對建筑隱框幕墻用中空玻璃

1、對建筑隱框幕墻用中空玻璃，JGJ 102規(guī)范3.4.3要求其二道密封應(yīng)采用硅酮結(jié) 構(gòu)密封膠，對外觀質(zhì)量和性能，3.4.1條規(guī)定應(yīng)符合GB/T11944，即限定二道密 封粘接寬度5mm7mm，厚度尺寸可選6mm/9mm/12mm/16mm/20mm （圖1），對粘 接體承載能力未提出要求，結(jié)構(gòu)粘接設(shè)計也未行細化，容易被理解為僅要求采用 硅酮結(jié)構(gòu)膠。中空玻璃結(jié)構(gòu)粘接體傳遞荷載，結(jié)構(gòu)的耐久安全又是產(chǎn)品密封功能 壽命的基本保證，粘接尺寸及結(jié)構(gòu)膠模量的選擇應(yīng)按極限承載力狀態(tài)設(shè)計和驗算。 本文對中空玻璃結(jié)構(gòu)特點、應(yīng)力分布、荷載傳遞及粘接設(shè)計和驗算進行探討，供 業(yè)內(nèi)同仁參考，不妥之處請指正。1.中空玻璃結(jié)構(gòu)

2、粘接特點和應(yīng)力分布1）隱框幕墻中空玻璃結(jié)構(gòu)粘接特點結(jié)構(gòu)粘接裝配中粘接體型式有兩種（圖1、圖2）：1 E內(nèi)片曜畦抹片岐璃出抽隔槍（含干職面壓城戴泡深多圖少h型和n型粘接H型一一兩面粘接。中空玻璃單元件與金屬框架的兩平行表面的粘接，將玻 璃與框架系統(tǒng)結(jié)構(gòu)性裝配在一起并形成一道防水密封；n型三面粘接。將內(nèi)、外片玻璃與間隔條粘接成一體。由于間隔條與兩 玻璃表面垂直相交，形成三面粘接，受力變形時粘接面交匯處將受撕裂，該粘接 形式一般不為結(jié)構(gòu)采用，而中空玻璃采用這一形式是為滿足控制可視空間、限制 一道密封體過量位移并防止間隔條“游走”的要求。h型粘接體一旦失效，將導(dǎo)致中空玻璃單元件與框架結(jié)構(gòu)脫離；n型粘接

3、體 失效，中空玻璃將喪失功能甚至解體，導(dǎo)致外片玻璃墜落，而n型粘接結(jié)構(gòu)受拉 伸時，間隔條粘接設(shè)計必須充分考慮產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點。1）結(jié)構(gòu)粘接體拉伸特性對不同品牌硅酮結(jié)構(gòu)膠的拉伸試驗結(jié)果表明，n型粘接體粘接強度和最大伸 長率遠低于h型粘接體，拉伸10%時n型粘接應(yīng)力將比h型高出一倍（表1）， 粘接體邊緣呈現(xiàn)早期撕裂。這一現(xiàn)象表明：相同應(yīng)力下n型粘接體的應(yīng)變要小得多，一道密封體不易出現(xiàn)過量位移，有 利于中空玻璃的邊緣密封；然而相同應(yīng)變時n型粘接體的應(yīng)力遠大于h型，邊緣易被撕裂，這對粘接結(jié) 構(gòu)承載能力產(chǎn)生顯著影響。表1標(biāo)推條件下結(jié)構(gòu)晰接s伸性制硅酮結(jié)構(gòu)膠編號12457891011均值拉伸N湖的應(yīng)力（MPa

4、）H繇：0：210.340-.2S雙0. 180. 26a：盈0.24n0. 400. 47.43O.Eti0.65：0.370.450.49: 46：CL 440.43墓大粘接強度【MFaJ0.990. 921：-01. 03i.2Tl.3Q0.981.251. 090. 973.-971. 10n0.83,0. 71. 020.8S1、加o.si0.811.05n.iO. 8Ta. 790.89最大強度時伸長率（%）8&6766613T5478MH上3673 108日4n6&455458S927747759：6149602）結(jié)構(gòu)粘接體應(yīng)力分布依據(jù)典型結(jié)構(gòu)膠性能，對橫向荷載下拉伸變形10%時

