結(jié)構(gòu)有機玻璃的工程應(yīng)用與研究進展

王元清，孫 洲，王綜軼，鄭寶鋒，湯月生，歐陽元文

(1. 清華大學(xué)土木工程系，北京 100084；2. 中國建筑設(shè)計研究院有限公司，北京 100044；3. 華中科技大學(xué)土木與水利工程學(xué)院，湖北，武漢 430074；4. 東南大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇，南京 211189；5. 湯臣(江蘇)材料科技股份有限公司，江蘇，泰興 225400；6. 上海通正鋁結(jié)構(gòu)建設(shè)科技有限公司，上海 201100)

有機玻璃又名亞克力(acrylic)，化學(xué)名稱為聚甲基丙烯酸甲酯(polymethyl methacrylate，PMMA)，是一種熱塑性塑料，目前已經(jīng)在航天航空、潛水艇、探測器、生物醫(yī)療、水族館等諸多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，同時也逐漸作為大跨度空間結(jié)構(gòu)和公共建筑的外表皮材料使用。

有機玻璃在加工時可通過定向拉伸來改善它的力學(xué)性能，但是經(jīng)過定向拉伸處理的板件一般較薄，而且加工費用高昂，往往用于航空航天領(lǐng)域。結(jié)構(gòu)工程中用的有機玻璃(簡稱結(jié)構(gòu)有機玻璃)是未經(jīng)定向拉伸處理的普通有機玻璃，它與航空航天等其他領(lǐng)域用的有機玻璃相比，除了本身的力學(xué)性能外還有如下區(qū)別：一般建筑和結(jié)構(gòu)的尺寸較大，因而結(jié)構(gòu)有機玻璃的面積和厚度往往較大；通常會采用本體聚合技術(shù)進行拼接(該方法類似于鋼結(jié)構(gòu)中的焊接，但是結(jié)構(gòu)有機玻璃的拼接縫平整且與母材一樣透明，見圖1)。

圖1 有機玻璃的本體聚合Fig.1 Bulk polymerization of acrylic

1 有機玻璃的特點及其工程應(yīng)用

1.1 有機玻璃的特點

玻璃作為一種最常用的透明材料，在建筑與結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用歷史悠久，常用于建筑物外表皮，現(xiàn)在也逐漸被用作承載構(gòu)件使用。經(jīng)過物理或化學(xué)方法處理后的鋼化玻璃，承載性能明顯優(yōu)于普通玻璃，因此在建筑中也得到了廣泛的應(yīng)用。但是，鋼化玻璃的問題仍然非常突出：① 難以避免本身的自爆問題，安全性能不佳；② 無法像鋼材一樣焊接，需要借助膠如硅酮膠來完成連接，大大降低了玻璃建筑的美觀性；③ 保溫隔熱性能不佳，需要鍍膜來提升熱工性能，但是鍍膜價格較高；④ 自重較大，對結(jié)構(gòu)設(shè)計不利；⑤ 雖然被列為可回收材料，但是回收和再造的成本較高，因此回收率低；⑥ 不易二次加工；⑦ 隔聲效果差。

與此對應(yīng)，結(jié)構(gòu)有機玻璃具有諸多優(yōu)點：① 無自爆問題，安全性能較好；② 可本體聚合，而且拼接縫也是完全透明的，不會影響美觀效果；③導(dǎo)熱系數(shù)低約為玻璃的1/5，因此在作為隔熱材料方面有巨大的潛力；④ 密度小(1.19 g/cm3)，自重輕，對結(jié)構(gòu)設(shè)計有利；⑤ 可回收再利用，且回收成本較低；⑥ 可塑性較強，方便二次加工，可預(yù)埋不銹鋼等構(gòu)件實現(xiàn)與主體結(jié)構(gòu)的連接；⑦ 隔聲效果好，常用于聲屏障工程。除以上優(yōu)點外，與其他塑料相比，有機玻璃的耐老化性能優(yōu)越，適合應(yīng)用于戶外工程。

有機玻璃也有一些缺點，例如：① 作為一種高分子材料，在長期荷載作用下會有蠕變和應(yīng)力松弛的問題；② 線膨脹系數(shù)較大，不利于工程設(shè)計；③ 作為一種塑料，防火性能較差；④ 表面硬度較低，易產(chǎn)生劃痕；⑤ 價格比玻璃昂貴。因此，在設(shè)計有機玻璃結(jié)構(gòu)時，需克服其材質(zhì)的缺點，充分發(fā)揮其優(yōu)點。

1.2 有機玻璃在建筑和結(jié)構(gòu)工程中的應(yīng)用

慕尼黑奧運體育場(見圖2(a))是最有名的有機玻璃建筑之一，該體育場為1972年夏季奧運會所建，可容納8萬名觀眾，其屋頂采用透明的有機玻璃實心板，形成了帳篷式的屋頂結(jié)構(gòu)，屋面面積約7.4萬平方米，整個屋面使用吊柱吊起，該體育場對有機玻璃在建筑中的應(yīng)用具有開創(chuàng)性作用。

