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结构有机玻璃的工程应用与研究进展

发布时间:2022-03-25 10:45所属平台:学报论文发表咨询网浏览:

  摘 要:有机玻璃是一种热塑性塑料,它在建筑和结构中的应用日渐增多。与普通玻璃相比,有机玻璃具有无自曝风险、可本体聚合、密度低等诸多优点,但是它也存在防火性能不佳、蠕变问题显著等缺点。该文介绍了一些国内外著名的有机玻璃建筑物或结构,以及学者们对有机

  摘 要:有机玻璃是一种热塑性塑料,它在建筑和结构中的应用日渐增多。与普通玻璃相比,有机玻璃具有无自曝风险、可本体聚合、密度低等诸多优点,但是它也存在防火性能不佳、蠕变问题显著等缺点。该文介绍了一些国内外著名的有机玻璃建筑物或结构,以及学者们对有机玻璃材料和结构所作的相关研究。提出了目前有机玻璃结构设计中存在的问题,并且给出了有机玻璃结构设计的相关建议,为相关研究和设计人员提供参考。

  关键词:有机玻璃;蠕变性能;未来花园;中微子探测器;设计方法

有机玻璃

  有机玻璃又名亚克力(acrylic),化学名称为聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate,PMMA),是一种热塑性塑料,目前已经在航天航空、潜水艇、探测器、生物医疗、水族馆等诸多领域得到广泛的应用,同时也逐渐作为大跨度空间结构和公共建筑的外表皮材料使用。

  有机玻璃在加工时可通过定向拉伸来改善它的力学性能,但是经过定向拉伸处理的板件一般较薄,而且加工费用高昂,往往用于航空航天领域。结构工程中用的有机玻璃(简称结构有机玻璃)是未经定向拉伸处理的普通有机玻璃,它与航空航天等其他领域用的有机玻璃相比,除了本身的力学性能外还有如下区别:一般建筑和结构的尺寸较大,因而结构有机玻璃的面积和厚度往往较大;通常会采用本体聚合技术进行拼接(该方法类似于钢结构中的焊接,但是结构有机玻璃的拼接缝平整且与母材一样透明。

  1 有机玻璃的特点及其工程应用

  1.1 有机玻璃的特点

  玻璃作为一种最常用的透明材料,在建筑与结构领域的应用历史悠久,常用于建筑物外表皮,现在也逐渐被用作承载构件使用。经过物理或化学方法处理后的钢化玻璃,承载性能明显优于普通玻璃,因此在建筑中也得到了广泛的应用。但是,钢化玻璃的问题仍然非常突出:

  ①难以避免本身的自爆问题,安全性能不佳;②无法像钢材一样焊接,需要借助胶如硅酮胶来完成连接,大大降低了玻璃建筑的美观性;③保温隔热性能不佳,需要镀膜来提升热工性能,但是镀膜价格较高;④自重较大,对结构设计不利;⑤虽然被列为可回收材料,但是回收和再造的成本较高,因此回收率低;⑥不易二次加工;⑦隔声效果差。与此对应,结构有机玻璃具有诸多优点:①无自爆问题,安全性能较好;②可本体聚合,而且拼接缝也是完全透明的,不会影响美观效果;③导热系数低约为玻璃的1/5,因此在作为隔热材料方面有巨大的潜力;④密度小(1.19 g/cm3),自重轻,对结构设计有利;⑤可回收再利用,且回收成本较低;⑥可塑性较强,方便二次加工,可预埋不锈钢等构件实现与主体结构的连接;⑦隔声效果好,常用于声屏障工程。

  除以上优点外,与其他塑料相比,有机玻璃的耐老化性能优越,适合应用于户外工程。有机玻璃也有一些缺点,例如:①作为一种高分子材料,在长期荷载作用下会有蠕变和应力松弛的问题;②线膨胀系数较大,不利于工程设计;③作为一种塑料,防火性能较差;④表面硬度较低,易产生划痕;⑤价格比玻璃昂贵。因此,在设计有机玻璃结构时,需克服其材质的缺点,充分发挥其优点。

