苏州中心广场项目位于苏州工业园区金鸡湖西侧，是苏州环太湖畔重要的地标性建筑。苏州中心采用极具艺术感的大鸟型采光顶，覆盖整个建筑群的内部空间。

　　 苏州中心大鸟型采光顶采用框支式幕墙单元板块的结构形式，总面积达36 000m²，是世界上目前最大的整体式自由屋面，同时也是世界上最大的无缝连接多栋建筑的采光顶，其内景如图1所示。屋面中22 561m²为玻璃网格，共计6 554块板块 ^[1]。由于大鸟屋面复杂的异形曲面构型，造成每个板块的4个节点均不在同一个平面体系内，且每个板块的尺寸均不相同，设计和施工需专门论证。采光顶采用有限元软件ANSYS进行设计，根据设计结果，采光顶中阶差60mm以下的板块采用冷弯技术，约占板块总量的88%，其余阶差>60mm的曲面板块直接采用热加工的曲面玻璃。

　　 冷弯工艺是采用机械对钢化玻璃板进行冷加工，将其依靠机械外力弯曲成建筑外立面需要的曲面外形，然后安装在刚性框架中。在本试验前，笔者通过静载试验验证了本工程幕墙冷弯加工工艺的可行性和安全性，但该试验仅针对冷弯加工本身对采光顶各板块结构安全性能的影响，在实际使用中，冷弯玻璃还会受到风荷载、雪荷载等外部荷载的长期反复作用。国内外对平板式玻璃的疲劳性能已做了深入的理论和试验研究 ^[2,3,4]，但对冷弯加工对玻璃疲劳性能影响的研究还属空白。针对这一问题，本文设计并开展了框支式冷弯玻璃疲劳试验，采用疲劳试验机对模拟采光顶基本单元的4边刚接的半钢化玻璃冷弯试件施加往复荷载，模拟采光顶在长期使用过程中受到的以风荷载为主的外荷载，以探究冷弯加工及冷弯幅值等加工参数对本工程采光顶中的冷弯式板块在日常使用工况下疲劳性能的影响，并为其他采用冷弯加工工艺的工程提供参考。

　　 本试验在P-100疲劳加载机上进行，考虑到需兼顾对采光顶单元的真实性模拟和试验工作的方便可行，试验团队设计加工了一种支承装置，用以模拟框支式幕墙单元，如图2所示。试验参照采光顶板块形状的实际情况，采用长方形试件。考虑试验机的实际条件，对试件尺寸进行了适当缩小。试件包括静载用试件3块、疲劳用试件9块，信息如表1所示，试件尺寸为1.5m×1m。

　　 由于试验需模拟框支式幕墙单元对玻璃的4边约束，以及玻璃单点的冷弯，试验团队设计了试验支承装置，包括刚性外框和可动内框，如图3所示。外框为刚性支座，内框为4根独立的方钢管，玻璃试件固定其上。内框用螺栓与外框连接，通过调节外框上螺栓连接点的位置，使内框4根钢管在竖向的相对位置发生变化，以模拟冷弯工况。

　　 玻璃试件的4边分别搁置在内框上，上、下两侧垫设硅胶垫片，通过夹具与方钢管连接，模拟采光顶结构单元的框支约束条件，如图4所示。试验中为了防止金属加载头与半钢化玻璃板发生硬接触，在加载头和玻璃之间垫1块1cm厚硬橡胶片。

　　 试验采用DH3810数据采集仪作为主要的测量仪器，结合之前进行的静载试验经验，共计布置应变测点8个，位移测点6个，测点布置如图5所示。

　　 参照文献[5]中的类似试验设计，本试验在考虑实际材料物理性质、荷载环境和试验成本等因素的情况下，加载频率取f=2Hz。疲劳试验加载采用等幅正弦波加载方式，疲劳加载的荷载由试件静载强度确定。

