近年来越来越多的建筑出于建筑设计对建筑外立面的艺术表达要求，采用曲面玻璃幕墙的围护形式。位于苏州工业园区金鸡湖西侧的苏州中心广场项目是苏州东部综合商务城的核心，也是苏州城市交通的重要节点。苏州中心采用了极具美感的大鸟型采光顶，覆盖了整个建筑群的内部空间。采光顶的构型寓意展翅腾飞的凤凰，是象征苏州城市的“未来之翼”。

　　 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，总面积达到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]。由于大鸟型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。采光顶的设计采用有限元软件ANSYS进行，根据设计结果，采光顶中阶差60mm以下的板块采用冷弯技术施工，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成型的曲面玻璃。

　　 冷弯加工是指将平板玻璃通过机械外力弯曲成曲面，然后嵌入曲面构型的外框中，这样由于外框自身刚性约束，平板玻璃能一直保持弯曲形状，这种施工工艺兼具热加工的艺术效果和平面拟合的低成本，且工艺简单，被越来越多地应用在曲面玻璃幕墙工程中 ^[2]。但目前国内外对冷弯玻璃的研究较少，且没有专业的规范指导冷弯工艺的设计与施工 ^[3]。这也是本工程冷弯工艺设计直接采用有限元软件计算而没有参照规范的原因。考虑到玻璃材质的离散性 ^[4]，为进一步确认本工程冷弯工艺安全可行，本文设计了一个静载试验。试验通过对半钢化玻璃板一角施加位移，观察玻璃各点应变和位移的变化，探究本工程冷弯加工方案的安全性和可行性，并为其他采用冷弯加工的工程提供参考。

　　 本工程大部分曲面幕墙板块采用冷弯工艺加工，使得最终成型的采光顶表皮没有阶差产生，在达到建筑外立面效果的同时也很好地控制了成本。

　　 冷弯式玻璃幕墙系统是由纵向和横向龙骨组成龙骨骨架单元，形成一个个单元板块，单元板块的纵向或横向龙骨事先加工成弧形，使得单元板块形成空间四边形。将玻璃安装在板块内后，依靠外力使玻璃与板块的外形拟合，并通过副框、扣板等构件固定。冷弯工艺的主要原理为:采用夹具将玻璃固定在板块上，然后通过调整夹具将玻璃弯曲至设计形状。具体步骤为:取用一定数量的玻璃夹具，按设计的位置将夹具底座固定在板块的纵、横向骨架上，将待弯曲的玻璃放在板块上，用夹具夹住玻璃边缘预定位置，并固定牢靠，调节夹具的调节螺栓至标定位置，玻璃即被弯曲至预定尺寸，初步固定调节螺栓，复核玻璃尺寸，调整完毕后安装副框，静置一定时间，待玻璃成型后拆卸夹具，玻璃成型完毕。

　　 冷弯加工的难点在于，在玻璃安装固定后，需控制玻璃在自身刚性作用下发生的反弹，这可能导致安装失效，甚至造成安装事故，因此在冷弯加工时，应构造设置不锈钢扣板，对玻璃做进一步固定。

　　 本试验加载和支撑设备一体为团队自行设计的钢制框架，如图2所示，其中支承钢架用以模拟玻璃四周的龙骨，3个立柱固定，1个立柱竖向可动，用以施加位移。试件采用夹具与支承结构连接，中间设垫片，模拟结构胶和玻璃压板的连接作用及铝合金框对玻璃的约束作用。试验中采用开口型螺纹套结合螺杆作为调节器，调节试件一角处的位移，用以模拟冷弯加工。玻璃的冷弯幅度通过有标尺的立柱量取和控制。

　　 本试验设置2组试件作为对比，每组1块。工程中板块的形状各异，为尽量减少不对称性对试验结果的影响，本试验选用2块正方形玻璃作为试件，试件为半钢化玻璃，与工程中的采光顶材质一致。试件为上海市耀华玻璃厂生产的同批次同型号玻璃，尺寸为1m×1m×8mm。

　　 试验采用DH3810数据采集仪作为主要的测量仪器，具体的测量装置包括分体式DH3820采集仪、应变片、应变花、拉杆式位移计、数据线、信号放大器等，共采用33个数据通道测量11处位移测点及22处应变测点。测点布置如图3所示。

