鋼化夾膠玻璃與鋼結構構件間未設置柔性膠墊等因素，導致玻璃經常爆裂，針對該情況，筆者進行了研討。

鋼化玻璃(Tempered glass/Reinforced glass)是通過先對普通平板玻璃進行加熱處理后再通過化學或物理的方法，使得玻璃表面形成一定的預壓應力，在玻璃使用時先抵消該預壓應力，從而提高玻璃的承載能力，來增強玻璃本身沖擊性、抗風壓性、寒暑性等性能的一種安全玻璃。建筑業所用的水平鋼化玻璃是使用水平輥道鋼化爐進行淬火熱處理加工后而產生的一種玻璃，其工藝屬于物理鋼化。鋼化夾膠玻璃是在兩片鋼化玻璃之間夾上PVB中間膜，經高溫高壓加工制成，夾膠玻璃的安全性能要高于普通的鋼化玻璃。

通過對該公共建筑物懸挑鋼結構雨棚鋼化玻璃爆裂情況分析，發現爆裂的鋼化玻璃基本上是由于玻璃本身質量、玻璃加工不當、玻璃受力不勻、玻璃尺寸偏大等原因造成的。

2 鋼化夾膠玻璃爆裂原因

本文所討論的建筑物檐口四周設置懸挑鋼結構夾膠玻璃雨棚(見圖1)，由于懸挑鋼雨棚整體剛度較小，受風載、雪載等外力影響較大，構件的撓度變形較大;夾膠玻璃與鋼構件間未設置柔性膠墊，長時間暴曬在太陽光下等因素，導致夾膠玻璃經常爆裂。從對幾次更換下來的玻璃爆裂情況分析，鋼化夾膠玻璃爆裂主要有以下幾方面原因。

2.1 玻璃自身質量

玻璃在生產過程中會加入Ni等添加劑。這些添加劑的加入與玻璃中的S等材料生成硫化鎳(Ni3S2，Ni7S6，Ni-XS)夾雜物，這些夾雜物一般是以晶體狀的小球體存在，直徑一般在0.1 mm～2 mm，在玻璃內部呈不均勻狀態分布，且外表呈金屬狀存在, 其中Ni1-X相是造成鋼化玻璃自發爆裂的主要原因。玻璃在鋼化過程中，由于溫度的變化，改變硫化鎳雜質的相態，使得硫化鎳在高溫時的α相態恢復到β相態時需要比較長的時間，而硫化鎳的低溫β相態發生變化時在拉應力核心部位體積將增大，產生局部應力集中，使得玻璃表面的壓應力增大，導致鋼化玻璃產生爆裂。

2.2 鋼化玻璃加工不當

1)玻璃在鋼化過程中經歷加熱、冷卻等過程，在這些過程中，玻璃沿厚度方向產生不對稱、不均勻的溫度梯度，溫度梯度的產生為鋼化玻璃的爆裂創造了條件。當不對稱、不均勻的溫度梯度產生的應力偏在玻璃厚度的一側或表面時，容易導致鋼化玻璃爆裂。

2)玻璃在鋼化前存在表面劃痕、深度爆邊、炸口等缺陷，或鋼化過程中發生意外碰撞等情況，造成應力集中而導致鋼化玻璃發生爆裂。

3)加工因素。在原片玻璃上進行鉆孔、切角等加工操作，在鉆孔或切角的周邊產生應力集中，也為鋼化玻璃的爆裂埋下了隱患。

2.3 鋼化夾膠玻璃擱置點受力不勻

鋼化夾膠玻璃擱置的鋼構件本身剛度不足。在風荷載、雪荷載等外力作用下，部分構件發生局部變形，若產生超過鋼化玻璃允許撓度的變形，則夾膠玻璃會發生爆裂。

2.4 外界溫差較大

從幾次更換的情況看，玻璃爆裂基本均發生在溫差較大部位(絕大部分在靠近圖1中的軸～軸間)。由于鋼結構受外界溫度變化而使直接與夾膠玻璃接觸部位溫差較大，導致夾膠玻璃爆裂。經實地察看、測量，夾膠玻璃損壞部位，有56%爆裂玻璃均處在溫差較大的部位，損壞部位溫差最高能達到63 ℃。

