幕墙玻璃破碎原因分析

    前言

    自1983年上海联谊大厦作为上海市第一个玻璃幕墙工程竣工以来，这20多年中，玻璃幕墙建筑大量涌现。据不完全统计，上海现有各类既有建筑玻璃幕墙共约3 000项，总面积约800万m2。可以说，上海已成为我国玻璃幕墙建筑数量最多的城市。

    玻璃幕墙建筑是融建筑功能和建筑艺术为一体的建筑外围护结构，大多用于商业大楼、且地处人流密集的地段，因此需要较高的建筑技术和管理水平，才能保证其达到应有的建筑效果和长期安全使用的要求。不少较早建成的玻璃幕墙已使用十年以上，个别幕墙已出现玻璃碎裂，开启窗脱落等危及安全的情况。随着时间的推移，这种情况还会日益增多，它们是否还能继续安全使用成了疑点。况且前些年混乱局面所遗留下来的隐患又情况不明，上海作为全国拥有玻璃幕墙最多的城市，散布在全市各人流最密集地区的玻璃幕墙究竟有多少，存在哪些问题，这些都成了领导和广大民众关注的焦点。

    1、安全玻璃的定义

    1.1 幕墙玻璃破碎原因分析

    幕墙玻璃破碎的原因有内因和外因。外因包括：①设计问题造成玻璃受力状况不合理；②设计选型、选材不能满足强度要求；③安装施工不规范使玻璃局部受力超过承载极限；④遭受外力撞击造成玻璃爆裂等。内因主要是指由钢化玻璃内部杂质所造成的破碎，即钢化玻璃的“自爆”。

    1.2 安全玻璃的定义

    根据《建筑用安全玻璃》规定，所谓的安全玻璃，是指符合国家标准的夹层玻璃、钢化玻璃，以及用它们加工制成的中空玻璃，这其中尤以夹层玻璃以及用夹层玻璃制成的中空玻璃的综合性能为最佳。国家标准《建筑用安全玻璃第2部分: 钢化玻璃》 （GB 15763.2 —2005）规定，“钢化玻璃的表面应力不应小于90 MPa”。也就是说，凡是玻璃表面应力＜90 MPa的，均为非安全玻璃。而由国家发展改革委、建设部、质检总局、工商总局等发布的《建筑安全玻璃管理规定》（发改运行[2 0 0 3]2 1 1 6号）第六条规定，“幕墙（全玻幕墙除外），必须使用安全玻璃”。安全玻璃属玻璃深加工产品，具有抗冲击性强，受撞后破而不碎、不掉渣、不分离的特点。一般民用钢化玻璃是将普通玻璃通过热处理工艺，使其强度提高3~5倍，可承受一定能量的外来撞击或温差变化而不破碎，即使破碎，也是整块玻璃碎成类似蜂窝状钝角小颗粒，不易伤人，从而具有一定的安全性。夹层玻璃作为一种安全玻璃在受到撞击破碎后，由于其两片普通玻璃中间夹的PVB膜的黏接作用，不会像普通玻璃那样在破碎后产生锋利的碎片伤人。

    2、钢化玻璃自爆

    通常钢化玻璃的自爆是由其自身含有的硫化镍结晶物引起的。NiS在379℃时有一相变过程，即从高温状态的α-NiS晶系转变为低温状态β-NiS晶系，此时体积膨胀2%~4%，且表面粗糙。如果这些杂质是在钢化玻璃张应力区内，则体积膨胀就可能引起炸裂，即产生自爆现象（图1）。

钢化玻璃自爆后碎片形状有以下规律：①破裂裂纹呈放射状，起始点一般在玻璃中央；②破裂中心有两小块多边形组成的蝴蝶斑，公共边一般为直线；③两个蝴蝶斑公共边侧面有肉眼可见的黑色小颗粒（硫化镍晶体结石）（图2~4）。

    3、玻璃热炸裂

    建筑玻璃的热炸裂有着多种因素，受到玻璃自身性能和外部环境条件的复杂影响（图5）。造成玻璃自身热炸裂的原因大致有3类：太阳辐射、外加荷载和设计因素。除此之外，玻璃与框架作为结构整体还有制造和装配方面的影响。建筑玻璃的热炸裂是一个综合性的问题，我们要全面考虑各个因素的作用，针对工程实际找出并控制其主要因素。

    就一般情况而言，制约玻璃热炸裂的主要因素有3个，即玻璃的吸热率、板面尺寸和玻璃边的加工质量。

    3.1 玻璃的吸热率

    由于热炸裂的机理是玻璃吸收阳光中的红外辐照，自身温度升高，与边部的冷端之间形成温度梯度，造成非均匀膨胀或受到约束，形成热应力，进而使薄弱部位发生裂纹扩展。

    3.2 玻璃的板面尺寸

    玻璃的板面越大，受热膨胀后的变形也越大，形成的约束反力也越大，相应地造成更大热应力，增加了热炸裂的几率。

    3.3 玻璃边的加工质量

    玻璃热炸裂一般从玻璃边部起始，边部的拉应力最大，加工缺陷最严重。导致钢化玻璃热炸裂的外部原因有多种，包括荷载、碰撞、焊滴、不适当的间隙和边部损害等。而导致钢化玻璃破损的内在因素包括钢化玻璃边部缺陷等应力集中区域、钢化玻璃内部应力过大和钢化玻璃内部存在杂质。

    4、施工质量要求

    行业标准《玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ 102 —2003）中规定了玻璃边缘与槽口的配合尺寸，就是为保证玻璃在温度变化和其他因素影响下能自由伸缩，且玻璃槽的两侧不能用硬性材料填塞，必须采用柔性连接，确保玻璃具有足够的弹性，从而能够自由翘曲变形。

    5、建议措施

    综上所述，若想预防幕墙玻璃自爆的现象，笔者认为首先需要从以下方面加强措施：

    （1）建议玻璃生产供应商从选择材料开始就严把质量关，选用含硫化镍晶体结石较少的优质原片；在加工过程中避免钢化应力过大；对钢化玻璃进行均质处理（引爆），即二次热处理。

    （2）合理选择玻璃面积，玻璃面积越大越容易引起热炸裂。

    （3）尽量选用安全玻璃，特别是采用夹层钢化玻璃。

    （4）在太阳光照射面上，应尽量选择经过热处理的吸热玻璃、热反射玻璃。

    （5）安装幕墙玻璃时，应先对玻璃进行处理，最简单的方法是进行磨边处理，以消除玻璃边部的微裂纹。