一种获取冷弯扭曲单片钢化玻璃承载力的方法与流程

本发明涉及玻璃幕墙结构领域，特别涉及一种获取冷弯扭曲单片钢化玻璃承载力的方法。

背景技术：

近年来随着建筑设计的发展和多元化，建筑外立面造型呈现出前所未有的独特性和复杂性，同时曲面玻璃幕墙也被大量应用到建筑外立面的设计中。长期以来，玻璃幕墙曲面造型的实现主要有两种方式：一种方式是将曲面划分为较小的单元，利用较小的平面玻璃板拼接近似模拟曲面效果，显然这很难达到设计的建筑整体艺术效果，同时当玻璃幕墙的曲面造型较复杂时，则可能需要将玻璃面板划分为大小不一、不同形状的板块，所以这种曲面造型的施工方式仅适用于较规则的曲面造型且弯曲幅度较小的玻璃幕墙；别一种方式是将玻璃面板划分为规则的板块，然后在工厂依据设计的曲面造型要求逐一进行热弯成型，这种方式能够保证较好的建筑效果，但工程造价将大幅提高，对工艺要求较高，同时耗能较大，尤其是非常复杂的曲面玻璃幕墙造型，可能要针对每块曲面玻璃板单独制作一个热弯成型的模具，如此一来，制作成本和加工工艺的难度都大大增加。于是，一种针对曲面玻璃幕墙新型施工方法便应运而生，即玻璃幕墙的冷弯成型法，该施工方法充分利用了玻璃自身具有一定弹性变形能力的特点，施工时先按幕墙曲面的造型安装好支承体系，然后根据设计的曲面玻璃幕墙造型，在平面玻璃板上设计一定的作用力使其强制就位，这种施工方法能很好地满足对于建筑艺术造型的要求，并且施工方法简洁，能大幅缩短施工工期，由于避免了制作大量热弯模具，成本也有显著降低，因此，近年来冷弯成型施工方法在国内外一些大型复杂 工程建设项目中得到运用。

虽然冷弯成型的玻璃幕墙在不少工程项目中得到运用，但目前关于冷弯成型玻璃幕墙的相关试验和理论研究成果极少，同时我国现行玻璃幕墙设计规范《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ102-2003)和《点支式玻璃幕墙工程技术规程》(CECS127：2001)，均未对冷弯成型玻璃幕墙的设计和计算进行相关规定，目前几乎所有涉及冷弯成型玻璃幕墙工程项目的设计和施工都需要单独依靠经验和根据工程的实际情况设计试验进行模拟，冷弯过程中应力分布情况，通过最大应力判断冷弯的安全性能，玻璃不同的曲面造型在设计风压作用下应力和挠度是否满足规范要求，没有统一的规范规定，使得造成了大量的人力、物力、财力的浪费，这给工程项目的设计和施工带来了极大的不便。

公开于该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种获取冷弯扭曲单片钢化玻璃承载力的方法，从而克服现行玻璃幕墙设计规范均未对冷弯成型玻璃幕墙的设计和计算进行相关规定，使得工程造成了大量的人力、物力、财力的浪费的缺点。

