摘 要：介紹了安全、節能的新型SGP夾層玻璃，運用復合材料的彈性力學(xué)概念對改進(jìn)現行夾層玻璃力學(xué)計算進(jìn)行了探討，提出了適用于玻璃采光頂和玻璃外窗、幕墻的夾層玻璃的設計計算。

　　關(guān)鍵詞：防飛濺防墜落玻璃；防臺風(fēng)玻璃；SGP夾層玻璃；剛性復合狀態(tài)；彈性復合狀態(tài)；分離復合狀態(tài)；粘彈性力學(xué)；復合材料彈性力學(xué)

　　一、前言

　　1.1什么是夾層玻璃？

　　夾層玻璃是由兩片或兩片以上玻璃，由中間層與玻璃牢固的韌性粘接合成的復合玻璃制品。中間層一般為透明的有機材料。夾層玻璃具有很高的抗沖擊和抗貫穿性能，在受到?jīng)_擊破碎時(shí)，使得無(wú)論垂直安裝還是傾斜安裝，均能抵擋意外撞擊的穿透。一般情況下，而且還能保持一定的可見(jiàn)度，從而起到安全防護作用。因此，又稱(chēng)為夾層安全玻璃。

　　1.2夾層玻璃在建筑物上的應用：

　�。�1）外開(kāi)窗、屋面玻璃、吊頂、采光窗等部位

　　這些部位均可使用夾層玻璃。特別是當屋面玻璃最高點(diǎn)距離地面大于5m時(shí)，必須使用夾層玻璃。

　�。�2）人群集中的公共場(chǎng)所和運動(dòng)場(chǎng)所中裝配的有框玻璃隔斷、電梯上用于展望外景的展望窗、樓梯扶手用玻璃、屋頂廣場(chǎng)及陽(yáng)臺欄桿等

　　這些部位均可使用夾層玻璃。這些部位均是與人體接觸較多的部位，夾層玻璃不僅可以降低玻璃破裂后剝落碎片對人體的傷害，還可以確保沖撞人體不會(huì )由于玻璃從框架中的脫落而墜落，同時(shí)也保證了欄桿下方人身與財產(chǎn)的安全。

　�。�3）室內隔斷及展覽櫥窗

　　這些部位使用夾層玻璃時(shí)，隔斷及櫥窗的面積大小會(huì )因空間和墻面的大小及設計師的設計而不同。

　�。�4）浴室內用玻璃

　　主要使用在洗浴空間與衛生潔具的隔斷部位。

　�。�5）幕墻

　　當PVB夾層玻璃用于幕墻時(shí)，框支承玻璃幕墻用夾層玻璃的單片玻璃厚度不得小于5mm；采用浮頭式連接件的點(diǎn)支承玻璃幕墻用夾層玻璃的單片玻璃厚度不得小于6mm，采用沉頭式連接件的點(diǎn)支承玻璃幕墻，用夾層玻璃的單片玻璃厚度不得小于8mm.

　�。�6）水族館和游泳池的觀(guān)察窗、觀(guān)察孔

　　一般情況下，這些部位應使用夾層玻璃。一旦玻璃意外破裂，夾層玻璃仍可以完整地保持在框架內，使管理人員有機會(huì )進(jìn)行更換，避免重大損失。

　�。�7）特殊夾層玻璃的應用夾層玻璃在上述部位的應用可以滿(mǎn)足建筑物的相關(guān)安全要求。

　　由于夾層玻璃的特殊結構，必要時(shí)，如果通過(guò)采用特殊的原材料和專(zhuān)門(mén)的制作工藝，夾層玻璃還可以成為一些能承受住各種復雜的動(dòng)態(tài)結構荷載的特殊的安全玻璃產(chǎn)品，如：防盜玻璃、防彈玻璃、防爆（炸）玻璃、電磁屏蔽玻璃（電子保密玻璃）、防臺風(fēng)玻璃、防震玻璃等。