　　 对于半钢化玻璃这种高脆性线弹性材料，没有相关规范对其与条件疲劳极限相对应的疲劳寿命进行明确的规定。参照文献[5]中类似试验及已有研究中推定的半钢化玻璃S-N曲线，本试验制定加载次数n=2×10⁵。

　　 在对构件进行疲劳试验前，需先进行相应的静载试验，以确定疲劳试验的疲劳荷载。静载试验包括1组3块试件。试验采用P-100试验机进行。

　　 加载期间连续测量各点的应变和位移。当荷载增大到一定程度时，半钢化玻璃板瞬间破坏并发出一声剧烈的爆响，同时破碎，破坏后的半钢化玻璃试件呈放射状开裂，碎片呈条形，由于端部夹具的约束作用，试件破碎后部分碎片并未掉落，仍保持在原位，破坏形式如图6所示。全部静载试验试件破坏后仅沿径向呈放射状开裂。由于受力形式近似长方形双向板，3个静载试件均呈现出“远离加载点的角部区域基本保持完整，靠近加载点的中部区域破损严重”的现象。

　　 静载试验结果如表2所示，其中JZ2-1试件位于板中心的位移计在试验加载途中脱落，故未能测得试件破坏时板中心的挠度。从表2中可看出，长方形半钢化玻璃板的平均破坏荷载为4kN，板中心平均拉应力为94.81MPa。破坏荷载最大值和最小值相差约25%，板中心最大拉应力值相差约25%，最大挠度值相差约24.8%，可见半钢化玻璃板强度具有较强离散性的特点。

　　 根据上节静载试验结果，试件平均破坏荷载为4 kN。如果按金属材料常规的疲劳荷载分级，即第一级荷载级别的循环最大荷载取静载极限强度的60%，则很难反映半钢化玻璃板的疲劳性能，而文献[5]中，将循环最大荷载定得很高(95%)，试件循环加载1万次左右便已破坏。同时，在进行本阶段试验前，根据另外进行的正方形试件的变幅疲劳试验，预估半钢化玻璃试件的疲劳极限在(80%～90%)F_N。因此，在综合考虑本文预先试验结果和文献[5,6]试验结果的基础上，本文对半钢化玻璃板疲劳加载循环最大荷载设定为静载极限强度的80%，由于本试验着重研究冷弯作用对玻璃疲劳性能的影响，因此荷载只定立一级。具体如表3所示，其中循环最小荷载取F_min=0.2F_N=0.8kN。

　　 除了疲劳荷载的分级之外，本次试验的另一个目的是研究冷弯工艺对半钢化玻璃试件疲劳性能的影响，长方形试件按冷弯幅值分3个级别，即无冷弯和规范JGJ 102—2013《玻璃幕墙工程技术规范》限值L/60(该规范为平板式玻璃的规范，对冷弯加工只有参考价值，不起指导作用)及工程中采用较多的L/20(参照本工程冷弯幅值上限适当放大后设计)。

　　 共对9块试件进行了疲劳试验，其中6块完成了最大加载次数(20万次)，3块试件在加载期间发生疲劳破坏。对于未在疲劳加载期间破坏的6块试件，在循环加载结束后，也采用加载头以与静载试验相同的方式进行静压破坏，并记录其剩余的结构强度。

　　 全部疲劳试件最终破坏时的现象与静载破坏非常相似，表现为突然脆性破坏，并发出一声剧烈的爆响，同时发生破碎，破坏后的半钢化玻璃试件呈放射状开裂，碎片呈条状，如图7所示。但经过反复加载的试件，其破坏形式与静载试件相比出现新的特征，该部分将在后面详细介绍。疲劳试验的具体试验结果如表4所示。疲劳试验结果不仅体现了长方形半钢化玻璃板静载强度的离散性特征，同时也说明循环应力下长方形半钢化玻璃板的疲劳寿命数据表现出一定的试验离散性，与文献[5]及文献[7]中对脆性材料在循环应力下的疲劳特性描述一致。从试验结果可看出，发生疲劳破坏的试件均为冷弯试件，这说明冷弯试件相比于平面试件的疲劳性能更差。冷弯加工对半钢化玻璃的疲劳性能存在一定不利影响。