格拉茨美術(shù)館(見圖2(b))位于奧地利格拉茨，它是為2003年歐洲文化之都慶典所建，外表皮采用藍色的有機玻璃材料，整個建筑物具有強烈的文化氣息。

Godswill Akpabio國際體育場(見圖2(c))位于尼日利亞，體育場的外表皮采用有機玻璃磨砂板，使其達到透光不投影的效果，有機玻璃的面積約1.75萬平方米。由于尼日利亞位于赤道附近，全年強日照，紫外線輻射較強，容易引起材料老化，而有機玻璃具有較強的耐老化性能，因此成為該體育場外表皮的理想材料。

圖2 結(jié)構(gòu)有機玻璃的工程應(yīng)用Fig.2 Engineering applications of structural acrylic

維特拉校園廠房(見圖2(d))于2012年建造，其混凝土外墻外側(cè)包裹一層有機玻璃波紋板，每塊板的寬度1.8 m，高度11 m(建筑的高度)。該波紋板是將平板加熱至60 ℃然后真空塑造而成。由于有機玻璃板材尺寸較大，因此專門為此建造了一個升溫爐。

格拉茨大學(xué)植物園暖房(見圖2(e))也采用了有機玻璃，因為有機玻璃透光性較好(可達到93%以上)，利于植物生長。

圖2(f)為上海力寶廣場一樓，它是將有機玻璃作為第二表皮使用，該建筑物外表皮共有3層，最內(nèi)層和最外層為玻璃、中間層為有機玻璃，有機玻璃的光學(xué)性能極佳，配合不同顏色的光源可呈現(xiàn)出不同的視覺效果。

雄安高鐵站標(biāo)識和支撐該標(biāo)識的墻體(寬20.2 m、高4.5 m)以及部分頂棚均采用了有機玻璃材料(見圖2(g))。圖2(h)為上海巨型有機玻璃碗結(jié)構(gòu)，其最大直徑為16 m，有機玻璃重量約80 t，由20塊厚80 mm的透明有機玻璃曲面板拼接而成。

圖2(i)為2021年江蘇園博園未來花園，該工程由42個相同的傘狀結(jié)構(gòu)連接而成，頂棚為有機玻璃材料，面板厚35 mm，頂棚總面積達到1.5萬平方米，頂棚上方為100 mm厚的景觀水池。圖2(j)為深圳華僑城泳池，該泳池長約21.6 m、寬約8.8 m。

圖2(k)為江門和錦屏中微子探測器，江門探測器位于地下700 m處，有機玻璃球體容器的直徑約為35.5 m，支撐球體的不銹鋼網(wǎng)殼直徑約為40.1 m，建成之后它將是世界上最大的球形中微子探測器；錦屏百噸靶物質(zhì)級探測器正處于方案設(shè)計階段，擬采用直徑約8 m的有機玻璃球，并使用繩索支撐。

2 有機玻璃的相關(guān)研究

國內(nèi)外學(xué)者在有機玻璃材料的力學(xué)性能以及有機玻璃容器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定方面進行了大量的研究。

本文作者依托江門中微子探測器、錦屏中微子探測器、2021年江蘇園博園未來花園三個工程項目并且結(jié)合中國工程建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會《建筑有機玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》的編制工作和住房與城鄉(xiāng)建設(shè)部課題(2020-K-070)“有機玻璃在建筑與結(jié)構(gòu)領(lǐng)域的應(yīng)用技術(shù)研究”，也對結(jié)構(gòu)有機玻璃進行了大量的研究。

2.1 國內(nèi)外其他學(xué)者的研究

國內(nèi)外學(xué)者對有機玻璃的研究較多，由于篇幅限制，本節(jié)只介紹一些有代表性的研究成果。

1) 短期力學(xué)性能

應(yīng)變率會影響粘彈性材料的力學(xué)性能，為了進一步考察應(yīng)變率對有機玻璃力學(xué)性能的影響，Wu等[1 ? 2]對有機玻璃進行了中、低應(yīng)變率下的單軸拉伸試驗，研究發(fā)現(xiàn)有機玻璃表現(xiàn)出明顯的應(yīng)變率強化、高速脆性和應(yīng)變率硬化特征。

有機玻璃在受拉和受壓情況下的性能并不是完全一致的。Richeton等[3]對有機玻璃進行了低、高應(yīng)變率的壓縮試驗來研究有機玻璃受壓時的力學(xué)特征，高應(yīng)變率試驗中采用了分離式霍普金森桿，溫度范圍從?40 ℃至玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化溫度，研究結(jié)果表明當(dāng)溫度升高或應(yīng)變率降低時，彈性模量、屈服強度、應(yīng)變硬化率均會降低。謝中秋等[4]同樣對有機玻璃進行了不同應(yīng)變率下的壓縮試驗，研究發(fā)現(xiàn)有機玻璃的流動應(yīng)力隨應(yīng)變率的增大而增大，準(zhǔn)靜態(tài)作用下有機玻璃呈現(xiàn)延性破壞，但是動態(tài)作用下表現(xiàn)出明顯的脆性破壞特征。國內(nèi)外其他學(xué)者對有機玻璃的短期力學(xué)性能也做了大量的研究[5 ? 9]。