　　二、防止玻璃外窗、幕墻和玻璃采光頂的玻璃爆裂需要防飛濺、防墜落的玻璃。

　　2.1哪些是防飛濺防墜落玻璃。

　　1）粘接不掉、嵌固不墜的夾層玻璃。

　　2）粘接不掉、嵌固不墜的夾膠玻璃貼膜玻璃。日本高層建筑玻璃幕墻上使用（全）鋼化玻璃，必須增貼一層防飛散膜，以確保安全。

　　3）粘接不掉或嵌固不墜的半鋼化玻璃。如果半鋼化玻璃破壞時(shí)，盡管其碎片大，仍有可能保留在框架中，而維持不散落則其傷人的可能性反而會(huì )小些。

　　2.2玻璃采光頂和高層建筑玻璃外窗、幕墻宜使用防飛濺防墜落玻璃。

　　玻璃采光頂和高層建筑玻璃外窗、幕墻不宜使用全鋼化玻璃。鋼化玻璃自爆是當前玻璃幕墻、玻璃采光頂安全迫切需要觧決重要的問(wèn)題。但是對于安全玻璃的概念，傳統的概念是，（全）鋼化玻璃屬于安全玻璃。其根據除了強度較高外，主要是由于（全）鋼化玻璃破碎時(shí)會(huì )整塊玻璃全部破碎成蜂窩狀鈍角小顆粒，不易傷人。通過(guò)這次調查和眾多事故實(shí)踐，對于這一概念提出了質(zhì)疑，關(guān)于高層建筑玻璃幕墻、玻璃采光頂使用安全玻璃問(wèn)題，有討論的必要。對于高層建筑玻璃幕墻、玻璃采光頂使用安全玻璃，其安全的主要擔心是玻璃破碎高空墜落傷人。這里應該包含三部分要求：

　　1）是玻璃具有足夠的強度，使其承受設計荷載不破壞。

　　2）是玻璃具有防碰碎散落性，使其處于破碎狀態(tài)時(shí)保證不會(huì )墜落飛散——隨而不散落；

　　3）是玻璃具有不易傷人的破壞形態(tài)，避免大塊銳利碎片，而呈鈍角，圓滑小顆粒狀——但若從高空散落則有落則不論形態(tài)。以上三要素應該是把握與控制高層建筑玻璃外窗、幕墻、玻璃采光頂安全玻璃的要點(diǎn)。

　�。ㄈ�）鋼化玻璃具備較高強度和其破壞形態(tài)為鈍角小顆粒這兩個(gè)安全因素，但不具備防破碎散落性這一對高層建筑玻璃幕墻而言關(guān)鍵性的安全因素、因此而帶來(lái)的不安全后果是，（全）鋼化玻璃破碎后的大群呈鈍角的碎片，從高處和高層散落而下，即使顆粒較小，但速度已很大，同樣能傷人。其中的罪魁禍首便是自由落體重的重力速度。所以，對建筑玻璃幕墻、玻璃采光頂的玻璃是否安全，最重要的是不破壞和碎片不散落。不論何種形態(tài)的玻璃碎片，從高處、高層建筑上散落而下，都是危險的甚至是致命的。 此外，（全）鋼化玻璃自爆破壞是無(wú)先兆的，是目前尚無(wú)有效的完全防止的方法，是玻璃的癌癥，玻璃自爆破碎和高空散落，便成為高層建筑玻璃幕墻、玻璃采光頂使用（全）鋼化玻璃并不安全的基本技術(shù)依據。因此，在一定高度下使用（全）鋼化玻璃被認為是安全的，而超過(guò)一定高度使用它則應認為是不安全的。安全是一個(gè)相對的概念，是有條件的；不是絕對的，無(wú)條件的。對安全玻璃的傳統概念，脫離使用條件，僅僅只從其碎片形態(tài)來(lái)定義，可能是不全面的。因此，在很多國外玻璃幕墻技術(shù)標準和規范中都明確玻璃幕墻、玻璃采光頂使用防飛濺防墜落玻璃�！皬姸�不自爆，碎而不散落”防飛濺防墜落玻璃才是玻璃幕墻、玻璃采光頂使用的安全玻璃。

