摘要

　　本文從實際應(yīng)用的角度出發(fā)，結(jié)合國內(nèi)對建筑用安全玻璃的標準和規(guī)范的具體要求，論述了真空玻璃應(yīng)用安全性方面的問題。在提高真空玻璃產(chǎn)品自身強度方面，使用低溫封接技術(shù)提高真空玻璃表面應(yīng)力，通過理論分析和計算來科學合理地設(shè)計支撐物外形和排列間距，并模擬實際使用工況分析計算真空玻璃封邊強度，從上述三個方面論述了真空玻璃在實際應(yīng)用中具有很高的安全性。最后，結(jié)合標準和規(guī)范中對真空玻璃應(yīng)用中安全性的規(guī)定，分別給出了真空玻璃在玻璃幕墻、門窗以及采光頂等場所應(yīng)用時推薦使用的安全配置。

　　一、前言

　　真空玻璃是新型玻璃深加工產(chǎn)品，是我國玻璃工業(yè)中為數(shù)不多的具有自主知識產(chǎn)權(quán)的節(jié)能玻璃品種，它相比較于傳統(tǒng)的中空玻璃具有傳熱系數(shù)（詞條“傳熱系數(shù)”由行業(yè)大百科提供）低、抗結(jié)露因子級別高、隔聲性能高、壽命超長、結(jié)構(gòu)輕薄等優(yōu)勢。

　　真空玻璃是由兩層平板玻璃構(gòu)成的玻璃制品，兩層玻璃之間為氣壓低于0.01pa的真空層，使得氣體傳熱可忽略不計，這是真空玻璃熱工性能優(yōu)異的機理。為了平衡真空玻璃內(nèi)外大氣壓差，必須在兩層玻璃之間設(shè)置“支撐物”方陣，類似房屋中的承重柱，同時“支撐物”使玻璃之間保持間隔，形成真空層�！爸�撐物”方陣不僅要平衡大氣壓差，還要考慮到支撐物“熱橋”形成的傳熱，以及避免影響玻璃通透性，通常都要經(jīng)過復(fù)雜和嚴格計算來綜合各種因素來進行設(shè)計。真空玻璃的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1真空玻璃結(jié)構(gòu)示意圖

　　廣大用戶選用真空玻璃的原因主要是看中了其優(yōu)異的保溫隔熱性能，可以大幅度的降低用于建筑物采暖（詞條“采暖”由行業(yè)大百科提供）和制冷的能耗。在實際工程應(yīng)用中，不少用戶關(guān)心真空玻璃的安全性問題。關(guān)于真空玻璃的“安全性”這一概念，可以從兩個方面來介紹：一是真空玻璃自身強度;二是各種標準和規(guī)范對真空玻璃的實際應(yīng)用提出的具體的限定指標。真空玻璃產(chǎn)品經(jīng)過多年的研究和改進，不僅不斷的提升自身強度指標，同時也在適應(yīng)各種標準和規(guī)范的要求，不斷完善產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，進一步提升產(chǎn)品的安全性。

　　二、真空玻璃自身強度對產(chǎn)品安全性的影響

　　1.表面應(yīng)力和碎片狀態(tài)

　　影響真空玻璃自身強度最主要的因素是玻璃的表面壓應(yīng)力，產(chǎn)品的表面壓應(yīng)力越大，其強度越高，越不易破碎。一旦玻璃意外發(fā)生破碎，表面壓應(yīng)力越大的玻璃其碎片的尺寸越小，對人身安全來說，越小的玻璃碎片越安全。因此提高真空玻璃安全性最直接的辦法就是想辦法提高產(chǎn)品表面應(yīng)力。

　　最初的真空玻璃產(chǎn)品是采用未鋼化的平板玻璃加工，產(chǎn)品強度低，安全性差，現(xiàn)已基本淘汰。目前行業(yè)內(nèi)眾多真空玻璃生產(chǎn)廠商都在使用鋼化玻璃來生產(chǎn)真空玻璃，并且結(jié)合各種低溫封接技術(shù)，使最終真空玻璃成品的表面應(yīng)力不斷提高�，F(xiàn)在已經(jīng)可以規(guī)模化生產(chǎn)表面應(yīng)力高于90MPa的真空玻璃產(chǎn)品，破碎后任意50mm×50mm區(qū)域內(nèi)碎片數(shù)量均不小于40個，完全符合國標《建筑安全玻璃第二部分鋼化玻璃》GB15763.2的要求，破碎后的狀態(tài)與鋼化玻璃相同。因此，這樣的真空玻璃習慣上被稱為“鋼化真空玻璃”，是目前市場上強度和安全系數(shù)最高的真空玻璃產(chǎn)品，如圖2所示。

圖2 鋼化真空玻璃碎片狀態(tài)