　　 文献[5]中进行的点支式钢化玻璃疲劳试验的结果，为本次试验的试验结果预测提供了很好的参考和指导。结合试验期间的观察记录及对试验结果的处理，观察到4边刚接的冷弯半钢化玻璃板疲劳破坏中存在一些新的具有普遍性(针对本次试验试件而言)的现象，列举如下。

　　 1)本次试验全部疲劳试件中，中途发生疲劳破坏的3块试件，在疲劳破坏发生前各测点应变并未出现应变或位移突变现象或其他有迹可循的征兆，应变随荷载的变化保持正常，以DG-2试件为例，其在加载62 872次后破坏，其中央部位S3测点在整个加载期间的应变变化幅度≤0.5%，应变变化在个位数微应变以内，全部3块破坏的试件(变幅疲劳除外)均为冷弯试件。这与文献[5]中点支式钢化玻璃试验的研究结果相吻合，即使是在试件疲劳破坏前，通过挠度和应变监控依然不能捕捉到任何疲劳破坏的迹象，半钢化玻璃的疲劳破坏具有明显的突发特征。这也说明半钢化玻璃板在循环荷载作用下宏观力学变量和外观现象不会发生明显变化。

　　 2)中途发生疲劳破坏的3块试件，应变随时间的变化关系均平滑而稳定，极少有突变现象，试验前后应变变化仅在1%～2%，最大5%，相比之下，6块完成20万次加载未破坏的试件却体现出截然不同的应变-加载次数/时间关系，这一不同主要体现在前2万～3万次加载过程中，试件各测点应变变化幅度较大，均体现出无规律的波动，波动范围至少在5%，个别试件甚至>10%(DF-3)，图8中选取了若干未疲劳破坏的试件和疲劳破坏试件的数值进行比较(DF-2和DG-2为中途破坏试件，F_N为试件静载试验平均破坏荷载)。

　　 3)9块疲劳试件尽管在开始的2万～3万次加载中应变出现较大波动，但应变在6万次以后基本都会稳定下来，6万～20万次应变变化平缓，如图9所示。

　　 4)试件完成20万次疲劳加载后采取静力加载破坏，破坏荷载与直接静载破坏的JZ组数值相差不大，部分试件的破坏荷载反而更高，这一现象与文献[6]中所描述的试验现象相吻合，体现出玻璃材质高度的离散性，另外，结合各试件应变测点在试验结束后无显著变化这一现象，可看出当疲劳荷载未达到疲劳极限时，疲劳作用对半钢化玻璃结构性能的影响很有限。

　　 5)所有经过疲劳加载的试件，不论在加载途中破坏还是完成加载后静载破坏，破坏形式均与静载破坏不同，新出现角部沿切向的裂缝，说明在往复荷载作用下，作为反弯点的角部在拉、压状态之间不断变化，尽管应力水平不高，但对结构性能的整体削弱明显，如图10所示。

　　 本次试验中，结合试验期间的观察记录及对试验结果的处理，观察到4边刚接的半钢化玻璃板疲劳破坏中存在一些新的具有普遍性(针对本次试验试件而言)的现象，本节将对其进行深入分析和研究。

　　 本次试验在加载期间发生破坏的3个试件(不包括变幅疲劳试件)均体现出测点应变随时间变化平缓的特点，同比之下6个完成20万次加载的试件在前2万～3万次加载过程中，试件各测点应变变化幅度较大，均体现出无规律波动，波动范围在5%～10%，以下以应变变化最明显的S3测点数值为例进行分析。

　　 DF,DG组加载途中破坏的试件中部S3测点前10万次加载应变随时间关系如图11所示，结合试验数据，从图中可看出两组中途破坏的试件应变变化都非常平稳，应变变化数值大部分在2%以内，在疲劳破坏前，也没有出现剧烈或明显的应变波动。这与文献[5]所描述的试验现象一致，具有典型的脆性材料疲劳破坏的特征。