为实现上述目的，本发明提供了一种获取冷弯扭曲单片钢化玻璃承载力的方法，包括以下步骤：

S101：获取单片平面钢化玻璃在风荷载作用下的初始最大应力和初始最大挠度；

S102：对所述单片平面钢化玻璃冷弯扭曲，获取冷弯扭曲后单片平面钢化玻璃的玻璃厚度和扭曲率；

S103：根据所述玻璃厚度和所述扭曲率分别获取冷弯扭曲单片钢化玻璃 在风荷载作用下的冷弯应力系数和冷弯挠度系数；

S104：根据所述冷弯应力系数结合初始最大应力和根据所述冷弯挠度系数结合初始最大挠度分别获取冷弯扭曲单片钢化玻璃的实际最大应力、实际最大挠度。

优选地，上述技术方案中，获取冷弯扭曲后所述单片平面钢化玻璃的玻璃厚度和扭曲率具体包括：

S201：建立所述单片平面钢化玻璃冷弯扭曲的有限元模型；

S202：根据有限元模型模拟获取冷弯扭曲单片钢化玻璃对应单片平面钢化玻璃的模拟最大应力、模拟最大挠度；

S203：根据所述模拟最大应力和所述初始最大应力获取模拟冷弯应力系数，根据所述模拟最大挠度和所述初始最大挠度获取模拟冷弯挠度系数；

S204：基于所述模拟冷弯应力系数和所述模拟冷弯挠度系数提取单片平面钢化玻璃冷弯扭曲后的玻璃厚度和扭曲率。

优选地，上述技术方案中，所述单片平面钢化玻璃的初始最大应力具体为：

${\mathrm{\σ}}_{wk1}=\frac{6{\mathrm{mw}}_k{b}^2}{t^2}\mathrm{\η}---\left(1\right)$

所述单片平面钢化玻璃的初始最大挠度具体为：

$d_{f1}=\frac{{\mathrm{\μw}}_k{b}^4}{D}\mathrm{\η}---\left(2\right)$

其中，σ_wk1为初始最大应力，w_k为垂直于玻璃幕墙平面的风荷载作用标准值，η折减系数，b为支承间矩形玻璃长边边长，t为玻璃厚度，d_f1为初始最大挠度，m为弯矩系数，μ为挠度系数，D为单片钢化玻璃刚度。

优选地，上述技术方案中，所述冷弯应力系数为：

λ_σ＝(2.64t+1.72)β+1 (3)

所述冷弯挠度系数为：

λ_d＝(3.05t-4.93)β+1 (4)

其中，t为玻璃厚度，β为扭曲率。

优选地，上述技术方案中，所述实际最大应力为：

${\mathrm{\σ}}_{wk}=\frac{6{\mathrm{mw}}_k{b}^2}{t^2}\mathrm{\η}\[(2.64t+1.72)\mathrm{\β}+1\]---\left(5\right)$

所述实际最大挠度为：

$d_f=\frac{{\mathrm{\μw}}_k{b}^4}{D}\mathrm{\η}\[(3.05t-4.93)\mathrm{\β}+1\]---\left(6\right)$

其中，σ_wk为实际最大应力，d_f为实际最大挠度。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明提出冷弯扭曲单片钢化玻璃在风荷载作用下承载力设计方法，为冷弯单片钢化玻璃板相关设计规范的编制提供良好的参考依据，为冷弯玻璃幕墙的设计和计算提供指导建议。

附图说明

图1是根据本发明获取冷弯扭曲单片钢化玻璃承载力的方法的流程图。

图2是根据本发明玻璃冷弯及冷弯成型后在均布荷载作用下的示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

除非另有其它明确表示，否则在整个说明书和权利要求书中，术语“包 括”或其变换如“包含”或“包括有”等等将被理解为包括所陈述的元件或组成部分，而并未排除其它元件或其它组成部分。

现行玻璃幕墙设计规范中，对点支单片平面钢化玻璃在风荷载作用下，玻璃截面初始最大应力和初始最大挠度标准值可按下列公式计算：

${\mathrm{\σ}}_{wk1}=\frac{6{\mathrm{mw}}_k{b}^2}{t^2}\mathrm{\η}---\left(1\right)$

$d_{f1}=\frac{{\mathrm{\μw}}_k{b}^4}{D}\mathrm{\η}---\left(2\right)$

$\mathrm{\θ}=\frac{w_k{b}^4}{{\mathrm{Et}}^4}---\left(3\right)$

式中：θ为参数；σ_wk1为风荷载作用下冷弯玻璃的初始最大应力标准值(N/mm²)；w_k为垂直于玻璃幕墙平面的风荷载作用标准值(N/mm²)；b为支承间矩形玻璃长边边长(mm)；t为玻璃厚度(mm)；E为玻璃的弹性模量(N/mm²)；d_f1为在风荷载标准值作用下初始挠度最大值(mm)；η折减系数；m为弯矩系数，按玻璃幕墙工程技术规范JGJ102-2003表8.1.5-1采用；μ为挠度系数，按玻璃幕墙工程技术规范JGJ102-2003表8.1.5-2采用；D为单片钢化玻璃刚度，按下式计算：