　　 试验参照唐际宇等 ^[5]在南宁机场曲面幕墙施工中进行的类似试验，对加载制度进行了设计和改进。加载分4步进行，如表1所示，每加载到指定幅值，暂停一段时间进行测量。试验中加载的最大幅值参照本工程冷弯加工的上限(60mm)适当放大取整，设置为JGJ 102—2013《玻璃幕墙工程技术规范》中对平板式玻璃变形限定最大值的3倍，为L/20(L为玻璃的短边长度);最小值设置为《玻璃幕墙工程技术规范》中对平板式玻璃变形限定最大值，为L/60。需要注意的是，该规范为平板式玻璃的规范，对冷弯加工只有参考作用。

　　 从加载后试件外观上可看出，试件冷弯到L/20后，试件一角明显提高，顶推点所在的半幅试件出现较明显的曲面变化，但固定的3个角点所构成的半幅试件外形变化较小。本节将4个加载幅值下11个测点所测得位移数据汇总，如图4及表2～5所示。

　　 通过对比研究各加载幅值下试件的应变分布，即使按本工程的冷弯方案适当放大后、超过规范要求3倍的位移量加载(该规范为平板式玻璃的规范，只有参考价值)，试件所测得的最大主应力也仅为16.92MPa，远小于玻璃的设计强度，可见本工程所采用的冷弯工艺较安全，其加工过程不会导致玻璃发生强度破坏，冷弯加工后，即使冷弯量最大的板块其增加的内力也较有限。4个应变花计量结果表明，主应变方向基本就是2条对角线的方向，越靠近转轴区域，转轴方向主应变越大，反之亦然。对试件正反面应变的对比发现，受拉区应变数据普遍小于受压区，但两者呈现出同样的分布趋势，这说明除弯曲作用外，刚接的支架对玻璃也有一个整体的平面内挤压/拉伸作用。

　　 结合图5，对比L/60,L/40,L/30,L/20 4个幅值下试件的整体变形，可发现冷弯幅值较小时，冷弯所拟合出的曲线曲率较平滑，但随着冷弯幅值增大，用以体现冷弯曲线的加载点所在对角线的变形逐渐趋于直线，也就是说，随着冷弯幅值的增大，框架对玻璃的约束越发明显，玻璃的弯曲变形更小，变形都集中在加载点所在对角线的两端，此处的应力也更加集中，应力分布更加不均匀。

　　 在L/60,L/40,L/30,L/20 4个幅值下，由分布在试件各位置的14个应变测点所测得的应变数值绘制出试件整体的应变分布，体现了不同冷弯幅值下试件的应力状态，如图6所示。

　　 对比L/60,L/40,L/30,L/20 4个幅值下试件整体的应变和变形分布可发现，应变较小时，试件表面应变变化均匀，曲线平滑，在顶推点区域最大，但随着冷弯幅值的增大，应变演化趋势逐渐变化，应变的变化不再均匀平滑，在顶推点所在对角线的另一端明显出现极值区域，这与试件各位移测点的观测结果相互印证，随着冷弯幅值增大，应力集中现象越发明显，试件更多表现出刚性变形而不是弯曲。

　　 通过对应变各阶段结果的观察发现，随着位移的增大，应变整体分布形式发生变化。位于顶推点所在对角线上四等分点处的S9-1和S8-1测点的应变增幅越来越大，在较小位移下，整体分布呈现S9-1最大，其他各测点的大小随着距离的变化均匀降低的特点，变化均匀平滑，但随着位移的增大，S8-1处应变增幅逐渐大于周边各测点，最后在L/20加载量时很明显地出现一个极值点，如图6d所示，可看出，随着位移的增大，顶推点所在对角线上的应变分布曲线逐渐从抛物线变成w形，S9-1和S8-1两点增幅变大，这种特点与丁成忠等 ^[6,7]及Kyriaki Corinna Datsiou等 ^[8]所进行的试验中描述的现象接近，Kyriaki Corinna Datsiou等在进行加载期间观察到玻璃沿对角线的局部失稳。为了研究这一现象的原因，图5b中对比了同期顶推点所在对角线各部位位移测量的结果，可看出，随着幅值的加大，顶推点所在对角线的位移明显被分为2部分，前一部分是线性变形，几乎不弯曲;后一部分发生弯曲，弯曲量随着冷弯幅值的增大而不断增大，正是这个不断变大的弯曲量造成其所在部位S8-1处应变的增大，也体现了四边刚性框架约束下的变形特征，即由于框架的约束，框支玻璃并不是像点支玻璃那样面板自由可弯曲。在冷弯作用下，并不是全截面发生一个弯曲，而是在面板中央约束较小的区域发生局部的弯曲变形。

