幕墻玻璃破碎原因分析

    前言

    自1983年上海聯(lián)誼大廈作為上海市第一個(gè)玻璃幕墻工程竣工以來，這20多年中，玻璃幕墻建筑大量涌現(xiàn)。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，上海現(xiàn)有各類既有建筑玻璃幕墻共約3 000項(xiàng)，總面積約800萬m2。可以說，上海已成為我國(guó)玻璃幕墻建筑數(shù)量最多的城市。

    玻璃幕墻建筑是融建筑功能和建筑藝術(shù)為一體的建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，大多用于商業(yè)大樓、且地處人流密集的地段，因此需要較高的建筑技術(shù)和管理水平，才能保證其達(dá)到應(yīng)有的建筑效果和長(zhǎng)期安全使用的要求。不少較早建成的玻璃幕墻已使用十年以上，個(gè)別幕墻已出現(xiàn)玻璃碎裂，開啟窗脫落等危及安全的情況。隨著時(shí)間的推移，這種情況還會(huì)日益增多，它們是否還能繼續(xù)安全使用成了疑點(diǎn)。況且前些年混亂局面所遺留下來的隱患又情況不明，上海作為全國(guó)擁有玻璃幕墻最多的城市，散布在全市各人流最密集地區(qū)的玻璃幕墻究竟有多少，存在哪些問題，這些都成了領(lǐng)導(dǎo)和廣大民眾關(guān)注的焦點(diǎn)。

    1、安全玻璃的定義

    1.1 幕墻玻璃破碎原因分析

    幕墻玻璃破碎的原因有內(nèi)因和外因。外因包括：①設(shè)計(jì)問題造成玻璃受力狀況不合理；②設(shè)計(jì)選型、選材不能滿足強(qiáng)度要求；③安裝施工不規(guī)范使玻璃局部受力超過承載極限；④遭受外力撞擊造成玻璃爆裂等。內(nèi)因主要是指由鋼化玻璃內(nèi)部雜質(zhì)所造成的破碎，即鋼化玻璃的“自爆”。

    1.2 安全玻璃的定義

    根據(jù)《建筑用安全玻璃》規(guī)定，所謂的安全玻璃，是指符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)的夾層玻璃、鋼化玻璃，以及用它們加工制成的中空玻璃，這其中尤以夾層玻璃以及用夾層玻璃制成的中空玻璃的綜合性能為最佳。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑用安全玻璃第2部分: 鋼化玻璃》 （GB 15763.2 —2005）規(guī)定，“鋼化玻璃的表面應(yīng)力不應(yīng)小于90 MPa”。也就是說，凡是玻璃表面應(yīng)力＜90 MPa的，均為非安全玻璃。而由國(guó)家發(fā)展改革委、建設(shè)部、質(zhì)檢總局、工商總局等發(fā)布的《建筑安全玻璃管理規(guī)定》（發(fā)改運(yùn)行[2 0 0 3]2 1 1 6號(hào)）第六條規(guī)定，“幕墻（全玻幕墻除外），必須使用安全玻璃”。安全玻璃屬玻璃深加工產(chǎn)品，具有抗沖擊性強(qiáng)，受撞后破而不碎、不掉渣、不分離的特點(diǎn)。一般民用鋼化玻璃是將普通玻璃通過熱處理工藝，使其強(qiáng)度提高3~5倍，可承受一定能量的外來撞擊或溫差變化而不破碎，即使破碎，也是整塊玻璃碎成類似蜂窩狀鈍角小顆粒，不易傷人，從而具有一定的安全性。夾層玻璃作為一種安全玻璃在受到撞擊破碎后，由于其兩片普通玻璃中間夾的PVB膜的黏接作用，不會(huì)像普通玻璃那樣在破碎后產(chǎn)生鋒利的碎片傷人。

    2、鋼化玻璃自爆

    通常鋼化玻璃的自爆是由其自身含有的硫化鎳結(jié)晶物引起的。NiS在379℃時(shí)有一相變過程，即從高溫狀態(tài)的α-NiS晶系轉(zhuǎn)變?yōu)榈蜏貭顟B(tài)β-NiS晶系，此時(shí)體積膨脹2%~4%，且表面粗糙。如果這些雜質(zhì)是在鋼化玻璃張應(yīng)力區(qū)內(nèi)，則體積膨脹就可能引起炸裂，即產(chǎn)生自爆現(xiàn)象（圖1）。

