摘要
本⽂从实际应⽤的⾓度出发，结合国内对建筑⽤安全玻璃的标准和规范的具体要求，论述了真空玻璃应⽤安全性⽅⾯的问题。在提⾼真空玻璃产品⾃⾝强度⽅⾯，使⽤低温封接技术提⾼真空玻璃表⾯应⼒，通过理论分析和计算来科学合理地设计⽀撑物外形和排列间距，并模拟实际使⽤⼯况分析计算真空玻璃封边强度，从上述三个⽅⾯论述了真空玻璃在实际应⽤中具有很⾼的安全性。最后，结合标准和规范中对真空玻璃应⽤中安全性的规定，分别给出了真空玻璃在玻璃幕墙、门窗以及采光顶等场所应⽤时推荐使⽤的安全配置。 ⼀、前⾔
真空玻璃是新型玻璃深加⼯产品，是我国玻璃⼯业中为数不多的具有⾃主知识产权的节能玻璃品种，它相⽐较于传统的中空玻璃具有传热系数低、抗结露因⼦级别⾼、隔声性能⾼、寿命超长、结构轻薄等优势。
真空玻璃是由两层平板玻璃构成的玻璃制品，两层玻璃之间为⽓压低于0.01pa的真空层，使得⽓体传热可忽略不计，这是真空玻璃热⼯性能优异的机理。为了平衡真空玻璃内外⼤⽓压差，必须在两层玻璃之
间设置“⽀撑物”⽅阵，类似房屋中的承重柱，同时“⽀撑物”使玻璃之间保持间隔，形成真空层。“⽀撑物”⽅阵不仅要平衡⼤⽓压差，还要考虑到⽀撑
物“热桥”形成的传热，以及避免影响玻璃通透性，通常都要经过复杂和严格计算来综合各种因素来进⾏设计。真空玻璃的结构如图1所⽰。
图1真空玻璃结构⽰意图
⼴⼤⽤户选⽤真空玻璃的原因主要是看中了其优异的保温隔热性能，可以⼤幅度的降低⽤于建筑物采暖和制冷的能耗。在实际⼯程应⽤中，不少⽤户关⼼真空玻璃的安全性问题。关于真空玻璃的“安全性”这⼀概念，可以从两个⽅⾯来介绍：⼀是真空玻璃⾃⾝强度;⼆是各种标准和规范对真空玻璃的实际应⽤提出的具体的限定指标。真空玻璃产品经过多年的研究和改进，不仅不断的提升⾃⾝强度指标，同时也在适应各种标准和规范的要求，不断完善产品结构，进⼀步提升产品的安全性。
⼆、真空玻璃⾃⾝强度对产品安全性的影响
1.表⾯应⼒和碎⽚状态
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影响真空玻璃⾃⾝强度最主要的因素是玻璃的表⾯压应⼒，产品的表⾯压应⼒越⼤，其强度越⾼，越不易破碎。⼀旦玻璃意外发⽣破碎，表⾯压应⼒越⼤的玻璃其碎⽚的尺⼨越⼩，对⼈⾝安全来说，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办法就是想办法提⾼产品表⾯应⼒。
最初的真空玻璃产品是采⽤未钢化的平板玻璃加⼯，产品强度低，安全性差，现已基本淘汰。⽬前⾏业内众多真空玻璃⽣产⼚商都在使⽤钢化玻璃来⽣产真空玻璃，并且结合各种低温封接技术，使最终真空玻璃成品的表⾯应⼒不断提⾼。现在已经可以规模化⽣产表⾯应⼒⾼于90MPa的真空玻璃产品，破碎后任意50mm×50mm区域内碎⽚数量均不⼩于40个，完全符合国标《建筑安全玻璃第⼆部分钢化玻璃》GB15763.2的要求，破碎后的状态与钢化玻璃相同。因此，这样的真空玻璃习惯上被称为“钢化真空玻璃”，是⽬前市场上强度和安全系数最⾼的真空玻璃产品，如图2所⽰。电锅炉制造
图2 钢化真空玻璃碎⽚状态
钢化玻璃是通过使平板玻璃在应变点以上快速冷却的⽅法使表⾯形成压应⼒层，从⽽提⾼强度。但玻璃⾃⾝结构的缺陷，如硫化镍粒⼦、结⽯等会导致钢化玻璃⾃爆。⽬前⾏业内普遍认为钢化玻璃的⾃爆率不超过0.3%。如将钢化玻璃进⾏均质处理，其⾃爆率会进⼀步降低。
