超大尺寸结构玻璃加工技术要点.doc

超大尺寸结构玻璃加工技术要点
1. 前言
　　建筑玻璃通常只有三种破坏形式：即弯曲破坏、冲击破坏和热炸裂，此外没有其它破坏形式。由于玻璃是完全的弹性体，至今没有玻璃抗压强度、拉伸强度和剪切强度的测量方法，因此玻璃没有抗压强度、拉伸强度和剪切强度的数值。通常采用的玻璃强度实际上是玻璃的弯曲强度。且不说玻璃是典型的脆性材料，不应作为工程结构材料使用，就是单从玻璃没有抗压强度、拉伸强度和剪切强度就无法实现玻璃构件的设计，如玻璃作为立柱使用至少应进行玻璃柱的压应力条件下的承载力计算，作为横梁使用至少应进行拉应力和剪应力条件下的承载力计算。由于玻璃没有抗压强度、拉伸强度和剪切强度，即使计算出玻璃构件中的压应力、剪应力和拉应力，也无法判断玻璃构件是否满足承载力要求。在传统概念下，建筑玻璃通常是不能作为工程结构材料使用的。
　　由于建筑玻璃表面存在大量的微裂纹，玻璃在破碎时表现为典型的脆性，即玻璃在破碎之前没有任何的屈服表现，而表现为突然的断裂，从这个意义上考虑建筑玻璃也不应作为工程结构材料使用。此外建筑玻璃在制作、运输、贮存和安装过程中难免在玻璃边部和表面产生大尺寸的撞伤或划伤，这些撞伤和划伤将极大地降低玻璃的强度，因此建筑玻璃作为典型的脆性材料，一般作为装饰材料使用。当被用于建筑外围护材料使用时，主要作为面板材料使用。随着建筑玻璃生产技术的不断提高，超白玻璃、钢化玻璃、复合夹层玻璃，特别是离子型中间膜(又被称为SGP)胶片材料出现后，夹层玻璃作为结构材料有了可能，并且已在一些工程实践中获得应用，即在一定条件下，玻璃也可作为结构材料使用，如全玻幕墙的玻璃肋，玻璃肋支承的点式玻璃幕墙的玻璃肋等。这些玻璃肋都是作为结构材料在使用，他们在设计使用时需要承担风荷载，有些还要承担玻璃幕墙面板的自重荷载。但这些玻璃构件的使用也只有在一定条件下才成立，特别是近年来超大尺寸结构玻璃在许多工程上得到应用，有成功的应用案例，也有失败的教训。本文结合工程案例介绍超大尺寸结构玻璃的加工技术要点，有关设计计算技术要点、构造技术要点、安装技术要点等将在后续文章中阐述。
　　2 玻璃加工要求
　　首先应选用超白浮法玻璃中的优等品，即市场上能够买到的最好的玻璃原片，因为玻璃原片品质的优劣是玻璃钢化后是否自爆的决定性因素。超大尺寸结构玻璃对玻璃表面的缺陷要求较高，通常不允许1.0mm以上的点状缺陷存在，对小于1.0mm的点状缺陷允许1处/10平米，小于0.5mm的点状缺陷相邻两个缺陷的间距必须大于300mm。玻璃表面的外观线状缺陷及影响玻璃性能的缺陷不允许存在。因为超大钢化玻璃必须进行均质处理，为了降低钢化玻璃均质的自爆率，所以在切割前必须对原片进行清洗检查，避免使用不合格的原片。严禁使用带有硬伤、厚度方向结石、密集微气泡的不合格原片。
　　然后对玻璃板应进行精准裁切和边部加工。一般玻璃的边长允许偏差通常为 mm，对于大尺寸的玻璃，边长允许偏差通常为 mm，甚至更大。对于结构玻璃而言，这样的边长允许偏差太大了，因为结构玻璃要求精准对位，边长允许偏差通常为 mm，边长偏差太大无法满足工程要求。结构玻璃边部要求倒角，且应进行三边精磨和三边抛光，因为玻璃板在裁切过程中在边部产生大量裂纹，这些裂纹会极大地降低玻璃板的端面强度，通过三边精磨、抛光，可将玻璃板边部的裂纹清除，达到提高玻璃强度的目的。结构玻璃通常需要在玻璃板上钻孔。一般玻璃的圆孔直径允许偏差通常为 mm，对于大孔径的玻璃，直径允许偏差更大。对于结构玻璃而言，这样的边长允许偏差太大了，结构玻璃要求的直径允许偏差通常为 mm。结构玻璃的孔径偏差要求不但高，而且孔边应进行精磨、抛光处理，因为玻璃板孔边应力集中，孔径尺寸偏差过大和孔边加工低，极易造成玻璃板在使用中由于孔边受力不均而自孔边开裂。
　　结构玻璃应进行钢化处理。如果认为钢化玻璃有自爆问题而采用半钢化处理是不合适的，因为结构玻璃通常需要在玻璃板上打孔，半钢化玻璃是无法满足开孔要求的。即便不开孔，结构玻璃也应采用钢化处理，因为玻璃是典型的脆性材料，钢化处理后，玻璃的脆性得到极大的改善，即玻璃的断裂韧度提高了。尽管目前还没有测量玻璃断裂韧度的方法，也没有规范采用断裂韧度来表征玻璃的力学性能，但玻璃的断裂韧度是客观存在的，作为结构玻璃，其断裂韧度的提高无疑是极为有利的半钢化处理的玻璃，其断裂韧度比钢化处理玻璃断裂韧度低得多，因此结构玻璃应进行钢化处理。至于钢化玻璃的自爆问题可通过以下途径解决：其一是结构玻璃原片必须采用超白浮法玻璃中的优等品。其二是适度钢化，即钢化玻璃允许碎片数应在30—90粒之间。其三是钢化玻璃表面压应力应均匀，即表面压应力最大值和最小值之差不应超过15MPa。其四是结构玻璃钢化后必须进行均质处理。其五是玻璃板边部精磨、抛光。采用这些措施，结构玻璃的自爆率应当极低。
　　结构玻璃应采用夹层玻璃。一般夹层玻璃可采用PVB胶片，但是结构玻璃必须采用SGP胶片，因为SGP的粘接性更强，且均有一定的残余强度，由SGP胶片构成的夹层玻璃的刚度更大。夹层玻璃都有叠差，一般夹层玻璃的叠差较大，对于大板面夹层玻璃，最大叠差可达6mm。作为结构玻璃，夹层玻璃的叠差非常小，不得超过1.0mm，特别是孔边的叠差更是严格限制，因为要保证组成夹层玻璃的多片玻璃共同工作，同时受力，玻璃板孔边必须保证叠差极小。结构玻璃的孔必须进行严格的质量控制，保证孔周受力均匀。
　　3 加工设备要求
　　(1)裁切、磨边抛光设备
　　目前没有标准规定多大的玻璃板为超大尺寸，一般认为玻璃板一边边长超过8m即为超大尺寸玻璃。如此大的板面，边长偏差要求小于1.0mm，采用一般裁切设备根本做不到，必须采用加工中心进行加工，因为加工中心的设备精度达到小数点后第八位，见图1。