　　 在四边框架的约束下，玻璃面板四边的变形几乎不存在，变形主要发生在玻璃面板内部无约束的区域。位移较小时，约束作用不明显，应变分布均匀;随着位移增大，约束不断变强，变形呈现出双曲面特征，从变形最大的顶推点所在的对角线来看，靠近顶推点的一半试件几乎保持线性，另外一半试件呈现出弯曲形状，且随着位移增大，弯曲越来越明显，造成唯独S8-1处，也就是弯曲弧度最大处应变随着位移变化明显增加。这体现了四边约束下的变形特征。

　　 从以上结果中可得出结论:四边约束的玻璃，随着冷弯量的增加，框架对玻璃面板的约束也增强。位移变化的结果体现出在四边刚性约束下，玻璃在单点加载的外力作用下，弯曲变形仅发生在局部，而不是体现为整个面板整体上的弯曲。随着冷弯量的增加，局部的变形量(弯曲作用)(特指S8-1,d11测点)不断增加，增加速度也快于其他弯曲较小的部位，导致应变测量结果的类似突变性的发展，而不是各部位应变等幅度的增加;随着弯曲的变强，弯曲的部位应变增加的幅值逐渐大于周边，体现在局部区域出现应变的极值，这里局部弯曲变形增大，应变增加的现象类似于Kyriaki Corinna Datsiou等提到的失稳现象。可见，本试验基于苏州中心广场采光顶工程冷弯方案适当放大后设定的L/20的冷弯量，已接近四边框支式冷弯玻璃在冷弯作用下内力分布发生突变的临界点，这也与采光顶设计得出的限值相吻合。

　　 1)当冷弯幅值较小时，试件表现出较明显的弯曲，应力分布均匀，但随着冷弯幅值的增大，试件更多地体现出刚性变形，由于外框架的约束，弯曲变形被限制在一个较小的区域内(d11,S8-1)，导致该区域内应力集中。随着冷弯幅值的增加，这一现象越发明显，当冷弯幅值达到L/20时，S8-1已出现明显的应力极大值。可见，当玻璃的冷弯幅值>L/20(即本工程的冷弯限值)时，玻璃已不是“冷弯”，而是在框架限制下刚性变形，不论是所表达的弯曲视觉效果还是结构安全性都大幅度降低。

　　 2)冷弯幅值不超过平板式玻璃的变形限值L/60时，玻璃试件表现出很好的弯曲性，很少有线性的刚性变形，同时应力演化和分布均匀，能很好地兼顾安全性和曲面艺术表达。

　　 3)根据本工程的冷弯加工方案，试件所测得的最大主应力仅为16.92MPa，远小于玻璃的设计强度，可见本工程所采用的冷弯工艺较安全，其加工过程不会导致玻璃发生强度破坏。

　　 4)对冷弯过程中应变分布演化的观察发现，玻璃在加载>L/30后出现类似“失稳”现象，与国外同类试验描述的现象相吻合，但在L/60的冷弯幅值范围内，“失稳”现象基本不会出现。

　　 5)通过对4个应变花结果研究发现，主应变方向基本就是2条对角线的方向，越靠近转轴区域，转轴方向主应变越大，反之亦然。

　　 本试验的研究验证了苏州中心广场采光顶部分板块所采用的冷弯加工工艺的可靠性，同时，在试验中发现当冷弯幅值增大到一定程度后，玻璃的内力分布可能会出现突变，对玻璃整体受力性能产生不利影响，与有限元分析的结论相吻合，说明本工程所设置的冷弯加工限值合理，但一旦超过可能引起安全隐患，对本工程及后续类似幕墙工程中冷弯玻璃构件的施工安装起到指导和参考作用。