  1.2 有机玻璃在建筑和结构工程中的应用

  慕尼黑奥运体育场是最有名的有机玻璃建筑之一,该体育场为1972年夏季奥运会所建,可容纳8万名观众,其屋顶采用透明的有机玻璃实心板,形成了帐篷式的屋顶结构,屋面面积约7.4万平方米,整个屋面使用吊柱吊起,该体育场对有机玻璃在建筑中的应用具有开创性作用。格拉茨美术馆位于奥地利格拉茨,它是为2003年欧洲文化之都庆典所建,外表皮采用蓝色的有机玻璃材料,整个建筑物具有强烈的文化气息。Godswill Akpabio国际体育场 位于尼日利亚,体育场的外表皮采用有机玻璃磨砂板,使其达到透光不投影的效果,有机玻璃的面积约1.75万平方米。

  由于尼日利亚位于赤道附近,全年强日照,紫外线辐射较强,容易引起材料老化,而有机玻璃具有较强的耐老化性能,因此成为该体育场外表皮的理想材料。维特拉校园厂房于2012年建造,其混凝土外墙外侧包裹一层有机玻璃波纹板,每块板的宽度1.8 m,高度11 m(建筑的高度)。该波纹板是将平板加热至60 ℃然后真空塑造而成。由于有机玻璃板材尺寸较大,因此专门为此建造了一个升温炉。

  格拉茨大学植物园暖房也采用了有机玻璃,因为有机玻璃透光性较好(可达到93%以上),利于植物生长。为上海力宝广场一楼,它是将有机玻璃作为第二表皮使用,该建筑物外表皮共有3层,最内层和最外层为玻璃、中间层为有机玻璃,有机玻璃的光学性能极佳,配合不同颜色的光源可呈现出不同的视觉效果。

  雄安高铁站标识和支撑该标识的墙体(宽20.2 m、高4.5 m)以及部分顶棚均采用了有机玻璃材料。为上海巨型有机玻璃碗结构,其最大直径为16 m,有机玻璃重量约80 t,由20块厚80 mm的透明有机玻璃曲面板拼接而成。为2021年江苏园博园未来花园,该工程由42个相同的伞状结构连接而成,顶棚为有机玻璃材料,面板厚35 mm,顶棚总面积达到1.5万平方米,顶棚上方为100 mm厚的景观水池。

  深圳华侨城泳池,该泳池长约21.6 m、宽约8.8 m。为江门和锦屏中微子探测器,江门探测器位于地下700 m处,有机玻璃球体容器的直径约为35.5 m,支撑球体的不锈钢网壳直径约为40.1 m,建成之后它将是世界上最大的球形中微子探测器;锦屏百吨靶物质级探测器正处于方案设计阶段,拟采用直径约8 m的有机玻璃球,并使用绳索支撑。

  2 有机玻璃的相关研究

  国内外学者在有机玻璃材料的力学性能以及有机玻璃容器结构的稳定方面进行了大量的研究。本文作者依托江门中微子探测器、锦屏中微子探测器、2021年江苏园博园未来花园三个工程项目并且结合中国工程建设标准化协会《建筑有机玻璃应用技术规程》的编制工作和住房与城乡建设部课题(2020-K-070)“有机玻璃在建筑与结构领域的应用技术研究”,也对结构有机玻璃进行了大量的研究。

  2.1 国内外其他学者的研究

  国内外学者对有机玻璃的研究较多,由于篇幅限制,本节只介绍一些有代表性的研究成果。

  1) 短期力学性能应变率会影响粘弹性材料的力学性能,为了进一步考察应变率对有机玻璃力学性能的影响,Wu等[1−2]对有机玻璃进行了中、低应变率下的单轴拉伸试验,研究发现有机玻璃表现出明显的应变率强化、高速脆性和应变率硬化特征。

