夹层玻璃柱的蠕变屈曲及开裂后结构性能研究

Laminated glass, consisted of brittle skins and ductile cores, plays a critical role in safety performance of glass structures. This research is proposed with the aims to investigate the creep buckling behavior and post-breakage performance of laminated glass columns. Underpinned by composite beam/sandwich plate theories allowing for elastic interaction between skin-core interfaces, this research will be carried out using the method of theoretical analysis, explicit numerical simulation, together with full-scale experimental verification. In the research the creep effect of viscoelastic core material will be considered by Maxwell–Wierchert material model. The objectives of the research include establishing an analytical model for creep buckling analysis of laminated glass, and developing a numerical model capable of simulating the complete failure process, i.e. creep buckling, skin cracks initiation and propagation. Through this research, it is expected to reveal the influence mechanism of the creep effect of interlayers on the stability capacity and post-breakage performance of laminated glass, to propose a design method for the stability capacity with respect to time, and to develop a quantitative assessment method for the post-breakage performance. The research findings can not only promote the development of structural glass design theories, but also provide scientific support to design code compile and engineering application of glass structures. The research findings can also be generally used for all other composite structures made of brittle skins and viscoelastic cores.

由脆性面层与延性芯层组成的夹层玻璃对玻璃结构的安全性能具有关键作用。本项目拟基于可以考虑面层与芯层弹性连接的组合梁/夹层板理论，引入描述芯层粘弹性属性的Maxwell–Wierchert本构模型，利用显式数值仿真模拟，结合足尺试验验证，研究夹层玻璃柱的蠕变屈曲性能与玻璃开裂后的结构表现，建立考虑胶片蠕变效应的夹层玻璃柱屈曲分析模型，开发适用于分析夹层玻璃柱蠕变屈曲、面层开裂、裂缝发展全过程的数值仿真模型。通过本项目研究，可望在理论上揭示胶片蠕变效应对夹层玻璃柱稳定性承载力及破坏后结构性能的影响机理，建立考虑时间为变量时的夹层玻璃柱的稳定性承载力设计方法，提出夹层玻璃柱开裂后结构性能的量化评估方法。项目的研究成果可以推进玻璃结构设计理论的发展，为相关设计规范制定与工程应用提供科学依据，对保障玻璃结构安全具有重要意义。研究成果同时适用于所有由脆性面层与粘弹性芯层组成的组合结构。

玻璃因为具有采光、装饰、耐久等特点，在建筑中被当作外围护构件以及装饰性构件已有多年的历史。近年来，随着玻璃加工技术、设计技术的提高以及社会经济发展的需要，直接承受荷载的结构玻璃成为建筑玻璃应用的最新趋势。为了解决玻璃脆性破坏问题，结构玻璃构件一般采用将两片或多片玻璃用高分子聚合材料胶片粘结形成的夹层玻璃。夹层玻璃的结构表现较为复杂，一方面由于截面存在粘弹性胶片，其弯曲变形不符合平截面假定且弯曲刚度会随时间发生衰减，另一方面由于构件长细比、截面宽厚比较大，其承载能力往往由非线性稳定性控制。本项目研究了细长平板夹层玻璃构件的初始几何缺陷特征值，测试了夹层玻璃柱在短期荷载与长期荷载作用下的受力性能，采用Maxwell–Wierchert本构模型考虑中间层胶片粘弹性效应并通过理论与数值方法分析了夹层玻璃柱的时变承力性能，探讨了夹层玻璃柱在胶片蠕变效应下的非线性屈曲表现机理；利用组合结构理论推导了多层夹层玻璃柱侧向挠度与轴力的关系曲线，提出了适用于多层夹层玻璃柱的屈曲临界荷载计算公式；基于Ayrton-Perry公式，经与试验数据与数值模拟数据校准，提出了适用于工程设计的夹层玻璃柱蠕变屈曲设计方法；研究了夹层玻璃在轴心受压、纯弯曲、压弯、冲击致损后静载作用等四种受力模式下的玻璃开裂后受力性能，揭示了中间层胶片材料属性、构件横截面胶片占比、剪跨比、轴压比等参数对夹层玻璃破坏模态及相应的开裂后残余结构表现的影响规律与机理；确定了夹层玻璃压弯构件的N-M相关设计曲线中的指数取值；提出了基于破坏模式的夹层玻璃开裂后承载力的计算模型和设计方法。本项目以玻璃结构工程建设的实际需求为背景，针对玻璃结构设计中存在的关键技术问题，开展应用基础性研究，研究成果为玻璃结构设计规范的编制提供技术了依据，为在工程建设中安全、经济地推广应用夹层玻璃提供了技术支撑。