真空玻璃的加⼯⼯艺有⼀个特点，在其边部封接材料熔封过程中，通常要将玻璃加热到300℃以上，并保持较长的⼀段时间，这与钢化玻璃均质过程相似，因⽽钢化真空玻璃成品⾃爆率经过这⼀⼯艺过程得到了有效的控制，进⼀步提⾼了使⽤安全性。
2、⽀撑物矩阵设计
另⼀个影响真空玻璃强度的因素是⽀撑物矩阵的设计。真空玻璃中间层的⽀撑物起到平衡玻璃⽚内外⼤⽓压差的作⽤，如图3所⽰。⼤⽓压对真空玻璃外表⾯施加了⼀个均布载荷，在真空层内要由⽀撑物对玻璃内表⾯施加的⽀撑⼒来平衡。玻璃基⽚与⽀撑物的相互作⽤使真空玻璃产⽣以下3个主要的应⼒：(1)玻璃基⽚的弯曲应⼒，在⽀撑位置玻璃外表⾯和⽀撑物连线中点玻璃内表⾯产⽣极值;(2)⽀撑物压应⼒;(3)⽀撑物与玻璃的接触应⼒。图4所⽰为偏光镜下真空玻璃⽀撑物矩阵的应⼒斑，也称为真空星。
为保证⽀撑物矩阵不会影响玻璃采光和视觉效果，通常都将⽀撑物设计的⽐较⼩，并且希望⽀撑间距尽量增⼤。通过合理布置⽀撑物间距和设计⽀撑物的外形尺⼨，能保证上述3个应⼒在材料允许的范围内，同时得到真空玻璃最低的导热系数。因⽽，真空玻璃⽀撑物的形状、端⾯⾯积和矩阵排列的间距都需要经过严格的理论计算来进⾏设计，使真空玻璃在使⽤过程中的安全性得到有效的保障。
图3真空玻璃构造及⼤⽓压作⽤下应⼒分布⽰意图
图4真空玻璃⽀撑物矩阵应⼒斑
参考《建筑玻璃应⽤技术规程》JGJ113-2015对平板玻璃长期荷载作⽤下安全强度设计值的具体规定，以直径为0.6mm 的环形⾦属⽀撑物为例，假设⽀撑物表⾯处理为理想状态，即光滑⽆⽑刺棱⾓，经过模型分析和模拟计算，真空玻璃允许的最⼤⽀撑物间距可参考表1数据。该结果经过试验验证与
实际使⽤情况符合度⾮常⾼。
表1 真空玻璃基⽚厚度允许的最⼤⽀撑距离
由此可见，为了同时兼顾保温性能和使⽤安全性，真空玻璃的⽀撑物设计和间距的选择应该参考表1提供的参考数据，在合理的范围内选择，让⼴⼤⽤户放⼼。
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3、封边可靠性
真空玻璃是通过焊料(通常是低温玻璃焊料)沿着四周将两⽚平板玻璃密封在⼀起，封边宽度通常在10-16mm之间。真空玻璃在实际应⽤中，尤其是在隐框幕墙的应⽤中，由于受到外⼒、玻璃本⾝⾃重以及温差等多重作⽤，低熔点封边玻璃焊料在满⾜密封功能之外，还需要满⾜⼀定的⼒学性能要求。
⽬前，各真空玻璃⽣产⼚家所使⽤的封边焊料都不尽相同，并且有各⾃独特的加⼯⼯艺，难以逐⼀列举计算。本节选⽤北京新⽴基真空玻璃技术有限公司所使⽤的低熔点玻璃焊料为例，通过实测数据和理论计算，分析真空玻璃在实际使⽤中受到⾃重、温差以及风载荷作⽤下的边部应⼒状态和⼤⼩，来说明真空玻璃封边的可靠性问题。
对玻璃焊料的基本性能进⾏三点弯曲强度试验、封接界⾯的拉伸和剪切强度测试。低熔点玻璃焊料的弯曲强度按《玻璃材料弯曲强度试验⽅法》JC/T676-1997标准执⾏，真空玻璃封接界⾯拉伸和剪切强
度按《ISO13124 Fine ceramics ( advanced ceramics, advanced technical ceramics )-test method for interfacial bond strength of ceramic materials》标准执⾏。测试结果如表2所⽰。
表2 低熔点玻璃焊料强度测试结果