2) 蠕變性能

溫度對粘彈性材料的蠕變性能影響較大，Gao等[10 ? 11]對MDYB-3航空有機玻璃進行了20 ℃、50 ℃和75 ℃下拉伸蠕變試驗，研究發(fā)現(xiàn)溫度和應(yīng)力提高時，有機玻璃蠕變速率顯著增加，他們用陳化理論、Norton 公式和指數(shù)公式分別描述了有機玻璃蠕變?nèi)A段的特征。

有機玻璃的蠕變性能還會受到環(huán)境的影響。為了研究有機玻璃在特定工作環(huán)境下的蠕變特征，Zhou等[12 ? 13]對浸泡在液體閃爍體中的有機玻璃進行了拉伸蠕變試驗，通過時間-溫度等效和時間-應(yīng)力等效原理模擬得到了有機玻璃在長期荷載作用下的蠕變行為，并且采用了熊良宵等[14]提出的定常Burgers模型對試驗結(jié)果進行擬合，取得了較好的結(jié)果。還得出浸泡在特殊液體中有機玻璃的蠕變壽命和拉應(yīng)力的關(guān)系，如表1所示。

表1 浸泡在特殊液體中有機玻璃的蠕變壽命與拉應(yīng)力的關(guān)系[12]Table 1 The relationship between creep life and tensile stress for acrylic immersed in special liquid

為了探究各種蠕變方程對于有機玻璃的適用性，李之達等[15]對有機玻璃進行了單軸拉伸蠕變試驗，并且用Andrade理論、陳化理論、應(yīng)變硬化理論、恒速理論對有機玻璃蠕變曲線進行了擬合。

3) 容器結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定

Zhou等[16]對有機玻璃球殼進行了外壓穩(wěn)定性分析，有限元得到的臨界屈曲荷載與試驗值非常接近，比值在0.92～1.26范圍內(nèi)；還通過蠕變試驗得到了有機玻璃的蠕變模型，并且使用用戶子程序?qū)⒃撃Ｐ洼斎階BAQUS之中，計算了有機玻璃球殼發(fā)生屈曲的時間，從而得到了球殼蠕變穩(wěn)定和工作時間的關(guān)系。

Zheng等[17]研究了有機玻璃球體結(jié)構(gòu)受浮力作用下的旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定問題，他們分別進行了線性和非線性穩(wěn)定分析，然后考慮了不同因素對球體穩(wěn)定性能的影響，最后提出了抵抗旋轉(zhuǎn)失穩(wěn)的優(yōu)化方法。

2.2 圍繞江門和錦屏中微子探測器展開的研究

1) 有機玻璃厚板及帶拼接縫試件的拉伸試驗研究

在建筑、結(jié)構(gòu)和高能物理探測器等領(lǐng)域使用的有機玻璃一般較厚，厚度可能超過100 mm，而且尺寸也較大，常采用本體聚合技術(shù)來連接有機玻璃板。因此，本文作者對有機玻璃厚板以及帶拼接縫的板件進行了準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸試驗[18]。溫度范圍為?40 ℃～ 40 ℃，考慮到單個試件試驗的時間不長，采用如下方法：在正式拉伸試驗前先對試件進行升溫或降溫，降溫裝置見圖3(a)。

準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸試驗加載裝置見圖3(b)，根據(jù)美國規(guī)范ASTM D638[19]，拉伸試件的厚度大于14 mm時加工為14 mm。通過試驗發(fā)現(xiàn)，帶本體聚合拼接縫材料的拉伸強度為無拼接縫材料強度的77.2% ～ 89.6%[18]；厚板呈現(xiàn)明顯的脆性破壞，它的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變曲線與薄板的應(yīng)力-應(yīng)變曲線存在一定的差異。分析試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在準(zhǔn)靜態(tài)試驗中不考慮應(yīng)變率變化的情況下，ZWT(朱王唐)模型的非線性彈性部分可較好地描述結(jié)構(gòu)有機玻璃母材和帶拼接縫試件的本構(gòu)模型(見圖3(c)和圖3(d))。

圖3 單軸拉伸試驗[18]Fig.3 Axial tensile test[18]

2) 江門中微子探測器有機玻璃節(jié)點的承載性能研究

作者前期對江門中微子探測器結(jié)構(gòu)方案進行了大量的分析[20 ? 22]，在此基礎(chǔ)上對有機玻璃與不銹鋼連接節(jié)點也進行了相應(yīng)的研究[23 ? 24]。

設(shè)計了3個圓盤式連接節(jié)點，通過試驗來確定該類節(jié)點的承載性能以及加載時有機玻璃表面的應(yīng)力分布。節(jié)點3在試驗前后的對比見圖4。3個節(jié)點的極限承載力分別為288 kN、325 kN、513 kN[24]。第3個節(jié)點中有機玻璃聚合時的缺陷最少，所以承載力最高。