图1玻璃加工中心
　　超大尺寸玻璃板的精磨边和抛光对磨边机的要求也比通常的磨边机要求。超大尺寸结构玻璃磨边时不但要控制好尺寸公差，还要严格控制磨边质量。宽度边尺寸控制在±1.0mm,高度边的尺寸公差控制在±2.0mm，对角线控制在对角线长度的0.05%，倒棱宽度控制在2.0mm±0.5mm。超大尺寸结构玻璃必须进行精磨边处理，端面须精磨光亮，多片玻璃的叠差控制在1.0mm以内。
　　(2)钢化设备
　　目前钢化设备最大的加工能力为3660mm*18000mm，超大尺寸钢化玻璃不但要控制好钢化玻璃的表面应力，还要控制好钢化玻璃的平整度和外观视觉效果。
　　超大尺寸钢化设备要求钢化玻璃的外观质量和视觉效果，即必须保证钢化玻璃的碎片数为30—90之间，钢化玻璃的表面应力必须大于90MPa，且钢化玻璃表面应力的最大值和最小值之差小于15MPa。对钢化炉内各点的温度差不得超过5度，并且要求快速均匀加热，迅速冷却，风压偏差不得超过2MPa，需要快速出炉从而形成钢化玻璃的表面应力。超大尺寸钢化玻璃的平整度控制在0.005%以内，同时要求超大尺寸玻璃的外观视觉效果，不得存在明显的变形和风斑不均现象。滚波纹的变形边部控制在0.08mm/300mm，中部波形控制在0.04mm/300mm，并要求辊波纹平行于底边。外观质量：距1米处目视观察不得出现明显的麻点和局部片状或团装的应力斑，钢化后的玻璃不得出现白雾缺陷。图2钢化玻璃表面压应力的实际测量结果，15米钢化玻璃应力值最大99MPa、最小90MPa，应力差9MPa。图3为钢化玻璃的碎片。

