摘 要：介紹了安全、節(jié)能的新型SGP夾層玻璃，運用復(fù)合材料的彈性力學(xué)概念對改進現(xiàn)行夾層玻璃力學(xué)計算進行了探討，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(shè)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(fù)合狀態(tài)；彈性復(fù)合狀態(tài)；分離復(fù)合狀態(tài)；粘彈性力學(xué)；復(fù)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(fù)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，使得無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度，從而起到安全防護作用。因此，又稱為夾層安全玻璃。

　　1.2夾層玻璃在建筑物上的應(yīng)用：

　�。�1）外開窗、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距離地面大于5m時，必須使用夾層玻璃。

　　（2）人群集中的公共場所和運動場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、屋頂廣場及陽臺欄桿等

　　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由于玻璃從框架中的脫落而墜落，同時也保證了欄桿下方人身與財產(chǎn)的安全。

　�。�3）室內(nèi)隔斷及展覽櫥窗

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

　�。�4）浴室內(nèi)用玻璃

　　主要使用在洗浴空間與衛(wèi)生潔具的隔斷部位。

　　（5）幕墻

　　當PVB夾層玻璃用于幕墻時，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察窗、觀察孔

　　一般情況下，這些部位應(yīng)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(nèi)，使管理人員有機會進行更換，避免重大損失。

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

　　由于夾層玻璃的特殊結(jié)構(gòu)，必要時，如果通過采用特殊的原材料和專門的制作工藝，夾層玻璃還可以成為一些能承受住各種復(fù)雜的動態(tài)結(jié)構(gòu)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?shù)牟ＡП�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，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題。但是對于安全玻璃的概念，傳統(tǒng)的概念是，（全）鋼化玻璃屬于安全玻璃。其根據(jù)除了強度較高外，主要是由于（全）鋼化玻璃破碎時會整塊玻璃全部破碎成蜂窩狀鈍角小顆粒，不易傷人。通過這次調(diào)查和眾多事故實踐，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(dān)心是玻璃破碎高空墜落傷人。這里應(yīng)該包含三部分要求：

　　1）是玻璃具有足夠的強度，使其承受設(shè)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)時保證不會墜落飛散——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(yīng)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。

　�。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?shù)牟Ａ�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先兆的，是目前尚無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(jù)。因此，在一定高度下使用（全）鋼化玻璃被認為是安全的，而超過一定高度使用它則應(yīng)認為是不安全的。安全是一個相對的概念，是有條件的；不是絕對的，無條件的。對安全玻璃的傳統(tǒng)概念，脫離使用條件，僅僅只從其碎片形態(tài)來定義，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(guī)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(qū)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(zhuǎn)變所引起的，臺風(fēng)從海面吹上岸及經(jīng)過建筑吋，建筑物除受到威力巨大的狂風(fēng)襲擊之外，有時還會遭到風(fēng)暴中被卷起的碎石、樹枝等雜物的襲擊，這種沖擊荷載促使鋼化玻璃爆裂飛濺。

　　2.3.2臺風(fēng)地區(qū)的玻璃外窗、幕墻和玻璃采光頂?shù)牟ＡП�裂飛濺之后，建筑物出現(xiàn)破洞，風(fēng)將直入建筑物內(nèi)造成強大內(nèi)壓，臺風(fēng)的外、內(nèi)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)暴的撞擊而不會破碎。即使碎了，破了玻璃也要l留在窗框里，而不會掉落。保留在窗口的玻璃必須能抗拒不斷轉(zhuǎn)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口的影響情況。

　　研究表明，當臺風(fēng)襲來時，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自附近的瓦礫及其他小塊雜物的沖擊。通過一系列的測試對臺風(fēng)多發(fā)地區(qū)的外玻璃進行設(shè)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(yīng)具備如下特征：

　　①無色、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；

　　③有良好的熱穩(wěn)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�(wěn)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；

　　⑤有良好的黏結(jié)力，當玻璃受到撞擊破裂時，玻璃不脫落，保證人身安全；

　　⑥具有良好的彈性，以增加夾層玻璃的抗穿透和吸振等性能。

　　建筑幕墻、門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。近年來開發(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(yīng)用前景廣闊、良好。

　　3.2 新型SGP膠簡介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，SGP夾層玻璃表現(xiàn)為彈塑料特性而PVB為超彈塑性，而高變形率時，PVB變硬并成為彈塑料特性，SGP在整個范圍內(nèi)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，特別是有益于點式支撐玻璃。H.P.Whitc實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）過壓的爆炸。

　　3.3 新型SGP夾層玻璃的應(yīng)用

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

　　3.3.2隱點玻璃幕墻及采光頂。

　　上海東方藝術(shù)中心采用點支式玻璃幕墻，但與普通點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(shè)計的日本大阪海事博物館中同樣出現(xiàn)過。這個建筑點支幕墻較為特別，內(nèi)層玻璃采用沉頭連接件，外側(cè)玻璃整體（不開孔）膠粘于放置了沉頭連接件的內(nèi)層玻璃，稱為隱點玻璃幕墻。隱點玻璃消除了連接點的漏水、漏氣，提升玻璃幕墻及采光頂?shù)乃�密及氣密性能�?/P>

　　3.3.3夾膠節(jié)能玻璃。

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

　　3.3.4市場估測。2007-2020年平均每年新建玻璃幕墻1000（含點式玻璃幕墻）萬平方米平均每年新建玻璃采光頂1000（含玻璃雨棚）萬平方米平均每年新建窗玻璃10000萬平方米平均每年節(jié)能改造玻璃幕墻、窗玻璃3000萬平方米總計15000萬平方米，若30%采用SGP夾膠玻璃和夾膠帶節(jié)能玻璃，則平均每年需求量將可能大于4500萬平方米。

　　3.4推廣應(yīng)用尚需解決的問題。

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

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

　　3.4.3興建 SGP夾膠玻璃或SGP夾膠節(jié)能玻璃幕墻及玻璃采光頂?shù)漠a(chǎn)業(yè)鏈。

　　3.4.4 研發(fā)SGP夾膠玻璃或SGP夾膠節(jié)能玻璃幕墻及玻璃采光頂?shù)脑O(shè)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(jié)能玻璃幕墻及玻璃采光頂?shù)牟牧�、產(chǎn)品技術(shù)標準及工程技術(shù)規(guī)范。

　　四、夾層玻璃復(fù)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(fù)合狀態(tài)：膠有足夠的粘結(jié)強度，保證粘結(jié)玻璃的協(xié)調(diào)共同工作；可視其為以膠為粘結(jié)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，進行應(yīng)力分析和強度計算。

　　（2）分離復(fù)合狀態(tài)：膠的粘結(jié)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，進行應(yīng)力分析和強度計算

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

　　建設(shè)部幕墻門窗標準化技術(shù)委員專家組長·龍文志