　　2.3臺風(fēng)地區的玻璃外窗、幕墻和玻璃采光頂更需要防飛濺、防墜落防臺風(fēng)玻璃。

　　2.3.1臺風(fēng)是大氣層氣壓突然轉變所引起的，臺風(fēng)從海面吹上岸及經(jīng)過(guò)建筑吋，建筑物除受到威力巨大的狂風(fēng)襲擊之外，有時(shí)還會(huì )遭到風(fēng)暴中被卷起的碎石、樹(shù)枝等雜物的襲擊，這種沖擊荷載促使鋼化玻璃爆裂飛濺。

　　2.3.2臺風(fēng)地區的玻璃外窗、幕墻和玻璃采光頂的玻璃爆裂飛濺之后，建筑物出現破洞，風(fēng)將直入建筑物內造成強大內壓，臺風(fēng)的外、內壓共同作用，掀翻屋頂、墻壁倒塌。

　　2.3.3防臺風(fēng)玻璃可抵抗夾帶碎石風(fēng)暴的撞擊而不會(huì )破碎。即使碎了，破了玻璃也要l留在窗框里，而不會(huì )掉落。保留在窗口的玻璃必須能抗拒不斷轉變風(fēng)向的強風(fēng)。這就是防臺風(fēng)玻璃。

　　2.3.4臺風(fēng)對玻璃窗口與窗板開(kāi)口的影響情況。

　　研究表明，當臺風(fēng)襲來(lái)時(shí)，在9m以下的窗口需能抵抗大塊石塊的擊穿，在9m以上的窗口需能抵抗來(lái)自附近的瓦礫及其他小塊雜物的沖擊。通過(guò)一系列的測試對臺風(fēng)多發(fā)地區的外玻璃進(jìn)行設計與選擇，

　　三、新型SGP夾層玻璃

　　3.1夾層玻璃中間層膠合層應具備如下特征：

　�、贌o(wú)色、有較高的透明度；

　�、谖鼭裥缘�，以防止水分子侵入膠合層，產(chǎn)生氣泡或脫膠；

　�、塾辛己玫臒岱�定性，能經(jīng)受溫度的變化而膠合層不脫膠或玻璃不被破壞，保證夾層玻璃的安全性；

　�、苡辛己玫墓夥�定性，保證夾層材料在光的作用下，不易變色或發(fā)脆，保證夾層玻璃的光學(xué)性能；

　�、萦辛己玫酿そY力，當玻璃受到撞擊破裂時(shí)，玻璃不脫落，保證人身安全；

　�、蘧哂辛己玫膹椥�，以增加夾層玻璃的抗穿透和吸振等性能。

　　建筑幕墻、門(mén)窗主要用干法夾層玻璃，符合上述要術(shù)有機膠合層材料主要為PVB膠片，EVA膠片用得很少。近年來(lái)開(kāi)發(fā)的SGP新膠片，性能優(yōu)良，SGP夾層玻璃在玻璃采光頂和玻璃外窗、幕墻應用前景廣闊、良好。

　　3.2 新型SGP膠簡(jiǎn)介SGP膠片是夾層玻璃離子聚合物中間膜。美國杜邦公司生產(chǎn)的SGP離子聚合物中間膜性能優(yōu)異，撕裂強度是普通PVB膜的5倍，硬度是PVB膜的30-l00倍。低變形率時(shí)，SGP夾層玻璃表現為彈塑料特性而PVB為超彈塑性，而高變形率時(shí)，PVB變硬并成為彈塑料特性，SGP在整個(gè)范圍內剛性較高。SGP夾層玻璃和同樣厚度的單片玻璃幾乎有相等的彎曲強度。同其他中間膜夾層玻璃相比，SGP夾層玻璃有更高的強度性能和剛性，可以有效地減少玻璃厚度，特別是有益于點(diǎn)式支撐玻璃。H.P.Whitc實(shí)驗室和標準國家研究所的性能測試表明，用相同厚度的SGP膜制成的夾層玻璃和聚碳酸酯制成的夾層玻璃性能相當。SGP膜夾層玻璃具有更好的保安防范性能。比如采用2.3mm厚的SGP膜制成的夾層玻璃可以成功抵擋高達200kPa（30psi）過(guò)壓的爆炸。

　　3.3 新型SGP夾層玻璃的應用

　　3.3.1結構玻璃首選產(chǎn)品與PVB相比，SGP與金屬之間以離子鍵方式結合，具有更強的黏結能力，黏結強度達到20.7MPa以上。是結構玻璃首選產(chǎn)品。