  有机玻璃在受拉和受压情况下的性能并不是完全一致的。Richeton等[3]对有机玻璃进行了低、高应变率的压缩试验来研究有机玻璃受压时的力学特征,高应变率试验中采用了分离式霍普金森杆,温度范围从−40 ℃至玻璃态转化温度,研究结果表明当温度升高或应变率降低时,弹性模量、屈服强度、应变硬化率均会降低。

  谢中秋等[4]同样对有机玻璃进行了不同应变率下的压缩试验,研究发现有机玻璃的流动应力随应变率的增大而增大,准静态作用下有机玻璃呈现延性破坏,但是动态作用下表现出明显的脆性破坏特征。国内外其他学者对有机玻璃的短期力学性能也做了大量的研究[5−9]。

  2) 蠕变性能

  温度对粘弹性材料的蠕变性能影响较大,Gao等[10−11]对MDYB-3航空有机玻璃进行了20 ℃、50 ℃和75 ℃下拉伸蠕变试验,研究发现温度和应力提高时,有机玻璃蠕变速率显著增加,他们用陈化理论、Norton 公式和指数公式分别描述了有机玻璃蠕变三阶段的特征。

  有机玻璃的蠕变性能还会受到环境的影响。为了研究有机玻璃在特定工作环境下的蠕变特征,Zhou等[12−13]对浸泡在液体闪烁体中的有机玻璃进行了拉伸蠕变试验,通过时间-温度等效和时间-应力等效原理模拟得到了有机玻璃在长期荷载作用下的蠕变行为,并且采用了熊良宵等[14]提出的定常Burgers模型对试验结果进行拟合,取得了较好的结果。

  还得出浸泡在特殊液体中有机玻璃的蠕变寿命和拉应力的关系。为了探究各种蠕变方程对于有机玻璃的适用性,李之达等[15]对有机玻璃进行了单轴拉伸蠕变试验,并且用Andrade理论、陈化理论、应变硬化理论、恒速理论对有机玻璃蠕变曲线进行了拟合。

  3) 容器结构的稳定Zhou等[16]对有机玻璃球壳进行了外压稳定性分析,有限元得到的临界屈曲荷载与试验值非常接近,比值在0.92~1.26范围内;还通过蠕变试验得到了有机玻璃的蠕变模型,并且使用用户子程序将该模型输入ABAQUS之中,计算了有机玻璃球壳发生屈曲的时间,从而得到了球壳蠕变稳定和工作时间的关系。Zheng等[17]研究了有机玻璃球体结构受浮力作用下的旋转稳定问题,他们分别进行了线性和非线性稳定分析,然后考虑了不同因素对球体稳定性能的影响,最后提出了抵抗旋转失稳的优化方法。

  2.2 围绕江门和锦屏中微子探测器展开的研究

  1) 有机玻璃厚板及带拼接缝试件的拉伸试验研究在建筑、结构和高能物理探测器等领域使用的有机玻璃一般较厚,厚度可能超过100 mm,而且尺寸也较大,常采用本体聚合技术来连接有机玻璃板。因此,本文作者对有机玻璃厚板以及带拼接缝的板件进行了准静态单轴拉伸试验[18]。

  温度范围为−40 ℃~ 40 ℃,考虑到单个试件试验的时间不长,采用如下方法:在正式拉伸试验前先对试件进行升温或降温。准静态单轴拉伸试验加载装置,根据美国规范ASTM D638[19],拉伸试件的厚度大于14 mm时加工为14 mm。

  通过试验发现,带本体聚合拼接缝材料的拉伸强度为无拼接缝材料强度的77.2% ~ 89.6%[18];厚板呈现明显的脆性破坏,它的拉伸应力-应变曲线与薄板的应力-应变曲线存在一定的差异。分析试验结果发现,在准静态试验中不考虑应变率变化的情况下,ZWT(朱王唐)模型的非线性弹性部分可较好地描述结构有机玻璃母材和带拼接缝试件的本构模型。