　　鋼化玻璃是通過使平板玻璃在應(yīng)變點以上快速冷卻的方法使表面形成壓應(yīng)力層，從而提高強度。但玻璃自身結(jié)構(gòu)的缺陷，如硫化鎳粒子、結(jié)石等會導(dǎo)致鋼化玻璃自爆。目前行業(yè)內(nèi)普遍認為鋼化玻璃的自爆率不超過0.3%。如將鋼化玻璃進行均質(zhì)處理，其自爆率會進一步降低。

　　真空玻璃的加工工藝有一個特點，在其邊部封接材料熔封過程中，通常要將玻璃加熱（詞條“加熱”由行業(yè)大百科提供）到300℃以上，并保持較長的一段時間，這與鋼化玻璃均質(zhì)過程相似，因而鋼化真空玻璃成品自爆率經(jīng)過這一工藝過程得到了有效的控制，進一步提高了使用安全性。

　　2、支撐物矩陣設(shè)計

　　另一個影響真空玻璃強度的因素是支撐物矩陣的設(shè)計。真空玻璃中間層的支撐物起到平衡玻璃片內(nèi)外大氣壓差的作用，如圖3所示。大氣壓對真空玻璃外表面施加了一個均布載荷，在真空層內(nèi)要由支撐物對玻璃內(nèi)表面施加的支撐力來平衡。玻璃基片與支撐物的相互作用使真空玻璃產(chǎn)生以下3個主要的應(yīng)力：(1)玻璃基片的彎曲應(yīng)力，在支撐位置玻璃外表面和支撐物連線中點玻璃內(nèi)表面產(chǎn)生極值;(2)支撐物壓應(yīng)力;(3)支撐物與玻璃的接觸應(yīng)力。圖4所示為偏光鏡下真空玻璃支撐物矩陣的應(yīng)力斑（詞條“應(yīng)力斑”由行業(yè)大百科提供），也稱為真空星。

　　為保證支撐物矩陣不會影響玻璃采光和視覺效果，通常都將支撐物設(shè)計的比較小，并且希望支撐間距盡量增大。通過合理布置支撐物間距和設(shè)計支撐物的外形尺寸，能保證上述3個應(yīng)力在材料允許的范圍內(nèi)，同時得到真空玻璃最低的導(dǎo)熱系數(shù)。因而，真空玻璃支撐物的形狀、端面面積和矩陣排列的間距都需要經(jīng)過嚴格的理論計算來進行設(shè)計，使真空玻璃在使用過程中的安全性得到有效的保障。

圖3真空玻璃構(gòu)造及大氣壓作用下應(yīng)力分布示意圖

圖4真空玻璃支撐物矩陣應(yīng)力斑

　　參考《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ113-2015對平板玻璃長期荷載作用下安全強度設(shè)計值的具體規(guī)定，以直徑為0.6mm的環(huán)形金屬支撐物為例，假設(shè)支撐物表面處理為理想狀態(tài)，即光滑無毛刺棱角，經(jīng)過模型分析和模擬計算，真空玻璃允許的最大支撐物間距可參考表1數(shù)據(jù)。該結(jié)果經(jīng)過試驗驗證與實際使用情況符合度非常高。

表1 真空玻璃基片厚度允許的最大支撐距離

　　由此可見，為了同時兼顧保溫性能和使用安全性，真空玻璃的支撐物設(shè)計和間距的選擇應(yīng)該參考表1提供的參考數(shù)據(jù)，在合理的范圍內(nèi)選擇，讓廣大用戶放心。

　　3、封邊可靠性（詞條“可靠性”由行業(yè)大百科提供）

　　真空玻璃是通過焊料(通常是低溫玻璃焊料)沿著四周將兩片平板玻璃密封在一起，封邊寬度通常在10-16mm之間。真空玻璃在實際應(yīng)用中，尤其是在隱框幕墻的應(yīng)用中，由于受到外力、玻璃本身自重以及溫差等多重作用，低熔點封邊玻璃焊料在滿足密封功能之外，還需要滿足一定的力學性能要求。

　　目前，各真空玻璃生產(chǎn)廠家所使用的封邊焊料都不盡相同，并且有各自獨特的加工工藝，難以逐一列舉計算。本節(jié)選用北京新立基真空玻璃技術(shù)有限公司所使用的低熔點玻璃焊料為例，通過實測數(shù)據(jù)和理論計算，分析真空玻璃在實際使用中受到自重、溫差以及風載荷作用下的邊部應(yīng)力狀態(tài)和大小，來說明真空玻璃封邊的可靠性問題。

　　對玻璃焊料的基本性能進行三點彎曲強度（詞條“彎曲強度”由行業(yè)大百科提供）試驗、封接界面的拉伸和剪切強度測試。低熔點玻璃焊料的彎曲強度按《玻璃材料彎曲強度試驗方法》JC/T676-1997標準執(zhí)行，真空玻璃封接界面拉伸和剪切強度按《ISO13124 Fine ceramics ( advanced ceramics, advanced technical ceramics )-test method for interfacial bond strength of ceramic materials》標準執(zhí)行。測試結(jié)果如表2所示。