　　 DE,DF组未破坏的试件中部S3测点前10万次加载应变随时间关系如图12所示，从图中可看出这些试件在加载前期，尤其是2万～3万次，应变波动剧烈，部分试件S3测点(代表试件上最大应变)微应变变化量达到100以上，各试件的应变变化普遍在5%以上，部分试件应变变化接近或>10%，这一现象与本次试验疲劳破坏测点的结果形成鲜明对比，如图13所示。

　　 通过以上对比可得出一个假设:3个中途破坏的试件，相比于其他6个试件，表面有较大的初始缺陷，该初始缺陷的尺寸明显大于玻璃表面原有的微裂缝。从循环加载开始，该初始缺陷在循环荷载的作用下不断发展，试验机加载头作动加载所产生的能量也全都集中于该缺陷的发展，玻璃其他部位的微裂缝等微小缺陷因此没有充分发展，当初始缺陷发展到一定程度时，玻璃突然发生疲劳破坏。由于玻璃表面各处微小缺陷未充分发展，因此玻璃整体刚度上保持稳定，表现为应变变化稳定。

　　 6个未破坏的试件可能表面相对完好，没有较大初始缺陷，表面各微裂纹的尺寸相仿，从加载开始，表面各处的微裂缝在不断发展，体现为应变数值上的波动，当这些微裂缝不断发展贯通并最终稳定时，体现为应变数据最终稳定下来。

　　 对于未发生疲劳破坏的试件，当加载次数>10万次时，观察到应变演化上出现新的变化，如图14所示。

　　 从图14中可看出，加载次数>10万次后，各试件应变变化基本有3种趋势:(1)保持稳定10万次以后的整个加载过程中应变变化仅为十几甚至几个微应变(DE-1,DE-3均未冷弯);(2)保持稳定上升

　　 10万次以后的整个加载过程中应变变化逐渐增加，增长幅度稳定平缓(DF-3，冷弯);(3)突变主要发生在冷弯试件上，某次加载过后应变出现较大波动(DG-3，冷弯)。

　　 通过比较图14中区分明显的3组曲线可发现，随着冷弯幅度的增加、疲劳荷载的增加，玻璃疲劳加载过程中的应变演化都会呈现出更大、更频繁的“波动”。这表明冷弯成型工艺对半钢化玻璃长期的结构安全性和稳定性都存在不利影响。

　　 通过常幅疲劳试验发现，采用冷弯工艺处理的玻璃，在同等荷载下，各测点所测得应变(该测得值排除了冷弯工艺所引起的应变，为纯粹由加载器产生的应变)均大于未冷弯的平面玻璃的同期数值，且冷弯幅值越大，该影响越大，冷弯工艺对玻璃的疲劳承载力有一定影响。

　　 除应变整体增大外，试验发现部分冷弯试件其应变随加载次数的增加，在8万～10万次加载以后会出现突变现象。前面提到过，未冷弯的平面玻璃其各测点应变随加载次数的增加，整体呈现稳定增长趋势，应变与加载次数的关系曲线平滑，但冷弯试件的测点，尤其是位于面板中央应变最大、应变变化最明显的测点，应变在8万～10万次加载后会在某一次循环后出现一定的突变。同比对照组未冷弯的试件，仅有少数试件存在这种情况，大多数试件应变随时间变化平缓。

　　 DE,DF,DG组长方形试件试验加载到第20万次时单个循环周期内S3测点应变测量结果的比较如图15所示，该3组试件疲劳荷载相同，均为0.8～3.2kN，冷弯幅值依次增大，分别为0,17,50mm，从图中可见，随着冷弯幅值的提高，S3测点所测得应变值也相应增大。但按规范要求限值设计的DF组和对照的DE组相比，应变峰值部分差别并不大，但参考实际作业操作冷弯极限设置的DG组，荷载相同的条件下，应变较DE,DF组整体提高5%左右。

