屏蔽门玻璃的选用及有限元分析

2012-02-20苏会强应寅琼

装备制造技术 2012年5期

姜翼，苏会强，应寅琼

（宁波南车时代传感技术有限公司，浙江宁波 315021）

随着我国经济的快速发展，大中城市的交通运输，也面临严重的压力。为了缓解这种压力，速度快和运输量大的地铁及轻轨交通工具，普遍受到欢迎。轨道交通不仅可以缓解日益严重的交通堵塞，还能有效地解决人员出行问题，降低城市交通运行成本。伴随着轨道交通的发展，轨道交通候车站台的安全隐患和能源消耗等问题，也逐渐被凸显出来，因此地铁屏蔽门（Platform Screen Door简称PSD）系统技术，也逐渐得到广泛的应用和发展。

地铁屏蔽门系统，不仅可以降噪节能，而且还能有效避免安全事故的发生，因此已被越来越多地用于地铁车站中。为了增加屏蔽门系统与地铁站台装修设计的美观性，屏蔽门系统一般都采用钢化玻璃，以达到通透性要求。但随着钢化玻璃的广泛应用，屏蔽门玻璃突然爆裂的现象，也时有发生，所以门体玻璃材质的选用及结构设计，也逐渐得到了重视。

1 钢化玻璃性能及爆裂现象分析

玻璃是一种透明脆性均质材料，是一种凝固的液体，是处理采光的最佳建筑材料。钢化玻璃通常是将普通玻璃和浮法玻璃加热至软化点，然后用常温空气均匀地喷涂骤冷而成。采用这一处理办法，能使表面形成压缩应力，其能消除破坏玻璃的拉应力，比同厚的浮法玻璃强度高3～5倍。即使万一破损，也会变成颗粒状，具有很高的安全性。

玻璃在钢化后，不能再切割，所以玻璃板材必须按设计尺寸下料后，再进行热处理，而且切角、打孔等加工，都必须在钢化前进行。钢化玻璃存在很高的自应力，所以一旦局部受损，便会整块粉碎，所以搬运，贮存都应特别小心。

综合考虑钢化玻璃爆裂的原因，主要有：设计缺陷造成玻璃受力状况不合理；设计选材、选型不能达到强度要求；安装施工不规范，使玻璃局部受力超过承载极限；玻璃中夹杂的硫化镍（NiS）杂质相变所造成的破碎，即钢化玻璃的自爆等。

在生产玻璃的原料中，通常含有微量的Ni和S，当玻璃加工受热时，这些Ni和S原子发生反应形成微小的NiS晶体。这些晶体通常以两种方式存在：高温下稳定的密度较大的α相晶体和室温下稳定的密度小一些的β相晶体。

浮法玻璃中NiS晶体基本上以β相晶体存在，而在加工钢化玻璃时的高温强化过程，会把所有的NiS晶体都转化成高密度的α相晶体，但后续低温冷却过程迅速，以致NiS晶体没有充足的时间重新转化成β相晶体。NiS晶体由高温状态的α相转化成低温状态β相时，体积膨胀2%～4%，如果α相晶体位于钢化玻璃张应力区内，则体积膨胀就会引起玻璃破碎，即产生自爆现象。

2 屏蔽门玻璃的安全选用

据相关报道，2011年上海轨道交通屏蔽门相继发生钢化玻璃突然爆裂事件。为了避免此类事件的发生，屏蔽门玻璃宜采用安全玻璃。根据国标《建筑用安全玻璃》规定，所谓的安全玻璃是指钢化玻璃、夹层玻璃，或者由这两种玻璃组合的中空玻璃。

屏蔽门系统作为地铁站台建筑装修的重要组成部分，不仅要满足整体装修风格的统一协调，还要保证使用的安全性。因此屏蔽门通常用大面积玻璃，来营造明亮的室内光环境，并达到建筑空间交融的效果。

屏蔽门玻璃的安全选用，应符合国家相关标准，根据《玻璃幕墙工程技术规范》和《建筑玻璃应用技术规程》规定，考虑到地铁站台属于人流集中的公共场所，屏蔽门玻璃还有抗风压和防人体冲击要求，所以屏蔽门玻璃选用应以钢化玻璃为主。