表2 低熔點玻璃焊料強度測試結(jié)果

　　首先考慮玻璃自重對封邊的影響。豎直放置的復(fù)合真空玻璃中的一片或幾片玻璃自重全部由邊緣封接部位承擔，受到剪切應(yīng)力作用。例如玻璃結(jié)構(gòu)為T6+夾膠+T6+V+T6+9A+T6的復(fù)合真空結(jié)構(gòu)，玻璃尺寸為2.8m×1.8m，封邊寬度10mm，真空玻璃封接部位承受共12mm厚度的玻璃自重影響，經(jīng)過計算其剪切強度為0.0161MPa。從表2中得到低熔點玻璃焊料封接界面的剪切強度為3.45MPa，按持久應(yīng)力作用取安全系數(shù)為6，則設(shè)計強度為0.575Mpa，遠高于上述舉例中真空玻璃封接部位實際承受的剪切強度。因此，真空玻璃邊緣封接強度能夠承受玻璃自重的作用。

　　其次考慮溫差作用下真空玻璃邊緣封接的可靠性。當真空玻璃內(nèi)外片溫度不同時，因真空玻璃內(nèi)外片膨脹程度不同，可造成邊緣封接部位產(chǎn)生剪切應(yīng)力。通過模型計算結(jié)果顯示，溫差引起的對玻璃焊料的剪切應(yīng)力只與溫差和玻璃基片的厚度有關(guān)，與真空玻璃長寬尺寸無關(guān)。表3為通過計算得到的不同厚度真真空玻璃基片和不同溫差下封接部位剪切應(yīng)力數(shù)值。

表3不同厚度真空玻璃基片和不同溫差下封接部位剪應(yīng)力

　　由計算結(jié)果可以看出，由溫差產(chǎn)生的封接部位剪切應(yīng)力遠小于封邊玻璃實際測試的剪應(yīng)強度(3.45MPa)，因此，溫差對封邊玻璃的影響可以忽略不計。

　　最后考慮風載荷作用下真空玻璃邊緣封接可靠性。假設(shè)真空玻璃邊部處于自由狀態(tài)，不受邊框約束，這時風壓下真空玻璃邊部會發(fā)生彎曲，最大應(yīng)力產(chǎn)生在最大彎矩處，即邊部中心位置。按照前面復(fù)合結(jié)構(gòu)真空玻璃的例子，長邊2.8m為自由邊，通過理論計算得到焊料承受的最大彎曲應(yīng)力為2.99MPa。表2實際測量得到的低熔點玻璃焊料彎曲應(yīng)力為33.16MPa，按短期載荷作用，取安全系數(shù)為3，則設(shè)計強度為11.05MPa。可見，實例中的真空玻璃在該設(shè)計風壓作用下封邊焊料是安全可靠的。而實際上真空玻璃裝配在幕墻或門窗后，由于邊部有框架或密封膠的支撐作用，在風壓作用下實際彎矩遠小于完全自由狀態(tài)。根據(jù)權(quán)威部門實際風壓測試結(jié)果顯示，該真空玻璃結(jié)構(gòu)邊緣封接部位實際承受國家最高級別5000Pa風壓測試，仍保持結(jié)構(gòu)和功能完好。

　　三、標準和規(guī)范中對真空玻璃應(yīng)用中安全性的規(guī)定

　　為保證真空玻璃在實際應(yīng)用中的安全性和防護性，除了需要滿足前面介紹的有關(guān)真空玻璃自身強度的各種設(shè)計指標以外，還應(yīng)滿足各種工程應(yīng)用技術(shù)規(guī)范的要求，使真空玻璃產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計乃至運輸、安裝和使用等各個方面都有理有據(jù)，使廣大客戶可以放心使用。

　　通過對中國地區(qū)幕墻用玻璃的各種規(guī)范和工程應(yīng)用指南的調(diào)研和匯總，可以得到對幕墻用真空玻璃的總體性要求：幕墻(全波幕墻除外)必須使用安全玻璃(鋼化玻璃、夾層玻璃（詞條“夾層玻璃”由行業(yè)大百科提供）及由鋼化玻璃或夾層玻璃組合加工而成的其他玻璃制品);玻璃幕墻采用夾層玻璃時，宜采用干法加工合成;框支承玻璃幕墻，單片玻璃的厚度不應(yīng)小于6mm，離子性中間層夾層玻璃的單片厚度不應(yīng)小于4mm、PVB夾層玻璃的單片厚度不應(yīng)小于5mm;夾層玻璃、中空玻璃的單片玻璃厚度相差不宜大于3mm。針對上述通用性要求，建議幕墻用真空玻璃采用以下三種結(jié)構(gòu)：