　　 DE,DF,DG组长方形试件试验中部测点S3所测ε_max随加载次数的变化如图16所示，从图中可见，在5万～13万次，3组结果变化相对平滑，彼此差别明显，冷弯幅值越大，所测得ε_max越大，DE组从5万次以后ε_max变化很小，曲线相对平滑，而DF组在17万次、DG组在13万次出现突变，应变突变值在5%左右。

　　 通过以上对试验结果的分析，可得出冷弯工艺对玻璃采光顶冷弯板块存在一定程度的负面影响，具体表现在2个方面:(1)冷弯后，玻璃的疲劳性能有所降低(冷弯方向与外力作用方向相反的情况下)，这一影响随冷弯幅值的增加变得越发明显;(2)冷弯后，玻璃性能在长期疲劳荷载作用下会变得不稳定，各组冷弯试件的试验结果在加载到8万～10万次以后都出现不同程度的突变，变化幅度在3%～5%，虽然整体上幅度不大，但对玻璃的稳定性会产生不利影响。同比平面试件，仅有少部分存在这种突变，绝大部分平面试件的应变随加载次数的变化非常平缓。

　　 1)发生疲劳破坏的玻璃试件应变发展与正常玻璃试件有很大区别，在加载前期体现出更高的稳定性和规律性，正常玻璃试件在加载前期应变变化杂乱无规律。

　　 2)从能量积累的角度，认为半途破坏的试件具有较大初始缺陷，能量集中在初始缺陷的发展，因此整体应变发展稳定，初始缺陷发展到一定程度后试件突然破坏，未破坏的试件初始缺陷较小，从加载开始分布试件各处的初始微裂纹不断发展贯通，因此加载前期应变变化不稳定。

　　 3)完成20万次加载的试件中，未冷弯试件从加载中后期开始应变保持稳定，而冷弯试件应变开始不断增长或出现较大波动，同时冷弯试件各测点应变较未冷弯对照组试件同测点数值更大，这些现象随着冷弯幅值的增大更加明显，可见冷弯工艺对玻璃疲劳性能有一定影响，会造成玻璃试件疲劳性能降低，材性不稳定。

　　 4)20万次加载结束后玻璃试件承载力并无明显降低，破坏过程中的应变和位移也无明显变化，冷弯试件也是如此，说明玻璃的疲劳破坏是突然的，同时也说明疲劳作用对玻璃承载力的影响有限。

　　 5)冷弯工艺对玻璃的疲劳性能有负面影响，具体体现在2方面:(1)同等荷载下，即使不考虑冷弯引起的内力，结构内力也要比未冷弯玻璃更高;(2)增加了玻璃自身材质的不稳定性，体现在应变发展过程中更频繁的“突变”上。

　　 6)全部3个试验中途破坏的试件均为冷弯试件。试验中3个未冷弯试件均完成了20万次加载未破坏，完好率100%,6个冷弯试件中的3个在试验期间破坏，只有50%完成加载。

　　 7)虽然疲劳作用对玻璃自身承载力影响不大，但玻璃四角L/8～L/4区域的玻璃由于应力状态一直处于拉压变化状态，即使应力水平根本不高，这部分玻璃的承载力也被削弱，导致在加载破坏时这部分玻璃由于承载力的降低出现沿切向断裂，而其他部位的玻璃只是沿试件中心放射性开裂。荷载长期作用下对玻璃角部结构性能的削弱，在实际使用中值得注意。

　　 8)玻璃质量的好坏(初始缺陷的大小、数量)会影响玻璃的疲劳性能，对本工程而言，应尽量确保所用玻璃的产品质量，同时加强使用阶段对玻璃应力、应变的监测。

　　 通过试验，对本工程及后续类似的采用冷弯加工工艺的工程提出的要求有:(1)必须严格控制玻璃的产品质量;(2)理论上玻璃冷弯加工的冷弯幅度宜≤L/20(L为短边长度);(3)冷弯加工的夹具应尽量减少在玻璃四角的布置;(4)竣工后应保持对玻璃应力状态的长期监测。