5、粘接體的應(yīng)力進行有限 元分析，可見兩種粘接體產(chǎn)生的效應(yīng)有顯著不同：計算模型建立本構(gòu)模型結(jié)構(gòu)粘接體是硅酮結(jié)構(gòu)膠固化成型的粘彈體，泊松比0.5,各向同性，應(yīng)變 能函數(shù)表達式由應(yīng)力一應(yīng)變試驗曲線描述的非線性關(guān)系確定（略）。有限元模型及材料參數(shù)的確定粘接體（屬柔性體）拉伸有限元分析。H型和n型粘接體結(jié)構(gòu)如圖2。取粘 接體長度50mm，厚度12mm，粘接面尺寸為12mmX50mm。粘接界面質(zhì)點不能移動。 劃分網(wǎng)格后粘接體有限元模型如下圖。圖4 口型粘接體模型粘接體應(yīng)力分布采用同牌號結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)品，粘接體拉伸10%，計算粘接體應(yīng)力分布情況如下： H型粘接體應(yīng)力集中區(qū)對稱分布在側(cè)面，最大應(yīng)力0.21MPa狀態(tài)如

6、圖5 ； n型粘接體粘接體應(yīng)力呈不完全對稱分布，在一側(cè)面集中，狀態(tài)如圖6。最大應(yīng)力0.44MPa為H型粘接體的2倍。1.荷載及荷載傳遞作用于中空玻璃的荷載除風(fēng)荷載外，應(yīng)考慮自重產(chǎn)生的永久荷載、熱位移產(chǎn) 生的剪切力、玻璃非線性撓曲產(chǎn)生的拉力、固化收縮引起粘接體剪力、建筑構(gòu)件 變位引起作用力等，還應(yīng)考慮使用中粘接體物理性能變化引起因素等。主要受力 及力傳遞情況可有以下分析。橫向荷載一一作用于中空玻璃外片的負風(fēng)壓荷載產(chǎn)生向外的橫向拉力，通過 n型粘接體傳遞到內(nèi)片玻璃，再由內(nèi)片玻璃傳遞給h粘接體，最終傳遞到金屬框 架系統(tǒng)。在負風(fēng)壓下外片玻璃外向撓曲，部分作用力通過中空玻璃內(nèi)氣壓傳遞給內(nèi)片 玻璃，傳遞荷

7、載的份額與玻璃厚度相關(guān)（圖7）。自重產(chǎn)生切向永久荷載在無自重支撐條件下，玻璃自重產(chǎn)生向下的永久 剪切荷載。外片玻璃的自重荷載通過n型粘接體傳遞給內(nèi)片玻璃，再由內(nèi)片玻璃 將中空玻璃單元件的總自重傳遞給h粘接體，最終傳遞到金屬框架系統(tǒng)。熱位移產(chǎn)生切向荷載一一中空玻璃是隔熱材料，環(huán)境溫度變化引起內(nèi)外溫差， 玻璃間的熱位移產(chǎn)生作用于n型粘接體的切向荷載。切向荷載大小取決于板片尺 寸和溫度變化，室內(nèi)外溫差每天可有一個峰值，每年可能有幾個極大值。處于室 內(nèi)的h型粘接體受溫差位移也產(chǎn)生切向荷載，但室內(nèi)環(huán)境溫度變化不大，位移量 較小。氣體膨脹產(chǎn)生橫向荷載一一中空玻璃可視作密閉容器，環(huán)境溫度升高，內(nèi)部 氣體膨脹

8、對玻璃產(chǎn)生向外的橫向荷載并作用于n型粘接體（圖8）。橫向荷載每 天隨溫度變化出現(xiàn)峰值，每年有幾個極大值。2.中空玻璃結(jié)構(gòu)粘接設(shè)計極限狀態(tài)設(shè)計原則是結(jié)構(gòu)構(gòu)件或連接的應(yīng)力不應(yīng)超過材料強度（包括疲勞）， 不應(yīng)產(chǎn)生不適于繼續(xù)承載的過度變形。JGJ102規(guī)范5.6要求結(jié)構(gòu)膠粘接設(shè)計的 粘接寬度應(yīng)保證荷載下結(jié)構(gòu)膠的應(yīng)力不大于結(jié)構(gòu)膠強度設(shè)計值fl （0.2MPa）， 規(guī)定拉伸應(yīng)力0.14MPa時的伸長應(yīng)變（%）為結(jié)構(gòu)膠的變位承受能力（0 ），要 求結(jié)構(gòu)粘接體厚度尺寸應(yīng)保證結(jié)構(gòu)位移時不產(chǎn)生大于0值的應(yīng)變（%），即應(yīng)變 對應(yīng)的應(yīng)力不大于0.14MPa （fl）。按照這一原則，規(guī)范分析兩面粘接（H型） 受力情況，

