公式法、有限元法和實測法風壓作用下中空玻璃撓度變化對比研究

抗風壓性能是門窗幕墻最重要的物理性能之一，以主受力構(gòu)件(包括桿件、面板等)在風荷載作用下的撓度值作為量化判定指標。公式法、有限元法和實測法是中空玻璃撓度變化的三種測評方法，本文通過典型案例對三種方法下中空玻璃撓度變化進行了對比分析，給出了計算和檢測建議。1、案例中空玻璃面板撓度值測算一般可采用3種方法，分別是公式法、有限元法和實測法，其結(jié)果有何差異？以某半隱框玻璃幕墻工程為例，采用8+12A+8mm厚雙鋼化中空玻璃，分格見圖1。

圖1玻璃幕墻試件分格取其中最大板塊A分析，底邊長4500mm、高度2350mm。豎向單邊采用隱框方式，其余三邊采用明框方式固定；該幕墻工程風荷載標準值Wk取為1500Pa。下面針對該玻璃板塊撓度變化采用公式法、有限元法和實測法一一進行測算，并對結(jié)果進行探討。2、公式法《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003中框支承玻璃幕墻中空玻璃跨中撓度計算公式為：式中：df為風荷載標準值作用下?lián)隙茸畲笾?，mm；wk為垂直于玻璃幕墻平面的風荷載標準值，N/mm2；μ為撓度系數(shù)，按JGJ102-2003表6.1.3采用；η為折減系數(shù)，按JGJ102-2003表6.1.2-2采用；D為中空玻璃等效厚度，mm。對中空玻璃種類、規(guī)格和風荷載標準值已確定的玻璃幕墻工程，該公式為單變量一次線性函數(shù)，計算得到各級風荷載作用下?lián)隙茸畲笾狄姳?，曲線見圖2。表1根據(jù)規(guī)范公式計算各級風壓下的撓度值3、有限元法采用幾何非線性有限元方法計算中空玻璃面板A跨中撓度，結(jié)果見表2，曲線見圖2。表2采用幾何非線性有限元方法計算各級風壓下的撓度值對比發(fā)現(xiàn)，兩種計算方法所得結(jié)果相差甚遠。公式法所得結(jié)果曲線圖近似一次線性函數(shù)，有限元法所得結(jié)果曲線圖近似冪函數(shù)。為判斷哪種方法更接近真實情況，進行抗風壓性能測試，將公式法和有限元法結(jié)果與實測數(shù)據(jù)進行比較。4、實測法按照《建筑幕墻氣密、水密、抗風壓性能檢測方法》GB/T15227，以40%風荷載標準值(600Pa)為P1、風荷載標準值(1500Pa)為P3，進行抗風壓性能測試，得到各級風壓差下中空玻璃面板A撓度值，見表3和圖2。表3抗風壓性能檢測中各級風壓下的玻璃撓度實測值圖2中，曲線1是公式法所得結(jié)果，曲線2是有限元方法所得結(jié)果，曲線3是實測結(jié)果。圖2公式法、有限元法計算所得撓度值(曲線1、2)與實測撓度值(曲線3)5、結(jié)果分析5.1計算結(jié)果分析圖2可見，曲線1近似一次線性函數(shù)。雖然《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003對大撓度玻璃面板計算已利用折減系數(shù)η修正，但η取值偏安全，造成在風荷載作用下玻璃撓度計算值比實測值偏大較多。曲線2、3變化趨勢相對接近，表明按照幾何非線性有限元方法所得結(jié)果更接近實際情況：大撓度中空玻璃在風荷載作用下，撓度變化呈非一次線性函數(shù)變化。從本例可以看出，在+1500Pa風荷載下實際撓度值為33.18mm，與規(guī)范公式計算結(jié)果60.58mm相差甚遠(計算值偏大82.6%)，而與幾何非線性有限元方法計算結(jié)果40.36mm較為接近(計算值偏大21.6%)。5.2檢測結(jié)果分析《建筑幕墻氣密、水密、抗風壓性能檢測方法》GB/T15227-2007對幕墻玻璃面板變形的評定原則為：變形檢測時，在40%風荷載標準值(Wk)作用下，相對面法線撓度應小于或等于f0/2.5；安全檢測時，在風荷載標準值(Wk)作用下對應的相對面法線撓度應小于或等于允許撓度f0。這一評定原則的前提是構(gòu)件撓度變化符合一次線性函數(shù)變化規(guī)律，對包括中空玻璃在內(nèi)的各類構(gòu)件均適用，但試驗表明用于中空玻璃判定較為困難。由該評定原則可知，中空玻璃面板A對應f0/2.5、f0的撓度(限值)見表4。表4中空玻璃面板A對應f0/2.5、f0的撓度(限值)撓度實測值與表4中標準規(guī)定的撓度限值數(shù)據(jù)繪制成曲線，見圖3。

圖3撓度實測值與標準規(guī)定的撓度限值比較可知，在600

Pa(P1)風壓差下，中空玻璃實際最大撓度為22.41

mm，大于f0/2.5對應撓度15.67mm，不滿足檢測標準要求。但在1500Pa(P3)風壓差下，中空玻璃實際最大撓度為33.18

mm，小于f0對應撓度39.17mm，滿足檢測標準要求。那么，能否僅憑f0/2.5對應撓度情況就判定其不合格，而置f0對應撓度情況于不顧呢?《建筑幕墻氣密、水密、抗風壓性能檢測方法》GB/T15227-2007對幕墻受力構(gòu)件在風荷載下?lián)隙认拗狄?，實際上是對f0/2.5(±P1)下和f0(±P3)下的雙重要求，但最終判定應落在“對應Wk的f0(±P3)”。本例中不應僅憑f0/2.5對應中空玻璃撓度情況就判定其不合格，而應以±P3下?lián)隙葘崪y值與f0比較判定。特別說明，《建筑幕墻氣密、水密、抗風壓性能檢測方法》GB/T

15227-2019已要求測試風荷載標準值(Wk,對應P3)下的撓度值和風荷載設(shè)計值下的安全性能。6、結(jié)論公式法、有限元法和實測法是中空玻璃撓度變化的三種測評方法，本文通過典型案例對三種方法下中空玻璃撓度變化進行了對比分析，給出了計算和檢測建議。公式法計算結(jié)果曲線近似一次線性函數(shù)，雖然已考慮折減系數(shù)修正，但在較大風荷載作用下玻璃撓度計算值比實測值偏大較多；而按照幾何非線性有限元方法所得結(jié)果更接近實際情況。按照GB/T15227-2007對