2.5 安裝、維護不當

1)在安裝過程中，由于工人的操作方法不當或欠缺，安裝的鋼化玻璃與金屬框架直接接觸或玻璃之間的間隙偏小等，鋼化玻璃在太陽光的照射下，玻璃與金屬結構的線膨脹系數不一，鋼化玻璃的邊部或角部產生擠壓而誘發鋼化夾膠玻璃的爆裂。

2)玻璃表面、邊部由于工人在搬運、安裝、維護不小心或操作不當，造成炸口、表面腐蝕、崩邊等缺陷，極易破壞鋼化玻璃內部應力，從而引發鋼化玻璃自爆。

2.6 玻璃平面尺寸偏大

玻璃的平面尺寸越大，受熱膨脹后的線變形也越大，產生的約束反力也越大，相應地產生更大的熱應力，爆裂的幾率大大增加。

據統計，本建筑物的鋼雨棚夾膠玻璃在2010年—2014年間，尺寸為2 000×2 000的爆裂率合計達22.5%，尺寸為2 000×1 875的爆裂率合計達29.7%，尺寸2 000×1 500的爆裂率合計達21.3%；2015年—2019年間尺寸為2 000×2 000的爆裂率合計達15%，尺寸為2 000×1 875的爆裂率合計達11.1%，尺寸為2 000×1 500的爆裂率合計達6.3%(爆裂數量見圖2)。

3 抗裂措施

1)控制原片玻璃質量。優先選用臺玻集團、南玻集團、福耀集團等大型玻璃生產企業生產的質量穩定、可靠的優質原片玻璃進行鋼化。只有質量穩定、可靠的原片玻璃,經鋼化及夾膠處理出來的鋼化夾膠玻璃的爆裂才能從根本上得到控制。

2)控制玻璃生產過程中外加劑的加入，特別是對Ni等在日后使用過程中有可能導致玻璃爆裂的外加劑加入量的控制，從源頭上控制住鋼化玻璃的爆裂。

3)加強對玻璃鋼化過程中關鍵工藝的過程，嚴格控制玻璃聚熱、聚冷的速度，嚴格控制鋼化玻璃的應力值，使得鋼化玻璃的張應力值處在壓應力值的1/2～1/3之間，并且盡可能降低鋼化玻璃的表面張應力，從而減少鋼化玻璃爆裂的發生。

4)嚴格加強對鋼化前原片玻璃的質量控制，對發現存在爆邊、劃痕、炸口等質量缺陷的玻璃堅決不予鋼化。

5)嚴格控制鋼化玻璃的工藝過程，堅決杜絕鋼化過程中因磕碰等外力的沖擊，減少鋼化玻璃爆裂的發生。

6)增大鋼雨棚構件的整體剛度。通過增加鋼懸臂梁的剛度、增設鋼梁間的縱、橫向支撐，嚴格控制玻璃支撐構件變形撓度，將變形撓度控制在構件尺寸的1/300以內，減少因鋼構件變形而導致的玻璃爆裂。

7)在夾膠玻璃與鋼構件接觸處增設彈性膠墊，避免夾膠玻璃與鋼構件直接接觸而致使玻璃產生較大溫差，可在夾膠玻璃與鋼構件的接觸部位設置20 mm×20 mm的海綿膠條或橡膠墊，能有效地避免鋼構件的溫差導致玻璃爆裂的發生。

8)在夾膠玻璃上表面粘貼隔熱防爆膜。在玻璃上表面粘貼高性能隔熱防爆膜，在夏天可以較有效地降低太陽光對玻璃產生的直射，降低玻璃因較大的溫差而產生爆裂。

4 結語

通過對懸挑鋼雨棚夾膠玻璃爆裂原因的分析，找出了鋼化夾膠玻璃爆裂的原因主要是玻璃本身的質量不穩定、鋼化過程中對鋼化玻璃溫度及應力的控制不準、玻璃架設的鋼構架剛度不夠等影響因素，提出了從玻璃原材料質量的控制、玻璃鋼化工藝過程質量的控制、加大玻璃架設鋼構件剛度等方面的具體措施，并且在本工程多次實際維修過程中已經得到了驗證，為解決同類工程問題，提供了較為可靠依據。