9、給出粘接寬度、厚度及結(jié)構(gòu)膠0值選擇的多個計算公式。n型粘接 體具有不同于H型的結(jié)構(gòu)特點及受力情況，應(yīng)考慮這些驗算公式的適用性。1）風(fēng)荷載下粘接寬度的設(shè)定中空玻璃。型粘接體在橫向荷載作用下產(chǎn)生拉應(yīng)力和局部撕裂應(yīng)力，應(yīng)力分布及應(yīng)力變化決定于荷載大小、品牌結(jié) 構(gòu)膠材質(zhì)、間隔條尺寸及形狀、環(huán)境條件等因素相關(guān)，可變因素和不確定未知數(shù)較多，難于精確地確定實際應(yīng)力及應(yīng)力 分布?？紤]降低建筑使用期內(nèi)中空玻璃更換頻度和維護花費的因素，粘接設(shè)計要保證不出現(xiàn)結(jié)露、滲水和耐久密封?？?慮以上因素，應(yīng)適當(dāng)減小結(jié)構(gòu)膠強度設(shè)計值，以緩解粘接設(shè)計對型粘接及粘性變化的憂慮2?？紤]中空玻璃單元件形狀和尺寸等因素考慮玻璃非線性撓曲

10、的荷載傳遞作用與內(nèi)外片玻璃板片厚度相關(guān)圖7）， 不考慮一道密封膠的作用，中空玻璃結(jié)構(gòu)粘接寬度Cs，mm）可按公式（1）驗算： TOC o 1-5 h z 200C/1（13式中& B 外片玻璃荷載分跳系教.一一風(fēng)荷載設(shè)計值，成擇a琥璃短宛尺寸！砌也一綻構(gòu)膠一度授評皆泌14取霰：尹咨 B的取值：當(dāng)di新七B 1/2 取F=1當(dāng)蟲考4時， *1/2 取 E =1/2?（由一外片玻璃厚度；亟一內(nèi)片玻璃厚匿W示例 中空玻璃寬度1.6m,高2m,空氣昌厚度12mm,風(fēng)荷載設(shè)計值w=2.5kpa,外玻璃 板片厚Smmrt片厚6mm,按式1計尊中空玻篇結(jié)構(gòu)粘接寬度：wa 1 X 2. Sx 1600C5 =

11、 2000a 2000 XO.U =14-3（）A若內(nèi)外兩片玻璃的厚度相等（Smm）,取8 搜式1計算中空玻璃結(jié)構(gòu)粘摟寬 度結(jié)果為了.計算過程略）D 二二 此強調(diào)結(jié)構(gòu)膠提度設(shè)計值碓若力取o.m血呻 對應(yīng)以上粘接寬度的計算值可分 別是10mm和5mm （計算過程略）.，也就是說粘接設(shè)W = O.MMPa計算，粘接寬度 將增大43%,即II型粘接體將增加4%的結(jié)構(gòu)膠用重，以有戒保證結(jié)構(gòu)粘接可靠性。2）永久荷載作用下粘接寬度的設(shè)定 隱框幕墻不宜推薦中空玻璃在無支撐裝置條件下安裝，如果一定要這樣安裝，密封膠廠、玻璃廠家及專業(yè)設(shè)計人員 應(yīng)對評定設(shè)計細節(jié)。這樣安裝的中空玻璃的外層玻璃板片自重將航型結(jié)構(gòu)粘接

12、體支撐，應(yīng)限定結(jié)構(gòu)膠強度設(shè)計值f2不 大于7kpa，為避免外玻璃板片自重產(chǎn)生的剪應(yīng)力使兩玻璃板片錯動，導(dǎo)致一道密封膠變位誘發(fā)內(nèi)空間結(jié)露、滲水，或宜采用更小f2值（如3.45kpa）2,6。不考慮一道密封膠的貢獻，可按下式計熟型粘接體的粘接寬度Cs：flcab Cs =女口+瀝式中：條玻璃單位面積的重力荷載，kWH*、b玻璃您長】mfp永久荷載作用下結(jié)構(gòu)膠強度設(shè)計值C0-007可加以奪丁其中二氏：癡磅真力翁澄，2.5.&N/m3f 此-昴片裝蓬季度,fn示風(fēng)隱框幕墻開啟窗中空玻璃，無自重支撐，外片玻璃厚度寬i.2mr 2.0m, 按式A計算n型結(jié)構(gòu)粘接寬度必飄指出：若采用有=0應(yīng)1皈血序計算，F(xiàn)