圖4 江門中微子探測器節(jié)點3試驗[24]Fig.4 Joint 3 test of Jiangmen neutrino detector[24]

試驗無法全面了解有機玻璃上的應(yīng)力分布，需借助于有限元分析。通過有限元分析發(fā)現(xiàn)在荷載達到513 kN時節(jié)點3中有機玻璃的最大Mises應(yīng)力為30.3 MPa，遠小于有機玻璃的極限拉伸強度[18]，其原因可能是有機玻璃在加工時仍存在一定的缺陷或微裂紋。

3) 有機玻璃的斷裂韌性及其節(jié)點的斷裂評估

如前所述，缺陷或微裂紋對有機玻璃承載力的影響較大。為了充分了解其影響規(guī)律，對有機玻璃進行了平面應(yīng)變斷裂韌性試驗(見圖5(a))，試驗溫度范圍為?40 ℃～ 40 ℃，試驗結(jié)果見圖5(b)。由試驗可知，拼接試件的斷裂韌性值均比母材低；在試驗溫度下，母材的斷裂韌性在1.45 MPa·m1/2～2.90 MPa·m1/2，拼接試件的斷裂韌性在1.24 MPa·m1/2～2.21 MPa·m1/2；溫度較低時(?40 ℃、?20 ℃)材料的斷裂韌性比高溫時(40 ℃、20 ℃)要高[25]。

圖5 平面應(yīng)變斷裂韌性試驗及結(jié)果Fig.5 Plain-strain fracture toughness test and results

進一步對江門中微子探測器有機玻璃節(jié)點3進行了斷裂力學(xué)分析，在節(jié)點中分別插入了兩種裂紋：表面裂紋(見圖6(b)和埋藏裂紋。計算結(jié)果見圖6(c)和圖6(d)，其中φ 和β的表示方式見圖6(e)，a0表示半橢圓裂紋深度，R表示埋藏裂紋半徑。以前文的平面應(yīng)變斷裂韌性試驗值作為參考，通過計算發(fā)現(xiàn)當(dāng)溫度為20 ℃，若表面半橢圓裂紋深度為1.5 mm或埋藏裂紋半徑為4.5 mm，節(jié)點會在513 kN的荷載作用下發(fā)生斷裂。在此基礎(chǔ)上對節(jié)點進行了參數(shù)分析，研究了裂紋方向、埋藏裂紋埋入深度、多裂紋相互作用對節(jié)點斷裂性能的影響。該研究為有機玻璃節(jié)點中缺陷的控制起到借鑒作用。

圖6 江門中微子探測器節(jié)點有限元模型[26]Fig.6 Finite element model of Jiangmen neutrino detector[26]

4) 錦屏中微子探測器初步方案設(shè)計

錦屏中微子實驗的探測器的建設(shè)總共分為3個階段：1 t、100 t、1000 t靶物質(zhì)級探測器，此實驗在全世界最深的實驗室——錦屏地下實驗室進行。作者前期完成了1 t級探測器的設(shè)計，該探測器由有機玻璃容器和不銹鋼支撐結(jié)構(gòu)組成，為保證該探測器順利運行，對其結(jié)構(gòu)方案進行了大量的分析[27]。100 t級探測器的示意圖見圖2(k)，該探測器正處于結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，其特點在于使用高性能繩索來支撐有機玻璃球，主要的工程問題為有機玻璃的蠕變穩(wěn)定、高性能繩索的承載性能以及在狹窄空間下的施工方法等。

2.3 圍繞江蘇園博園未來花園展開的研究

1) 有機玻璃結(jié)構(gòu)的設(shè)計和優(yōu)化

江蘇園博園未來花園由42個相同的樹狀結(jié)構(gòu)連成一個整體[28]，單個樹狀結(jié)構(gòu)見圖7(a)，有限元模型見圖7(b)。頂棚采用有機玻璃而下部支撐結(jié)構(gòu)為不銹鋼，42個樹狀結(jié)構(gòu)的不銹鋼是連通的，但是相鄰樹狀結(jié)構(gòu)之間有機玻璃頂棚是通過硅酮密封膠連接的，有機玻璃總面積約1.5萬平方米。有機玻璃頂棚由水平的面板以及面板下側(cè)的肋組成，而每個面板由66個不銹鋼支撐桿支撐。有機玻璃頂棚上方設(shè)計的水面高度為100 mm，在正常工作狀態(tài)下，有機玻璃承受的主要荷載為：自重、水壓、風(fēng)荷載。單個樹狀結(jié)構(gòu)上有機玻璃面板的直徑為21 m，由于尺寸較大，該面板是在現(xiàn)場由多塊板本體聚合拼接而成。本工程采用有機玻璃的主要原因是它可以通過本體聚合拼接(增強了建筑美觀效果)，并且材料不會發(fā)生自爆。