⾸先考虑玻璃⾃重对封边的影响。竖直放置的复合真空玻璃中的⼀⽚或⼏⽚玻璃⾃重全部由边缘封接部位承担，受到剪切应⼒作⽤。例如玻璃结构为T6+夹胶+T6+V+T6+9A+T6的复合真空结构，玻璃尺⼨为2.8m×1.8m，封边宽度10mm，真空玻璃封接部位承受共12mm厚度的玻璃⾃重影响，经过计算其剪切强度为0.0161MPa。从表2中得到低熔点玻璃焊料封接界⾯的剪切强度为3.45MPa，按持久应⼒作⽤取安全系数为6，则设计强度为0.575Mpa，远⾼于上述举例中真空玻璃封接部位实际承受的剪切强度。因此，真空玻璃边缘封接强度能够承受玻璃⾃重的作⽤。
其次考虑温差作⽤下真空玻璃边缘封接的可靠性。当真空玻璃内外⽚温度不同时，因真空玻璃内外⽚膨胀程度不同，可造成边缘封接部位产⽣剪切应⼒。通过模型计算结果显⽰，温差引起的对玻璃焊料的剪切应⼒只与温差和玻璃基⽚的厚度有关，与真空玻璃长宽尺⼨⽆关。表3为通过计算得到的不同厚度真真空玻璃基⽚和不同温差下封接部位剪切应⼒数值。
表3不同厚度真空玻璃基⽚和不同温差下封接部位剪应⼒
由计算结果可以看出，由温差产⽣的封接部位剪切应⼒远⼩于封边玻璃实际测试的剪应强度(3.45MPa)，因此，温差对封边玻璃的影响可以忽略不计。
最后考虑风载荷作⽤下真空玻璃边缘封接可靠性。假设真空玻璃边部处于⾃由状态，不受边框约束，这时风压下真空玻璃边部会发⽣弯曲，最⼤应⼒产⽣在最⼤弯矩处，即边部中⼼位置。按照前⾯复合结构真空玻璃的例⼦，长边2.8m为⾃由边，通过理论计算得到焊料承受的最⼤弯曲应⼒为2.99MPa。表2实际测量得到的低熔点玻璃焊料弯曲应⼒为
33.16MPa，按短期载荷作⽤，取安全系数为3，则设计强度为11.05MPa。可见，实例中的真空玻璃在该设计风压作⽤下封边焊料是安全可靠的。⽽实际上真空玻璃装配在幕墙或门窗后，由于边部有框架或密封胶的⽀撑作⽤，在风压作⽤下实际弯矩远⼩于完全⾃由状态。根据权威部门实际风压测试结果显⽰，该真空玻璃结构边缘封接部位实际承受国家最⾼级别5000Pa风压测试，仍保持结构和功能完好。
三、标准和规范中对真空玻璃应⽤中安全性的规定
为保证真空玻璃在实际应⽤中的安全性和防护性，除了需要满⾜前⾯介绍的有关真空玻璃⾃⾝强度的各种设计指标以外，还应满⾜各种⼯程应⽤技术规范的要求，使真空玻璃产品结构设计乃⾄运输、安装和使⽤等各个⽅⾯都有理有据，使⼴⼤客户可以放⼼使⽤。
通过对中国地区幕墙⽤玻璃的各种规范和⼯程应⽤指南的调研和汇总，可以得到对幕墙⽤真空玻璃的总体性要求：幕墙(全波幕墙除外)必须使⽤安全玻璃(钢化玻璃、夹层玻璃及由钢化玻璃或夹层玻璃组合加⼯⽽成的其他玻璃制品)；玻璃幕墙采⽤夹层玻璃时，宜采⽤⼲法加⼯合成；框⽀承玻璃幕墙，单⽚玻璃的厚度不应⼩于6mm，离⼦性中间层夹层玻璃的单⽚厚度不应⼩于4mm、PVB夹层玻璃的单⽚厚度不应⼩于5mm；夹层玻璃、中空玻璃的单⽚玻璃厚度相差不宜⼤于
3mm。针对上述通⽤性要求，建议幕墙⽤真空玻璃采⽤以下三种结构：
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中空+真空+夹胶
中空+真空+中空
夹胶+真空+夹胶
除此之外，《建筑安全玻璃管理规定》要求，除幕墙(全波幕墙除外)必须使⽤安全玻璃外，以下位置也需要使⽤安全玻璃：7层及7层以上建筑物外开窗;⾯积⼤于1.5m2的窗玻璃，或玻璃底边离最终装修⾯⼩于500mm的落地窗；公共建筑物的出⼊⼝、门厅等部位。因⽽真空玻璃在上述场所的使⽤也建议采⽤复合结构。