  2) 江门中微子探测器有机玻璃节点的承载性能研究作者前期对江门中微子探测器结构方案进行了大量的分析[20−22],在此基础上对有机玻璃与不锈钢连接节点也进行了相应的研究[23−24]。设计了3个圆盘式连接节点,通过试验来确定该类节点的承载性能以及加载时有机玻璃表面的应力分布。

  3个节点的极限承载力分别为288 kN、325 kN、513 kN[24]。第3个节点中有机玻璃聚合时的缺陷最少,所以承载力最高。试验无法全面了解有机玻璃上的应力分布,需借助于有限元分析。通过有限元分析发现在荷载达到513 kN时节点3中有机玻璃的最大Mises应力为30.3 MPa,远小于有机玻璃的极限拉伸强度[18],其原因可能是有机玻璃在加工时仍存在一定的缺陷或微裂纹。

  3) 有机玻璃的断裂韧性及其节点的断裂评估

  如前所述,缺陷或微裂纹对有机玻璃承载力的影响较大。为了充分了解其影响规律,对有机玻璃进行了平面应变断裂韧性试验,试验温度范围为−40 ℃~ 40 ℃。由试验可知,拼接试件的断裂韧性值均比母材低;在试验温度下,母材的断裂韧性在1.45 MPa·m1/2~2.90 MPa·m1/2,拼接试件的断裂韧性在1.24 MPa·m1/2~2.21 MPa·m1/2;温度较低时(−40 ℃、−20 ℃)材料的断裂韧性比高温时(40 ℃、20 ℃)要高[25]。

  ϕ进一步对江门中微子探测器有机玻璃节点3进行了断裂力学分析。a0表示半椭圆裂纹深度,R表示埋藏裂纹半径。以前文的平面应变断裂韧性试验值作为参考,通过计算发现当温度为20 ℃,若表面半椭圆裂纹深度为1.5 mm或埋藏裂纹半径为4.5 mm,节点会在513 kN的荷载作用下发生断裂。在此基础上对节点进行了参数分析,研究了裂纹方向、埋藏裂纹埋入深度、多裂纹相互作用对节点断裂性能的影响。该研究为有机玻璃节点中缺陷的控制起到借鉴作用。

  2.3 围绕江苏园博园未来花园展开的研究

  1) 有机玻璃结构的设计和优化江苏园博园未来花园由42个相同的树状结构连成一个整体[28]。顶棚采用有机玻璃而下部支撑结构为不锈钢,42个树状结构的不锈钢是连通的,但是相邻树状结构之间有机玻璃顶棚是通过硅酮密封胶连接的,有机玻璃总面积约1.5万平方米。

  有机玻璃顶棚由水平的面板以及面板下侧的肋组成,而每个面板由66个不锈钢支撑杆支撑。有机玻璃顶棚上方设计的水面高度为100 mm,在正常工作状态下,有机玻璃承受的主要荷载为:自重、水压、风荷载。单个树状结构上有机玻璃面板的直径为21 m,由于尺寸较大,该面板是在现场由多块板本体聚合拼接而成。本工程采用有机玻璃的主要原因是它可以通过本体聚合拼接(增强了建筑美观效果),并且材料不会发生自爆。

  由于有机玻璃的线膨胀系数较大,需考虑温度变化时产生的变形影响。在设计中,支撑顶棚的不锈钢杆件与有机玻璃的连接点设计为滑动支座,以此保证有机玻璃在膨胀和收缩时不会对下部不锈钢产生水平荷载。计算时考虑了3种工况:结构自重(工况1)、结构自重+水压力(工况2)、结构自重+水压力+风荷载(工况3),进行承载能力极限状态设计时考虑了荷载分项系数和组合值系数。