圖7 未來花園單個樹狀結(jié)構(gòu)Fig.7 Single-tree structure of the Future Garden

由于有機玻璃的線膨脹系數(shù)較大，需考慮溫度變化時產(chǎn)生的變形影響。在設(shè)計中，支撐頂棚的不銹鋼桿件與有機玻璃的連接點設(shè)計為滑動支座，以此保證有機玻璃在膨脹和收縮時不會對下部不銹鋼產(chǎn)生水平荷載。

計算時考慮了3種工況：結(jié)構(gòu)自重(工況1)、結(jié)構(gòu)自重+水壓力(工況2)、結(jié)構(gòu)自重+水壓力+風(fēng)荷載(工況3)，進行承載能力極限狀態(tài)設(shè)計時考慮了荷載分項系數(shù)和組合值系數(shù)。從計算結(jié)果可知，在三種工況下有機玻璃上的最大Mises應(yīng)力分別 為：1.12 MPa、3.40 MPa、3.79 MPa[28]。工況3有機玻璃頂棚計算結(jié)果見圖8(a)，最大Mises應(yīng)力主要位于不銹鋼支撐桿與有機玻璃的連接處(見圖8(b))。實際工程中該點的應(yīng)力會小于計算值，因為采用滑動式節(jié)點后支撐桿與有機玻璃的接觸面積會加大(見圖8(c))。在設(shè)計時將有機玻璃上的應(yīng)力控制在較低水平的原因是防止結(jié)構(gòu)發(fā)生蠕變破壞。

圖8 未來花園有機玻璃頂棚在工況3下的計算結(jié)果及節(jié)點形式[28]Fig.8 Calculated results under Condition 3 and joint form of the acrylic roof of the Future Garden[28]

此外，還考慮了溫度作用、節(jié)點失效、和地震作用對單個樹狀結(jié)構(gòu)受力性能的影響。

2) 有機玻璃材料比選及質(zhì)量控制驗證

未來花園項目施工前，有國內(nèi)三家公司參與了有機玻璃工程的競標(biāo)。為了對比各公司材料的性能，分別將各公司生產(chǎn)的母材和帶拼接縫試件進行常溫下的拉伸試驗，其結(jié)果見表2，表中結(jié)果均為5次重復(fù)性試驗結(jié)果的平均值。從表中可以看出，國內(nèi)廠家生產(chǎn)的帶拼接縫有機玻璃的拉伸強度差異較大，廠家A的強度比高達98%，但是廠家C的強度比只有59%，這主要是由于各廠家的本體聚合工藝不同所導(dǎo)致的。

表2 國內(nèi)3個廠家生產(chǎn)有機玻璃的拉伸試驗數(shù)據(jù)對比Table 2 Comparison of tensile test results of acrylic specimens produced by three companies

由前文可知，有機玻璃在本體聚合時需對環(huán)境溫度進行嚴(yán)格控制，圖9為未來花園有機玻璃面板施工現(xiàn)場搭建的恒溫棚。對于帶拼接縫試件而言，它的力學(xué)性能受環(huán)境影響較大?？紤]到在工地的施工環(huán)境與工廠中的加工環(huán)境完全不同，為了控制工程質(zhì)量，未來花園有機玻璃面板施工時，在恒溫棚內(nèi)選定若干代表性區(qū)域，并在該區(qū)域內(nèi)進行試件拼接。由于該拼接試件與本工程有機玻璃面板加工環(huán)境相同，對試件進行試驗便可了解本工程有機玻璃面板聚合的質(zhì)量。最終發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)場拼接試件拼接縫強度為母材強度的86.4%，滿足工程使用要求。

圖9 現(xiàn)場搭建的恒溫棚Fig.9 Temperature-controlled shed built in site

3) 有機玻璃面板的模型試驗

未來花園單個有機玻璃面板尺寸較大(直徑21 m)，為充分了解其在極端荷載作用下的受力性能，設(shè)計了縮尺模型試驗(見圖10)，面板的直徑為6.04 m。

試驗分為2個階段進行：正常加載和破壞加載。正常加載試驗階段中，外部固定一個環(huán)形鋼桶(無上頂面和下底面，使用鋼板圍焊而成)，如圖10(b)所示，將一PVC水袋置于鋼桶內(nèi)側(cè)并向上開口，加載時從上部注水，PVC水袋下部接觸有機玻璃面板，水由于存在重力會對有機玻璃面板產(chǎn)生均勻的壓力。面板的支撐方式見圖10(c)，共有66個支撐點，與實際工程相同?？紤]到有機玻璃在常溫下就會發(fā)生蠕變，該試驗總共持續(xù)32 d，水加至0.5 m高時持載2 d，加至1.0 m時持載7 d，加至1.5 m時持載9 d，加至1.9 m時持載14 d。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，有機玻璃上的應(yīng)力較小，蠕變現(xiàn)象不明顯，表明本結(jié)構(gòu)設(shè)計較為安全。