根据规定，除上述特殊位置之外的窗玻璃可以单独使⽤真空玻璃，尤其是强度⾼安全性好的钢化真空
玻璃。考虑到为了满⾜型材设计需要，可以在单真空玻璃的基础上适当复合⼀层单真空或单夹胶的结构，都是值得推荐的配置。
真空玻璃由于腔体内的真空度可以达到1.0×10-2Pa，因此在平放使⽤时，不会因为⽓体传导⽽造成传热增⼤，采光顶也是真空玻璃的重要应⽤⽅⾯。由于采光顶⽤玻璃需要承受⽔平⾃重、⼈员踩踏以及⾬雪载荷等，因此国内对这个领域的建筑玻璃应⽤有具体⽽明确的规定，主要内容汇总如下：
1) 采光顶玻璃应为安全玻璃。屋⾯距离地⽅⾼度⼤于3m时，必须采⽤夹胶玻璃；上⼈采光顶⽤玻璃必须采⽤夹层玻璃;
2) 采光顶玻璃单⽚不宜⼩于6mm，夹胶玻璃单⽚不宜⼩于5mm，其中上⼈屋⾯单⽚玻璃厚度不宜⼩于8mm，且夹层胶⽚厚度不应⼩于0.76mm，夹层玻璃的两⽚玻璃厚度相差不宜⼤于2mm;
3) 采光顶玻璃⾯板简⽀矩形最⼤相对挠度为短边/60;
4) 玻璃⾯板⾯积不宜⼤于2.5㎡，长边边长不宜⼤于2m;
针对上述规定，建议没有节能要求的采光顶采⽤夹胶复合真空结构，如双⾯夹胶真空玻璃6mm+1.14夹胶
+5mm+V+5mm+1.14夹胶+6mm(所有玻璃为钢化玻璃)；有节能要求的采⽤夹胶+中空复合真空的结构，如6mm+1.14夹胶+5mm+V+5mm+12A+6mm(所有玻璃为钢化玻璃)。
最后《建筑玻璃应⽤技术规程》JGJ113-2015对真空玻璃的最⼤许⽤⾯积进⾏了规定，具体细则如表4所⽰。
如上表所⽰，该规程规定厚度为5mm+V+5mm的真空玻璃(公称厚度为10mm)，在建筑上应⽤时最⼤⾯积不可以超过2.7㎡，这也是从安全性⽅⾯考虑对真空玻璃的实际使⽤提出了限定指标。值得注意的是，该标准制定是依据⾮钢化真空玻璃的强度制定的。如今随着低温封接技术的进步，真空玻璃的表⾯应⼒得到不断的提升，⽬前已经可以做到90MPa以上，强度得到极⼤的提升，因此理论上来说超过上述要求需⽤⾯积的真空玻璃产品，如果应⽤在建筑上的，其安全性也是有保障的。
四、结束语
能测量出质量的流量计是
综上所述，⾏业内经各研究单位和真空玻璃⽣产企业过多年的技术积累和研究，在扎实充分的理论分析和计算的基础上，真空玻璃的⾃⾝强度不断得到提升，完全可以满⾜实际应⽤中最恶劣⼯况下的安全性需要。并且基于对各项标准和规范的总结和研究，真空玻璃的设计和⼯程应⽤也能得到理论⽀撑和技术指导，进⼀步的保障了真空玻璃产品实际应⽤的安全性，使⼴⼤客户⽤得放⼼。相信在⾏业内各级领导的关怀下，在各⽅同仁的共同努⼒下，只要我们在科研到⽣产再到⼯程应⽤的所有环节中尊
重科学，遵守法规和规范，⼀定能⾛出⼀条真空玻璃健康发展的康庄⼤道。
参考⽂献
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《⽀撑物缺位对真空玻璃应⼒和变形影响分析》刘⼩根，孙景春，门窗，2016年4⽉
《真空玻璃边缘封接强度即可靠性分析》许海凤，刘⼩根，材料科学与⼯程学报，2012年2⽉
[*]⼗三五项⽬“⾼性能全钢化真空玻璃开发及连续线改造与⽣产⽰范”(2016YFC0700804-2)
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