　　3.3.2隱點(diǎn)玻璃幕墻及采光頂。

　　上海東方藝術(shù)中心采用點(diǎn)支式玻璃幕墻，但與普通點(diǎn)支式不同之處在于其不銹鋼支承頭未露出夾層玻璃表面，而是隱藏于夾層玻璃中，這也是幕墻遠看如同全隱框膠粘玻璃幕墻的原因。這種做法在安德魯設計的日本大阪海事博物館中同樣出現過(guò)。這個(gè)建筑點(diǎn)支幕墻較為特別，內層玻璃采用沉頭連接件，外側玻璃整體（不開(kāi)孔）膠粘于放置了沉頭連接件的內層玻璃，稱(chēng)為隱點(diǎn)玻璃幕墻。隱點(diǎn)玻璃消除了連接點(diǎn)的漏水、漏氣，提升玻璃幕墻及采光頂的水密及氣密性能。

　　3.3.3夾膠節能玻璃。

　　SGP膜能與金屬有很優(yōu)良的粘接力，可與在線(xiàn)LOE玻璃結合而成夾膠節能玻璃，既有防飛濺的安全性，又有LOE玻璃的節能性。有望替代LOE中空玻璃。

　　3.3.4市場(chǎng)估測。2007-2020年平均每年新建玻璃幕墻1000（含點(diǎn)式玻璃幕墻）萬(wàn)平方米平均每年新建玻璃采光頂1000（含玻璃雨棚）萬(wàn)平方米平均每年新建窗玻璃10000萬(wàn)平方米平均每年節能改造玻璃幕墻、窗玻璃3000萬(wàn)平方米總計15000萬(wàn)平方米，若30%采用SGP夾膠玻璃和夾膠帶節能玻璃，則平均每年需求量將可能大于4500萬(wàn)平方米。

　　3.4推廣應用尚需解決的問(wèn)題。

　　3.4.1 SGP膠膜的開(kāi)發(fā)和生產(chǎn)。目前只有美國杜邦公司已開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)。不可全部依賴(lài)進(jìn)口，需要中國企業(yè)自主創(chuàng )新、或與杜邦合作創(chuàng )新開(kāi)發(fā)生產(chǎn)。

　　3.4.2 在中國建造SGP夾膠玻璃生產(chǎn)工藝和設備�；騍GP夾膠節能玻璃生產(chǎn)工藝和設備。

　　3.4.3興建 SGP夾膠玻璃或SGP夾膠節能玻璃幕墻及玻璃采光頂的產(chǎn)業(yè)鏈。

　　3.4.4 研發(fā)SGP夾膠玻璃或SGP夾膠節能玻璃幕墻及玻璃采光頂的設計理論、計算、施工、安裝及檢測試驗。

　　3.4.5 編制SGP夾膠玻璃或SGP夾膠節能玻璃幕墻及玻璃采光頂的材料、產(chǎn)品技術(shù)標準及工程技術(shù)規范。

　　四、夾層玻璃復合狀態(tài)及判別式：

　　4.1夾層玻璃受彎的三種狀態(tài)。

　�。�1）剛性復合狀態(tài)：膠有足夠的粘結強度，保證粘結玻璃的協(xié)調共同工作；可視其為以膠為粘結夾層的整體玻璃板受彎。則此夾層玻璃板可按一整塊，厚度為各層玻璃厚度之和的玻璃，進(jìn)行應力分析和強度計算。

　�。�2）分離復合狀態(tài)：膠的粘結強度不足或失效，不能考慮其參與玻璃板的共同受力。忽略該夾膠層抗彎貢獻，則可按一塊各片疊置的玻璃板的受彎工作，進(jìn)行應力分析和強度計算

　�。�3）彈性復合狀態(tài)：膠有足夠的粘結強度和剪切強度，夾膠層抗彎貢獻，介于剛性復合狀態(tài)：和分離復合狀態(tài)之間，按疊層板復合材料力學(xué)進(jìn)行應力分析和強度計算。

　　建設部幕墻門(mén)窗標準化技術(shù)委員專(zhuān)家組長(cháng)·龍文志