圖10 未來花園有機玻璃面板模型試驗Fig.10 Model test of the acrylic panel of the Future Garden

第二階段的試驗為破壞加載，將設(shè)計一個反力架使用制動器加載(見圖11)。若按照實際情況使用66個支撐點，即使使用制動器也難以將試件加載至破壞，因此需要設(shè)計一個環(huán)形支撐(只支撐有機玻璃面板的邊緣)。該試驗正在準(zhǔn)備階段，目的是研究該有機玻璃面板在極端荷載作用下的受力性能和破壞特征。

圖11 破壞加載示意圖Fig.11 Diagrammatic sketch of failure loading

4) 有機玻璃結(jié)構(gòu)的現(xiàn)場監(jiān)測和原位加載試驗

基于對有機玻璃屋蓋結(jié)構(gòu)性能及施工過程影響因素的分析，將施工監(jiān)測、運營監(jiān)測和原位加載試驗融為一體、傳感器共享，為園博園未來花園有機玻璃的屋蓋提供全過程的安全保障和數(shù)據(jù)資料。

根據(jù)42個有機玻璃面板聚合施工流程，考慮到結(jié)構(gòu)的對稱性及結(jié)構(gòu)在溫度作用下變形的規(guī)律，分別在施工中的首區(qū)、2區(qū)、3區(qū)、4區(qū)和5區(qū)設(shè)置監(jiān)測系統(tǒng)，總計在8個不銹鋼樹單體上布置4套監(jiān)測系統(tǒng)(每相鄰的兩把傘采用一套系統(tǒng))。監(jiān)測系統(tǒng)在整體平面圖中的布置及編號如圖12所示。

圖12 監(jiān)測系統(tǒng)的布置Fig.12 Layout of the measuring system

由于每個不銹鋼樹單體結(jié)構(gòu)相同，故在上述8個不銹鋼樹單體中布置類似的測量系統(tǒng)，有機玻璃頂棚上的測試系統(tǒng)布置見圖13。考慮結(jié)構(gòu)的對稱性，主要測點布置在對稱分布的兩個圓心角為60°的扇形區(qū)間。其中，包含3個板底應(yīng)變測量點、4個肋底應(yīng)變測量點和5個位移測量點，傘面中心點既作為應(yīng)變測量點，也作為位移測量點。

圖13 單個有機玻璃面板監(jiān)測點布置示意圖Fig.13 Diagrammatic sketch of the measuring points on a single acrylic roof

在施工階段，由于退火溫度較高(80℃)，超過振弦應(yīng)變計的適用范圍，因此采用應(yīng)變片和熱電偶監(jiān)測有機玻璃板面數(shù)據(jù)。在有機玻璃板肋和板面安裝就位后、本體聚合前，在肋底和板底黏貼應(yīng)變片和熱電偶，對本體聚合及高溫固結(jié)過程進行應(yīng)變(溫度)數(shù)據(jù)采集，掌握該施工工藝引起的有機玻璃應(yīng)力情況。監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，實測數(shù)據(jù)與設(shè)計狀態(tài)相近，本體聚合和高溫固結(jié)階段，有機玻璃板面處于浮動狀態(tài)(未與豎向支承桿相連)，有機玻璃板面可以自由膨脹(收縮)，該階段完成后傘面殘余應(yīng)力較小。

在運營階段，應(yīng)變和溫度均由振弦應(yīng)變計監(jiān)測，變形由全站儀+反射片監(jiān)測(見圖14)。有機玻璃板面聚合階段處于浮動狀態(tài)，在聚合完成后，落架、連接豎向支承點前，安裝振弦應(yīng)變計并記錄初始讀數(shù)。為防止振弦應(yīng)變計對有機玻璃傘面的損壞，在監(jiān)測點安裝了有機玻璃過渡墩，過渡墩與有機玻璃板面之間本體聚合，振弦應(yīng)變計與過渡墩螺栓連接。目前近1年的監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，溫度變化對有機玻璃板面應(yīng)變的影響大于有機玻璃板面水位變化產(chǎn)生的影響，但板面應(yīng)變的峰值低于1000 με。

圖14 振弦應(yīng)變計與反射片F(xiàn)ig.14 Vibratory strain gauge and reflector plate

原位加載試驗的目的是，測量有機玻璃水幕在1.5倍水荷載下，結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和位移發(fā)展規(guī)律?？紤]到有機玻璃板面外觀要求及現(xiàn)場的加載條件，此試驗采用水加載的方式。擬選擇位于整個結(jié)構(gòu)邊緣的5號傘面，充分利用邊緣傘面的擋水板的高度，并輔以若干附加擋水板，整體傘面實現(xiàn)150 mm的圍擋，通過水泵實現(xiàn)加載。施工及長期監(jiān)測階段已經(jīng)在5號傘面布置有應(yīng)變、位移和溫度監(jiān)測傳感器，因此，原位加載試驗將應(yīng)用同一批次傳感器。試驗正在進行中。