$D=\frac{{\mathrm{Et}}^3}{12(1-v^2)}---\left(4\right)$

式中，ν为泊松比。

本申请中各个参数的的含义及取值仍与现行规范一致，同时引入两个冷弯影响参数：冷弯应力系数λ_σ和冷弯挠度系数λ_d，其含义分别为相同外观尺寸的冷弯成型玻璃与平面玻璃在相同荷载作用下最大应力比值和最大挠度比值，现在将冷弯扭曲成型钢化玻璃在风荷载作用下的最大应力和最大挠度的求解，转化为对λ_σ和λ_d变化规律的研究。

如图1所示，根据本实施例优选的获取冷弯扭曲单片钢化玻璃承载力的方法，包括以下步骤：

S101：获取单片平面钢化玻璃在风荷载作用下的初始最大应力和初始最大挠度；

S102：对单片平面钢化玻璃冷弯扭曲，获取冷弯扭曲后单片平面钢化玻璃的玻璃厚度和扭曲率；

S103：根据玻璃厚度和扭曲率分别获取冷弯扭曲单片钢化玻璃在风荷载作用下的冷弯应力系数和冷弯挠度系数；

S104：根据冷弯应力系数结合初始最大应力和根据冷弯挠度系数结合初始最大挠度分别获取冷弯扭曲单片钢化玻璃的实际最大应力、实际最大挠度。

步骤S102中获取冷弯扭曲后单片平面钢化玻璃的玻璃厚度和扭曲率具体包括：

S201：建立单片平面钢化玻璃冷弯扭曲的有限元模型；

其中，根据单片平面钢化玻璃冷弯成型的承载试验结果，试验示意图见图2，在图2中，玻璃长边和短边边长分别为a和b，玻璃厚度为t。首先，将矩形玻璃通过约束角钢1水平放置在设计的钢框架上，保证玻璃P1、P3、P4三个角点固定在同一平面上，利用加载装置在P2角点施加垂直玻璃表面向下的冷弯位移s，然后利用钢压板将玻璃两条长边固定，两条短边呈自由边界条件。再在冷弯成型的曲面玻璃表面施加均布荷载F。运用有限元分析软件ABAQUS建立单片平面钢化玻璃冷弯扭曲的有限元模型。

S202：根据有限元模型模拟获取冷弯扭曲单片钢化玻璃对应单片平面钢化玻璃的模拟最大应力、模拟最大挠度；

对有限元模拟结果进行L₁₆(4⁴)正交设计，其中玻璃厚度t取四种水平，即6mm、8mm、10mm、12mm，玻璃短边与长边之比a/b取四种水平，即0.4(1000mm/2500mm)、0.6(1500mm/2500mm)、0.8(2000mm/2500mm)、1.0(2500mm/2500mm)，将冷弯位移s与玻璃对角线长度c的2倍的比值定义为扭曲率β，即β＝s/2c×100％，扭曲率β取四种水平，即0.25％、0.50％、0.75％、 1.00％，均布荷载q取四种水平，即0.5kN/m²、1.0kN/m²、1.5kN/m²、2.0kN/m²，模拟得到冷弯扭曲单片钢化玻璃及对应单片平面钢化玻璃的模拟最大应力和模拟最大挠度。

S203：根据模拟最大应力和初始最大应力获取模拟冷弯应力系数，根据模拟最大挠度和初始最大挠度获取模拟冷弯挠度系数；

S204：基于模拟冷弯应力系数和模拟冷弯挠度系数提取单片平面钢化玻璃冷弯扭曲后的玻璃厚度和扭曲率。

根据正交模拟结果对模拟冷弯应力系数λ_σ和模拟冷弯挠度系数λ_d进行方差分析，表明主要影响因素是玻璃厚度t和扭曲率β，因此，可以通过主要影响因素玻璃厚度t和扭曲率β对冷弯应力系数λ_σ和冷弯挠度系数λ_d进行求解。