  从计算结果可知,在三种工况下有机玻璃上的最大Mises应力分别为:1.12 MPa、3.40 MPa、3.79 MPa[28]。工况3有机玻璃顶棚计算结果见图8(a),最大Mises应力主要位于不锈钢支撑杆与有机玻璃的连接处。实际工程中该点的应力会小于计算值,因为采用滑动式节点后支撑杆与有机玻璃的接触面积会加大。在设计时将有机玻璃上的应力控制在较低水平的原因是防止结构发生蠕变破坏。此外,还考虑了温度作用、节点失效、和地震作用对单个树状结构受力性能的影响。

  2) 有机玻璃材料比选及质量控制验证未来花园项目施工前,有国内三家公司参与了有机玻璃工程的竞标。为了对比各公司材料的性能,分别将各公司生产的母材和带拼接缝试件进行常温下的拉伸试验。国内厂家生产的带拼接缝有机玻璃的拉伸强度差异较大,厂家A的强度比高达98%,但是厂家C的强度比只有59%,这主要是由于各厂家的本体聚合工艺不同所导致的。

  在施工阶段,由于退火温度较高(80℃),超过振弦应变计的适用范围,因此采用应变片和热电偶监测有机玻璃板面数据。在有机玻璃板肋和板面安装就位后、本体聚合前,在肋底和板底黏贴应变片和热电偶,对本体聚合及高温固结过程进行应变(温度)数据采集,掌握该施工工艺引起的有机玻璃应力情况。

  监测数据表明,实测数据与设计状态相近,本体聚合和高温固结阶段,有机玻璃板面处于浮动状态(未与竖向支承杆相连),有机玻璃板面可以自由膨胀(收缩),该阶段完成后伞面残余应力较小。在运营阶段,应变和温度均由振弦应变计监测,变形由全站仪+反射片监测。有机玻璃板面聚合阶段处于浮动状态,在聚合完成后,落架、连接竖向支承点前,安装振弦应变计并记录初始读数。为防止振弦应变计对有机玻璃伞面的损坏,在监测点安装了有机玻璃过渡墩,过渡墩与有机玻璃板面之间本体聚合,振弦应变计与过渡墩螺栓连接。

  目前近1年的监测数据表明,温度变化对有机玻璃板面应变的影响大于有机玻璃板面水位变化产生的影响,但板面应变的峰值低于1000µε。原位加载试验的目的是,测量有机玻璃水幕在1.5倍水荷载下,结构的应力和位移发展规律。

  考虑到有机玻璃板面外观要求及现场的加载条件,此试验采用水加载的方式。拟选择位于整个结构边缘的5号伞面,充分利用边缘伞面的挡水板的高度,并辅以若干附加挡水板,整体伞面实现150 mm的围挡,通过水泵实现加载。施工及长期监测阶段已经在5号伞面布置有应变、位移和温度监测传感器,因此,原位加载试验将应用同一批次传感器。试验正在进行中。据前文所述,蠕变是有机玻璃最突出的问题之一,而且有机玻璃在常温下就会发生蠕变。

  它的短期强度可达到60 MPa~70 MPa[18],但是在长期荷载作用下,强度可能不足10 MPa。此前各国学者对有机玻璃都进行了蠕变研究,但是大部分研究都是针对有机玻璃母材,很少有学者关注带拼接缝有机玻璃试件的蠕变特征。然而,在有机玻璃大型结构工程中,本体聚合拼接缝往往被大量使用。从前文的试验可以看出,拼接缝的力学性能劣于母材,尤其是在现场施工的环境下,因此拼接缝一般是设计中的控制点,研究带拼接缝有机玻璃试件的蠕变性能至关重要。

  另外,学者们对有机玻璃进行蠕变研究时,主要关注其拉伸蠕变性能,但是在建筑结构中,有机玻璃在其他受力状态下(如压缩、弯曲、剪切)也会发生蠕变,因此其他受力状态下的蠕变性能也需要研究。带拼接缝有机玻璃的疲劳问题也需要研究,目前缺乏相关试验数据。除了有机玻璃本身的疲劳问题,疲劳和蠕变共同作用下的力学性能也是待研究的问题之一。蠕变和疲劳试验正在准备阶段,该项研究对于今后的有机玻璃工程应用具有指导意义。