图2 钢化玻璃表面压应力数值

图3钢化玻璃碎片
　　超大尺寸结构玻璃必须采用均质钢化玻璃，均质过程中的温度必须达到290度±10度，在此条件下保温至少2小时(建议保温150分钟，因为超大尺寸玻璃面积大，受热不均匀，超大版玻璃自身重，为了保证恒温均匀)，在保温过程中时刻监控记录保温时的温度变化情况，降温时达到70度以下，均质采用的热电偶必须经过专业校准，并要求每年校准一次，超大尺寸结构玻璃均质时必须在玻璃表面贴热电偶，并按照均质要求的位置和数量进行张贴。均质完成后要对均质的玻璃提供完整的均质报告，否则判定均质处理不合格。
　　(3)高压釜
　　超大尺寸结构玻璃必须采用离子型中间层做为夹层玻璃的中间层，在加工中必须采用高温高压并进行封边处理，具有高强度的抗弯性能和超强的撞击性能，同时具有破碎后不倒塌的优点。
　　超大尺寸结构玻璃必须有一层离子型中间层或多次离子型中间层构成，需具备结构玻璃的设计要求。夹层必须在十万级以上的净化室内进行合片，合片室须有温湿度控制装置，并保持正压，光线充足良好。结构玻璃表面必须进行清洗，并且不残留其它异物，合片前对玻璃表面进行目视检查，对离子型中间层进行目视检查，对异物及时清除。

　　合片时保证结构玻璃的底边和可见边的叠差，对多层玻璃合片时需保证夹层玻璃的厚度方向与玻璃表面垂直，合片后预留1-2mm的中间层，由于玻璃板面较大，合片后需对玻璃边缘进行简单的固定。超大尺寸结构玻璃必须在真空状态下进行加工，保证夹层玻璃的中间层充分融化并粘接。对夹层结构玻璃进行涂刷封边剂处理，减少夹层玻璃因中夹层吸收空气中的水分而影响玻璃的使用寿命。
超大尺寸高压釜在提升气压和稳压方面都有更高的要求，要在恒温、恒湿、正压、10万级洁净合片室进行合片，对于厚度100mm的玻璃，在SGP夹层拼接技术上，视觉无缺陷，拼接缝肉眼达到不可视 。图4为合片室，图5为夹层玻璃孔边质量，图6为夹层玻璃边部质量。
图4 超洁净合片室

图5 夹层玻璃孔边质量

图6 夹层玻璃边部质量
　　4 失败案例原因
　　超大尺寸结构玻璃板应用的主要构件之一为点支式玻璃幕墙的玻璃肋。玻璃肋支承的点式玻璃幕墙往往被误认为全玻幕墙。玻璃肋支承的点式玻璃幕墙与全玻幕墙有较大的差异。图7为玻璃肋支承的点式玻璃幕墙，图8为全玻幕墙。全玻幕墙的面板玻璃和玻璃肋各自独立安装，两者虽然相互支承，但各自的垂直荷载由自身承担，玻璃肋只承担面板玻璃承受的水平荷载。如果玻璃肋发生破裂，表面玻璃不会坠落，因为表面玻璃独自安装在结构上，因此全玻幕墙一般不会发生整体坍塌、坠落的事故。但玻璃肋支承的点式玻璃幕墙则不同，面板玻璃安装在玻璃肋上，玻璃肋不但要承担自身的重力荷载，还要承担面板玻璃的重力荷载及面板玻璃所承受的水平荷载。如果玻璃肋发生破裂，面部玻璃就失去支撑，面部玻璃就会坠落，甚至发生幕墙整体坍塌坠落。因此玻璃肋支承的点式玻璃幕墙其安全性要求是极高的，也正因为如此，玻璃肋破裂的事故也是最多的。玻璃肋破裂的原因很多，如玻璃加工质量不满足要求、玻璃肋构造不合理、设计计算错误、装配应力过大等。本文主要讨论玻璃加工质量不满足要求导致的玻璃肋破裂，其他原因造成的玻璃肋破裂留待后续文章阐述。