5) 帶拼接縫有機玻璃的蠕變和疲勞試驗

據(jù)前文所述，蠕變是有機玻璃最突出的問題之一，而且有機玻璃在常溫下就會發(fā)生蠕變。它的短期強度可達到60 MPa～70 MPa[18]，但是在長期荷載作用下，強度可能不足10 MPa。此前各國學(xué)者對有機玻璃都進行了蠕變研究，但是大部分研究都是針對有機玻璃母材，很少有學(xué)者關(guān)注帶拼接縫有機玻璃試件的蠕變特征。然而，在有機玻璃大型結(jié)構(gòu)工程中，本體聚合拼接縫往往被大量使用。從前文的試驗可以看出，拼接縫的力學(xué)性能劣于母材，尤其是在現(xiàn)場施工的環(huán)境下，因此拼接縫一般是設(shè)計中的控制點，研究帶拼接縫有機玻璃試件的蠕變性能至關(guān)重要。另外，學(xué)者們對有機玻璃進行蠕變研究時，主要關(guān)注其拉伸蠕變性能，但是在建筑結(jié)構(gòu)中，有機玻璃在其他受力狀態(tài)下(如壓縮、彎曲、剪切)也會發(fā)生蠕變，因此其他受力狀態(tài)下的蠕變性能也需要研究。

帶拼接縫有機玻璃的疲勞問題也需要研究，目前缺乏相關(guān)試驗數(shù)據(jù)。除了有機玻璃本身的疲勞問題，疲勞和蠕變共同作用下的力學(xué)性能也是待研究的問題之一。蠕變和疲勞試驗正在準(zhǔn)備階段，該項研究對于今后的有機玻璃工程應(yīng)用具有指導(dǎo)意義。

6) 其他

對于有機玻璃結(jié)構(gòu)而言，除了其材料的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)的承載性能外，還有諸多方面的內(nèi)容需要研究，包括：結(jié)構(gòu)有機玻璃的防火性能，有機玻璃的加工、制作和安裝，復(fù)雜有機玻璃結(jié)構(gòu)的施工方法研究。

3 結(jié)構(gòu)有機玻璃的設(shè)計方法探討

3.1 目前設(shè)計中存在的問題

如前所述，學(xué)者們主要對有機玻璃母材進行了研究，很少有學(xué)者對結(jié)構(gòu)有機玻璃本體聚合拼接縫進行研究，因此帶拼接縫結(jié)構(gòu)有機玻璃的強度指標(biāo)(尤其是蠕變強度)等數(shù)據(jù)較為匱乏。在設(shè)計時一般采用非常保守的方法，將有機玻璃上的應(yīng)力控制在3.5 MPa(重要建筑)或5.0 MPa以內(nèi)(一般建筑)，這樣的取值缺乏相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)和分析結(jié)果支撐。

另一方面，荷載的取值也存在困難。短期荷載和長期荷載對有機玻璃的影響差異巨大，但是現(xiàn)行規(guī)范《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB 50009?2012)[29]沒有明確區(qū)分短期荷載和長期荷載。此外，荷載可以按照《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》(GB 50068?2018)[30]來確定其分項系數(shù)，但是由于蠕變試驗時間和價格成本過高，并且在長期荷載作用下結(jié)構(gòu)有機玻璃的強度與荷載作用時間存在一定的相關(guān)性，因此難以給結(jié)構(gòu)有機玻璃賦予一個長期荷載作用下的設(shè)計強度。

3.2 結(jié)構(gòu)有機玻璃設(shè)計建議

3.2.1 荷載分類

有機玻璃的應(yīng)用范圍主要為建筑幕墻、屋面、采光頂?shù)?。荷載劃分方法見表3，荷載主要有自重、風(fēng)荷載、雪荷載、積灰荷載、屋面活荷載、溫度作用、地震作用等。若有機玻璃的上方或側(cè)方有水，那么還會承受水壓。設(shè)計時，可將自重、積灰荷載視為可引起蠕變效應(yīng)的長期荷載作用，而將風(fēng)荷載、溫度作用、屋面活荷載、地震作用視為短期作用效應(yīng)。雪荷載需根據(jù)當(dāng)?shù)靥鞖庖?guī)律來確定是劃分為短期荷載還是長期荷載；水壓也要按照實際情況來劃分。

表3 荷載分類Table 3 Classification of loads

對于玻璃幕墻[31]和采光頂[32]，可根據(jù)規(guī)范來考慮水平地震作用和豎向地震作用。對于風(fēng)荷載，若引起材料的疲勞，還需進行疲勞設(shè)計。

溫度作用的影響較為特殊：有機玻璃線膨脹系數(shù)較大，對于大型有機玻璃結(jié)構(gòu)，通常會設(shè)置滑動支座以及伸縮縫來釋放溫度應(yīng)力，此時不必考慮溫度作用；若結(jié)構(gòu)有機玻璃的溫度變形無法釋放，需計算溫度作用。考慮到溫度是不斷變化的，且其主要導(dǎo)致材料發(fā)生應(yīng)力松弛，為方便設(shè)計，可將其視為短期荷載；另外，溫度的改變又會導(dǎo)致材料性能的變化，同一地區(qū)夏天和冬天的平均溫度可能相差40 ℃，需考慮溫度對材料性能的影響。