  3 结构有机玻璃的设计方法探讨

  3.1 目前设计中存在的问题

  如前所述,学者们主要对有机玻璃母材进行了研究,很少有学者对结构有机玻璃本体聚合拼接缝进行研究,因此带拼接缝结构有机玻璃的强度指标(尤其是蠕变强度)等数据较为匮乏。在设计时一般采用非常保守的方法,将有机玻璃上的应力控制在3.5 MPa(重要建筑)或5.0 MPa以内(一般建筑),这样的取值缺乏相应的试验数据和分析结果支撑。

  另一方面,荷载的取值也存在困难。短期荷载和长期荷载对有机玻璃的影响差异巨大,但是现行规范《建筑结构荷载规范》(GB 50009−2012)[29]没有明确区分短期荷载和长期荷载。此外,荷载可以按照《建筑结构可靠性设计统一标准》(GB50068−2018)[30]来确定其分项系数,但是由于蠕变试验时间和价格成本过高,并且在长期荷载作用下结构有机玻璃的强度与荷载作用时间存在一定的相关性,因此难以给结构有机玻璃赋予一个长期荷载作用下的设计强度。

  3.2 结构有机玻璃设计建议

  3.2.1 荷载分类

  有机玻璃的应用范围主要为建筑幕墙、屋面、采光顶等。荷载主要有自重、风荷载、雪荷载、积灰荷载、屋面活荷载、温度作用、地震作用等。若有机玻璃的上方或侧方有水,那么还会承受水压。设计时,可将自重、积灰荷载视为可引起蠕变效应的长期荷载作用,而将风荷载、温度作用、屋面活荷载、地震作用视为短期作用效应。雪荷载需根据当地天气规律来确定是划分为短期荷载还是长期荷载;水压也要按照实际情况来划分。

  对于玻璃幕墙[31]和采光顶[32],可根据规范来考虑水平地震作用和竖向地震作用。对于风荷载,若引起材料的疲劳,还需进行疲劳设计。温度作用的影响较为特殊:有机玻璃线膨胀系数较大,对于大型有机玻璃结构,通常会设置滑动支座以及伸缩缝来释放温度应力,此时不必考虑温度作用;若结构有机玻璃的温度变形无法释放,需计算温度作用。考虑到温度是不断变化的,且其主要导致材料发生应力松弛,为方便设计,可将其视为短期荷载;另外,温度的改变又会导致材料性能的变化,同一地区夏天和冬天的平均温度可能相差40 ℃,需考虑温度对材料性能的影响。

  4 结束语与展望

  与普通玻璃材料相比,结构有机玻璃有突出的优点,比如可本体聚合、无自爆风险等,它在建筑领域和高能物理设备中的应用越来越多。但是,结构有机玻璃的工程应用,仍有大量的问题亟待解决:(1) 大型有机玻璃结构常采用本体聚合技术来拼接板材,而拼接缝的力学性能劣于母材,对于拼接缝力学性能的研究仍需要做大量的工作。(2) 结构有机玻璃在常温下就会发生蠕变,这是影响结构使用安全的关键因素之一。在实际工程中,结构有机玻璃的受力较为复杂,因此不仅仅需要关注它的拉伸蠕变性能,还需要关注它在压缩、弯曲、剪切等受力状态下的蠕变性能。

  (3) 本文提出了结构有机玻璃的设计建议,但是其中仍有很多参数需要通过试验研究来确定。(4) 为了将有机玻璃在结构工程中进一步推广,需要对它的防火性能,加工、制作和安装,大型有机玻璃结构的施工方法等问题进行深入研究。

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  作者:王元清1,孙 洲2,王综轶3,郑宝锋4,汤月生5,欧阳元文

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