　　中空+真空+夾膠

　　中空+真空+中空

　　夾膠+真空+夾膠

　　除此之外，《建筑安全玻璃管理規(guī)定》要求，除幕墻(全波幕墻除外)必須使用安全玻璃外，以下位置也需要使用安全玻璃：7層及7層以上建筑物外開窗;面積大于1.5m2的窗玻璃，或玻璃底邊離最終裝修面小于500mm的落地窗;公共建筑物的出入口、門廳等部位。因而真空玻璃在上述場所的使用也建議采用復(fù)合結(jié)構(gòu)。

　　根據(jù)規(guī)定，除上述特殊位置之外的窗玻璃可以單獨使用真空玻璃，尤其是強度高安全性好的鋼化真空玻璃�？紤]到為了滿足型材設(shè)計需要，可以在單真空玻璃的基礎(chǔ)上適當復(fù)合一層單真空或單夾膠的結(jié)構(gòu)，都是值得推薦的配置。

　　真空玻璃由于腔體內(nèi)的真空度可以達到1.0×10-2Pa，因此在平放使用時，不會因為氣體傳導(dǎo)而造成傳熱增大，采光頂也是真空玻璃的重要應(yīng)用方面。由于采光頂用玻璃需要承受水平自重、人員踩踏以及雨雪載荷等，因此國內(nèi)對這個領(lǐng)域的建筑玻璃應(yīng)用有具體而明確的規(guī)定，主要內(nèi)容匯總?cè)缦拢?/P>

　　1) 采光頂玻璃應(yīng)為安全玻璃。屋面距離地方高度大于3m時，必須采用夾膠玻璃;上人采光頂用玻璃必須采用夾層玻璃;

　　2) 采光頂玻璃單片不宜小于6mm，夾膠玻璃單片不宜小于5mm，其中上人屋面單片玻璃厚度不宜小于8mm，且夾層膠片厚度不應(yīng)小于0.76mm，夾層玻璃的兩片玻璃厚度相差不宜大于2mm;

　　3) 采光頂玻璃面板簡支矩形最大相對撓度為短邊/60;

　　4) 玻璃面板（詞條“面板”由行業(yè)大百科提供）面積不宜大于2.5㎡，長邊邊長不宜大于2m;

　　針對上述規(guī)定，建議沒有節(jié)能要求的采光頂采用夾膠復(fù)合真空結(jié)構(gòu)，如雙面夾膠真空玻璃6mm+1.14夾膠+5mm+V+5mm+1.14夾膠+6mm(所有玻璃為鋼化玻璃);有節(jié)能要求的采用夾膠+中空復(fù)合真空的結(jié)構(gòu)，如6mm+1.14夾膠+5mm+V+5mm+12A+6mm(所有玻璃為鋼化玻璃)。

　　最后《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ113-2015對真空玻璃的最大許用面積進行了規(guī)定，具體細則如表4所示。

　　如上表所示，該規(guī)程規(guī)定厚度為5mm+V+5mm的真空玻璃(公稱厚度為10mm)，在建筑上應(yīng)用時最大面積不可以超過2.7㎡，這也是從安全性方面考慮對真空玻璃的實際使用提出了限定指標。值得注意的是，該標準制定是依據(jù)非鋼化真空玻璃的強度制定的。如今隨著低溫封接技術(shù)的進步，真空玻璃的表面應(yīng)力得到不斷的提升，目前已經(jīng)可以做到90MPa以上，強度得到極大的提升，因此理論上來說超過上述要求需用面積的真空玻璃產(chǎn)品，如果應(yīng)用在建筑上的，其安全性也是有保障的。

　　四、結(jié)束語

　　綜上所述，行業(yè)內(nèi)經(jīng)各研究單位和真空玻璃生產(chǎn)企業(yè)過多年的技術(shù)積累和研究，在扎實充分的理論分析和計算的基礎(chǔ)上，真空玻璃的自身強度不斷得到提升，完全可以滿足實際應(yīng)用中最惡劣工況下的安全性需要。并且基于對各項標準和規(guī)范的總結(jié)和研究，真空玻璃的設(shè)計和工程應(yīng)用也能得到理論支撐和技術(shù)指導(dǎo)，進一步的保障了真空玻璃產(chǎn)品實際應(yīng)用的安全性，使廣大客戶用得放心。相信在行業(yè)內(nèi)各級領(lǐng)導(dǎo)的關(guān)懷下，在各方同仁的共同努力下，只要我們在科研到生產(chǎn)再到工程應(yīng)用的所有環(huán)節(jié)中尊重科學，遵守法規(guī)和規(guī)范，一定能走出一條真空玻璃健康發(fā)展的康莊大道。

　　參考文獻

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