3.2.2 設(shè)計建議

結(jié)構(gòu)有機玻璃的設(shè)計建議見表4，需根據(jù)荷載作用情況來分別設(shè)計。

表4 結(jié)構(gòu)有機玻璃的設(shè)計建議Table 4 Design suggestions for structural acrylic

1) 短期荷載作用

若荷載是短期的，有機玻璃的本構(gòu)可按照ZWT模型來確定，ZWT模型[33]的表達式如下：

式中：E0、α、β為描述非線性彈性的常量；E1和θ1分別為描述低應(yīng)變率Maxwell單元的彈性參數(shù)和松弛時間；E2和θ2分別為描述高應(yīng)變率Maxwell單元的彈性參數(shù)和松弛時間。在一般的建筑結(jié)構(gòu)工程中，荷載大部分是準(zhǔn)靜態(tài)的。不考慮應(yīng)變率應(yīng)變時，式(1)可簡化為：

式中，系數(shù)E0、α、β和材料強度均可通過準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸試驗確定。由于不涉及蠕變試驗，通過可靠度分析來確定有機玻璃的短期強度是可行的，設(shè)計時也可以采用建筑結(jié)構(gòu)中常用的概率極限狀態(tài)設(shè)計法。

當(dāng)結(jié)構(gòu)有機玻璃的厚度較大時(≥14 mm)，它的破壞是脆性的，應(yīng)力-應(yīng)變曲線也逐漸趨向線性。如按照純彈性來分析，即 σ=Eε，計算時更加簡便。但是，是否能按照純彈性來設(shè)計仍需要大量的試驗結(jié)果來驗證。

2) 長期荷載作用

由于蠕變理論較為復(fù)雜，不便于設(shè)計，為簡化計算，粘彈性材料受長期荷載作用時可采用偽彈性設(shè)計方法。首先需進行蠕變試驗，得到相關(guān)數(shù)據(jù)，然后根據(jù)設(shè)計使用年限以及材料的等時曲線來確定蠕變模量或柔量，等時曲線即固定時間下的應(yīng)力和應(yīng)變關(guān)系，見圖15，圖中J即為蠕變?nèi)崃?。直接通過試驗獲得長時間(如20年以上)的等時曲線非常困難，需要用到等效原理[34]。

圖15 等時曲線Fig.15 Isochronous curves

長期強度的確定也依賴于蠕變試驗。同樣，長時間的蠕變試驗數(shù)據(jù)難以直接得到，需要使用到曲線擬合的方法：用高應(yīng)力短時間的結(jié)果來推導(dǎo)低應(yīng)力長時間的結(jié)果。文獻[12]采用式(3)對有機玻璃的蠕變強度和斷裂時間進行了擬合，擬合結(jié)果較好。

式中：n和C為材料常數(shù)；tf為斷裂時間。根據(jù)式(3)可確定設(shè)計使用年限(斷裂時間)下的強度。該式對于帶拼接縫的有機玻璃材料是否適用仍有待驗證。

3) 短期荷載+長期荷載

當(dāng)結(jié)構(gòu)上有短期荷載和長期荷載共同作用時，應(yīng)分2步來考慮：第①步，單獨考慮長期荷載作用，按照前文的方法進行計算；第②步，將長期荷載和短期荷載產(chǎn)生的應(yīng)力進行疊加，計算時模量仍采用蠕變模量，所選取的材料強度宜在短期強度的基礎(chǔ)上考慮一定的折減，引入折減系數(shù)主要是考慮到長期荷載對材料造成的損傷，這一系數(shù)的具體取值方法也有待研究。

4 結(jié)束語與展望

與普通玻璃材料相比，結(jié)構(gòu)有機玻璃有突出的優(yōu)點，比如可本體聚合、無自爆風(fēng)險等，它在建筑領(lǐng)域和高能物理設(shè)備中的應(yīng)用越來越多。但是，結(jié)構(gòu)有機玻璃的工程應(yīng)用，仍有大量的問題亟待解決：

(1) 大型有機玻璃結(jié)構(gòu)常采用本體聚合技術(shù)來拼接板材，而拼接縫的力學(xué)性能劣于母材，對于拼接縫力學(xué)性能的研究仍需要做大量的工作。

(2) 結(jié)構(gòu)有機玻璃在常溫下就會發(fā)生蠕變，這是影響結(jié)構(gòu)使用安全的關(guān)鍵因素之一。在實際工程中，結(jié)構(gòu)有機玻璃的受力較為復(fù)雜，因此不僅僅需要關(guān)注它的拉伸蠕變性能，還需要關(guān)注它在壓縮、彎曲、剪切等受力狀態(tài)下的蠕變性能。

(3) 本文提出了結(jié)構(gòu)有機玻璃的設(shè)計建議，但是其中仍有很多參數(shù)需要通過試驗研究來確定。

(4) 為了將有機玻璃在結(jié)構(gòu)工程中進一步推廣，需要對它的防火性能，加工、制作和安裝，大型有機玻璃結(jié)構(gòu)的施工方法等問題進行深入研究。