钢化玻璃在使用过程中，有一种不可避免的特性就是自爆。据统计，自爆发生的概率是静态自爆率约2‰～3‰，安装施工后使用过程中自爆率约3‰～5‰左右。

目前，国内外生产厂家对钢化玻璃自爆问题，还无有效解决办法，被业界视为“建筑用幕墙玻璃的癌症”。

为了降低玻璃自爆对乘客的损伤，可以选用经过均质处理的钢化玻璃。将钢化玻璃再次加热到290℃左右，并保温一定时间，使NiS晶体在玻璃出厂前完成晶相转变，让可能发生自爆的玻璃，在工厂内提前破碎。这种钢化后再次处理的方法，通常称作“均质处理”。经过正规均质处理后的钢化玻璃，其自爆概率比未作二次处理的下降50%以上。

屏蔽门玻璃在实际运用中，受不同地区、不同环境的影响，所承受的风压并不完全相同。因此，屏蔽门玻璃也可选用更为安全的夹层玻璃。目前，新加坡地铁半高安全门使用就是夹层玻璃。夹层玻璃是在两层或两层以上薄片玻璃之间，用有弹性的有机塑料粘合剂粘合而成。由于玻璃与塑料组合在一起，当冲击破裂时，夹层玻璃能最好地保持其完整性，即破裂后不易四散分开，仅在表面出现裂纹而不脱落，如图1。

图1 夹层玻璃

夹层玻璃中间层为聚乙烯醇缩丁醛膜（PVB膜），其厚度尺寸一般为0.375 mm、0.75 mm、1.5 mm等。将玻璃与PVB膜经高压窑等设备的加压加热工序组合而成后，形成夹层玻璃。其最大的特点为安全性，当遭受外力破坏后，只产生裂痕，但不会碎落，还具有良好的隔声和防紫外线的功能。PVB能吸收冲击能量，用不同厚度的PVB和玻璃片数，可制成防弹玻璃。

为了确保城市公共安全，我们应综合经济、技术和应用各方面因素，正确选用屏蔽门玻璃。当然设计时也应根据规范及工程实际的受力情况，选择最佳的玻璃形式，使整个玻璃结构处于合理受力状态，以避免额外应力，增加结构使用的安全性。

3 屏蔽门玻璃的有限元分析

屏蔽门玻璃在实际使用中，会受到复杂的载荷影响。可以利用ANSYS的程序语言APDL，建立钢化玻璃结构的参数化模型，通过参数化方式分析钢化玻璃在载荷作用下的力学性能，保证屏蔽门钢化玻璃的强度满足使用要求。

在屏蔽门玻璃有限元模型中，采用三维20节点实体结构单元solid95，利用扫略法将模型划分为六面体网格，如图2。

图2 钢化玻璃有限元模型

图3 为钢化玻璃的结构变形及应力分布情况，载荷工况为：风压1 000 N/m2；挤压载荷1 500 N/m2；冲击载荷2 800 N，时间0.08 s；水平加速度0.2 g；垂直加速度0.1 g。

由图3a)可知，该工况下钢化玻璃最大变形为4.3 mm，位于玻璃中心。由图3 b)可知，钢化玻璃的剪切拉应力与剪切压应力相等，呈对称分布。

图3 钢化玻璃的结构变形及应力分布情况

在国标《玻璃幕墙工程技术规范》6.1.1中规定，“框支承玻璃幕墙单片玻璃的厚度不应小于6 mm”。考虑加载上述工况下，钢化玻璃的最大应力随玻璃厚度的变化曲线，如图4。

图4 钢化玻璃的最大应力随厚度的变化曲线

当厚度由4 mm增加到14 mm时，钢化玻璃的最大应力开始时急剧下降，然后缓慢变化。这说明薄的钢化玻璃的承载能力较差，但是当玻璃的厚度达到一定程度后，随厚度的增加，玻璃的承载能力提高很小。

所以在选择或者设计玻璃时，应注意：玻璃的厚度不能太薄，而且也不需要太厚，在该工况条件下，玻璃的最佳厚度应在8～10 mm之间，因为该厚度的钢化玻璃，即可以有效地降低应力，又可以防止超重等，避免不必要的材料消耗。所以通过ANSYS软件的理论分析，也进一步证明了屏蔽门玻璃厚度选择为8～10 mm的经济可行性。