接下来，在步骤S103中，仅考虑主要影响因素对λ_σ和λ_d进行线性回归分析得到λ_σ和λ_d的拟合公式见下式。

λ_σ＝(2.64t+1.72)β+1 (5)

λ_d＝(3.05t-4.93)β+1 (6)

所以，根据冷弯应力系数λ_σ的定义，步骤S104中冷弯扭曲单片玻璃在风荷载作用下实际最大应力的计算，可按现行玻璃幕墙规范对平面玻璃的公式(1)计算最大应力，按拟合公式(5)计算冷弯应力系数λ_σ，然后将两者相乘即可得到。计算公式如下：

${\mathrm{\σ}}_{wk}=\frac{6{\mathrm{mw}}_k{b}^2}{t^2}\mathrm{\η}\[(2.64t+1.72)\mathrm{\β}+1\]---\left(7\right)$

式中：σ_wk为风荷载作用下冷弯扭曲玻璃的实际最大应力标准值(N/mm²)；w_k为垂直于玻璃幕墙平面的风荷载作用标准值(N/mm²)；m为弯矩系数，按玻璃幕墙工程技术规范JGJ102-2003表8.1.5-1采用；b为支承间矩形玻璃长边边长(mm)；η为折减系数，按玻璃幕墙工程技术规范JGJ102-2003表6.1.2-2采用。t为玻璃厚度(mm)；β为扭曲率。

根据冷弯挠度系数λ_d的定义，冷弯扭曲单片玻璃在风荷载作用下实际最大挠度的计算，可按现行玻璃幕墙规范对平面玻璃的公式(2)计算最大挠度，然后按拟合公式(6)计算冷弯挠度系数λ_d，两者相乘即可得到。计算公式如下：

$d_f=\frac{{\mathrm{\μw}}_k{b}^4}{D}\mathrm{\η}\[(3.05t-4.93)\mathrm{\β}+1\]---\left(8\right)$

式中：d_f为风荷载作用下冷弯扭曲玻璃实际挠度最大值(mm)；w_k为垂直于玻璃幕墙平面的风荷载作用标准值(N/mm²)；μ为挠度系数，按玻璃幕墙工程技术规范JGJ102-2003表8.1.5-2采用；b为支承间矩形玻璃长边边长(mm)；η为折减系数，按玻璃幕墙工程技术规范JGJ102-2003表6.1.2-2采用。D为单片玻璃的刚度，可按式(4)计算；t为玻璃厚度(mm)；β为扭曲率。

综上，本发明关键在于引入两个冷弯影响参数：冷弯应力系数λ_σ和冷弯挠度系数λ_d，建立起冷弯成型玻璃与普通平面玻璃的联系，从而简化了冷弯玻璃的计算分析，并通过有限元软件模拟得到冷弯应力系数λ_σ和冷弯挠度系数λ_d的计算公式，得到了冷弯玻璃最大应力和最大挠度的计算公式。

同时，本申请是在试验和理论分析的基础上，根据现行玻璃幕墙设计规范，提出了冷弯扭曲单片钢化玻璃在风荷载作用下最大应力和最大挠度的计算公式，为冷弯成型玻璃幕墙工程项目的设计和施工提供统一的设计依据，对冷弯单片玻璃板相关设计规范的编制具有良好参考价值，避免了对冷弯成型玻璃幕墙工程项目施工都需要单独进行试验和理论分析，节省大量的人力、物力、财力。

前述对本发明的具体示例性实施方案的描述是为了说明和例证的目的。这些描述并非想将本发明限定为所公开的精确形式，并且很显然，根据上述教导，可以进行很多改变和变化。对示例性实施例进行选择和描述的目的在于解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的技术人员能够实现并利用本发明的各种不同的示例性实施方案以及各种不同的选择和改变。 本发明的范围意在由权利要求书及其等同形式所限定。