鋼化玻璃自爆后碎片形狀有以下規(guī)律：①破裂裂紋呈放射狀，起始點(diǎn)一般在玻璃中央；②破裂中心有兩小塊多邊形組成的蝴蝶斑，公共邊一般為直線；③兩個(gè)蝴蝶斑公共邊側(cè)面有肉眼可見的黑色小顆粒（硫化鎳晶體結(jié)石）（圖2~4）。

    3、玻璃熱炸裂

    建筑玻璃的熱炸裂有著多種因素，受到玻璃自身性能和外部環(huán)境條件的復(fù)雜影響（圖5）。造成玻璃自身熱炸裂的原因大致有3類：太陽輻射、外加荷載和設(shè)計(jì)因素。除此之外，玻璃與框架作為結(jié)構(gòu)整體還有制造和裝配方面的影響。建筑玻璃的熱炸裂是一個(gè)綜合性的問題，我們要全面考慮各個(gè)因素的作用，針對(duì)工程實(shí)際找出并控制其主要因素。

    就一般情況而言，制約玻璃熱炸裂的主要因素有3個(gè)，即玻璃的吸熱率、板面尺寸和玻璃邊的加工質(zhì)量。

    3.1 玻璃的吸熱率

    由于熱炸裂的機(jī)理是玻璃吸收陽光中的紅外輻照，自身溫度升高，與邊部的冷端之間形成溫度梯度，造成非均勻膨脹或受到約束，形成熱應(yīng)力，進(jìn)而使薄弱部位發(fā)生裂紋擴(kuò)展。

    3.2 玻璃的板面尺寸

    玻璃的板面越大，受熱膨脹后的變形也越大，形成的約束反力也越大，相應(yīng)地造成更大熱應(yīng)力，增加了熱炸裂的幾率。

    3.3 玻璃邊的加工質(zhì)量

    玻璃熱炸裂一般從玻璃邊部起始，邊部的拉應(yīng)力最大，加工缺陷最嚴(yán)重。導(dǎo)致鋼化玻璃熱炸裂的外部原因有多種，包括荷載、碰撞、焊滴、不適當(dāng)?shù)拈g隙和邊部損害等。而導(dǎo)致鋼化玻璃破損的內(nèi)在因素包括鋼化玻璃邊部缺陷等應(yīng)力集中區(qū)域、鋼化玻璃內(nèi)部應(yīng)力過大和鋼化玻璃內(nèi)部存在雜質(zhì)。

    4、施工質(zhì)量要求

    行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（JGJ 102 —2003）中規(guī)定了玻璃邊緣與槽口的配合尺寸，就是為保證玻璃在溫度變化和其他因素影響下能自由伸縮，且玻璃槽的兩側(cè)不能用硬性材料填塞，必須采用柔性連接，確保玻璃具有足夠的彈性，從而能夠自由翹曲變形。

    5、建議措施

    綜上所述，若想預(yù)防幕墻玻璃自爆的現(xiàn)象，筆者認(rèn)為首先需要從以下方面加強(qiáng)措施：

    （1）建議玻璃生產(chǎn)供應(yīng)商從選擇材料開始就嚴(yán)把質(zhì)量關(guān)，選用含硫化鎳晶體結(jié)石較少的優(yōu)質(zhì)原片；在加工過程中避免鋼化應(yīng)力過大；對(duì)鋼化玻璃進(jìn)行均質(zhì)處理（引爆），即二次熱處理。

    （2）合理選擇玻璃面積，玻璃面積越大越容易引起熱炸裂。

    （3）盡量選用安全玻璃，特別是采用夾層鋼化玻璃。

    （4）在太陽光照射面上，應(yīng)盡量選擇經(jīng)過熱處理的吸熱玻璃、熱反射玻璃。

    （5）安裝幕墻玻璃時(shí)，應(yīng)先對(duì)玻璃進(jìn)行處理，最簡(jiǎn)單的方法是進(jìn)行磨邊處理，以消除玻璃邊部的微裂紋。