图7玻璃肋支承的点支式玻璃幕墙
图8 全玻幕墙
　　玻璃肋破裂一部分表现为钢化玻璃的自爆，其原因有：选择普通平板玻璃，没有选择超白浮法玻璃中的优等品;钢化度过高，最大碎片颗粒数远远超过90粒;玻璃板边部没有精磨、抛光。其他原因还有玻璃板边部碰伤严重;玻璃板裁切尺寸偏差大。玻璃肋破裂另外一部分原因：1.安装方式不当，使用金属件直接接触玻璃。2.结构玻璃局部受力或受力不均，造成局部应力过大。
　　(1)原片玻璃质量
　　近年来，建筑钢化玻璃自爆现象比较普遍，为降低钢化玻璃自爆率，国家发布了《建筑门窗幕墙用钢化玻璃》JG/T455产品标准。在该标准中规定，应用幕墙钢化玻璃的原片玻璃应采用超白浮法玻璃中的一等品或优等品，平板玻璃应采用优等品。对于超大尺寸结构钢化玻璃应采用超白浮法玻璃中的优等品。但实际工程中，采用平板玻璃的工程很多，造成钢化玻璃自爆现象严重，有些玻璃还没有安装就发生自爆。钢化玻璃原片品质的优劣是钢化玻璃是否自爆的决定性因素，要保证超大尺寸结构玻璃应用的安全性，保证玻璃正常条件下使用无自爆，钢化玻璃原片必须采用超白浮法玻璃中的优等品。
　　(2)均质处理
　　经均质处理的钢化玻璃，其自爆率是极低的。由于钢化玻璃是否经过均质处理无法检测，造成在实际工程中，尽管对钢化玻璃有均质要求，但实际上并未对钢化玻璃进行均质处理，造成钢化玻璃自爆率居高不下。对于超大尺寸结构玻璃，必须进行均质处理。
　　(3)适度钢化
　　钢化度高，钢化玻璃自爆率就高，这是无可争论的客观事实。《建筑门窗幕墙用钢化玻璃》JG/T455产品标准规定，钢化玻璃允许碎片数应在30—90粒之间。对于超大尺寸结构玻璃，要保证钢化玻璃允许碎片数位于在30—90粒之间，对钢化炉和钢化工艺都有严格的要求。在实际工程中，许多自爆率高的工程，钢化玻璃的碎片数都远超90粒上限。
　　(4)边部加工质量
　　建筑门窗幕墙用钢化玻璃》JG/T455产品标准规定，钢化玻璃应进行三边精磨。对于超大尺寸结构玻璃应进行三边抛光处理。但在实际工程中，边部加工质量远远没有达到这一要求，造成玻璃破裂现象严重。
　　(5)玻璃边部碰伤严重
　　钢化玻璃边部不但要精加工，还要在运输、储存、安装等一切环节中妥善保护。玻璃边部碰伤严重，玻璃的破裂就难以避免了。
　　(6)尺寸偏差大
　　玻璃板尺寸偏差大，特别是孔边的叠差大是造成实际工程中玻璃肋破裂的主要原因。图9和图10是实际工程中玻璃肋出现自爆案例的图片。
图9工程1

图10工程2
　　由图9和图10可见，玻璃肋的原片玻璃为平板玻璃，边部加工粗糙，边部碰伤严重，孔边叠差较大，这样的玻璃是无法满足工程要求的，出现破裂是很正常的。
　　5 结束语
　　超大尺寸结构玻璃不仅用于玻璃肋支承的点支式玻璃幕墙，也用于全玻幕墙的玻璃肋和无肋全玻幕墙，各自的设计计算要点、构造要点和安装要点等将在后续文章中详述。