13、T型結(jié)構(gòu)粘接寬度將減成為5沃皿，設(shè)計風(fēng)險較大；為減少安全風(fēng)險f2宜取值345kPa，粘接寬度計算結(jié)果為14.8mm。3）對不同結(jié)榜蛟&值的選擇為保證枯接結(jié)構(gòu)不產(chǎn)生不適于繼續(xù)承栽的過度變形結(jié)構(gòu)粘榜設(shè)計應(yīng)考慮粘挎形悵 剛匿和密封膠模星的關(guān)系七“應(yīng)將中空玻璃單元件二道密封藤的應(yīng)力限制在IWk網(wǎng)以內(nèi)七 制中空玻璃單元件邊堤粘接密封設(shè)計類似于單.元件粘接裝配到框架系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)粘接設(shè)計方 法，符合 傾舊 函混硅酮結(jié)構(gòu)密封膠*是結(jié)構(gòu)密封膠的起碼要求氣湖0?規(guī)范5,6,5 給出粘接厚度史計算公式；明確厚度姑與結(jié)構(gòu)膠&值互為函數(shù)關(guān)系；*（2 + 5）3召頊加）式中：也玻璃相對位移（mm）,按式，計算，必要時應(yīng)考慮

14、溫差位柩由一一風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下層間位移角限值Srad）；h踱璃高度（mm*.義廣石結(jié)何膠交位承受能力（叩）-結(jié)構(gòu)膠變位承受能力是受拉應(yīng)力為強度設(shè)計值O.14H /聊蘋時的伸長率，其物理含義是 結(jié)構(gòu)膠的柔童（模童的倒數(shù)），表征椽膠材料應(yīng)變一應(yīng)力關(guān)系。中空玻璃近緣結(jié)構(gòu)脫厚度已 由間隔條尺寸 危9、12. 14. Id,皿）,限定，公式3本虞是計算曲認結(jié)構(gòu)膠的柔量，變 換公式為式5可計算結(jié)構(gòu)膠的柔童仲史人 焰.示例；建筑抗震丁度設(shè)防，隱框幕堵玻璃碧格LmxLm網(wǎng) 夏季玻璃外表面最高溫 度7OE,室內(nèi)溫度Z1E,采用5+12+&中空玻璃。結(jié)構(gòu)膠的變位能力5值計算如下：船位移重：A us= At-0f

15、h=（7O-21|X 10-s X 1400=0. Sm玻璃相時位移量式 4L A Lfs=1/150 6=5.6nun結(jié)構(gòu)膠凰度12m,取位移童最大值按式5計算結(jié)構(gòu)膠力結(jié)果表明選用結(jié)構(gòu)膠的柔量6）不應(yīng)小于10%，即應(yīng)變10%的模量不應(yīng)大于0.14MPa。但這樣的計算結(jié)果 可能不足以滿足中空玻璃結(jié)構(gòu)粘接要求，因為I型粘接結(jié)構(gòu)在同樣位移下應(yīng)力遠大于0.14MPa（參見表1），必須選用 變?yōu)槟芰?值（柔量）更大的結(jié)構(gòu)膠才能保障位移時應(yīng)力不大于強度設(shè)計值，所以以上計算只是滿足中空玻璃結(jié)構(gòu)粘接 選材的起碼要求2。此外，中空玻璃結(jié)構(gòu)粘接體可能還應(yīng)考慮其他位移因素，如高溫下氣體膨脹引起中空玻璃內(nèi)外面 板撓

16、曲引起的位移（圖8），其量值與溫升及面板尺寸相關(guān)。柔量（模量）表征硅酮結(jié)構(gòu)膠力學(xué)特性，隨配方和制備工藝變化，歐洲規(guī)范產(chǎn)品符合性要求柔量（模量）測試值不 應(yīng)超出均值的75%6。GB 16776強制要求結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)品檢驗報告應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系10%、20%、40%伸長率時的應(yīng)力）以 表征其6值，中國幕墻網(wǎng)公示對比國內(nèi)20多個產(chǎn)品的應(yīng)力一應(yīng)變特性，品牌產(chǎn)品的柔量3）范圍約為3%11%可供結(jié) 構(gòu)粘接設(shè)計選用，可見6取值沒有隨意性，必須對應(yīng)于某一品牌膠，例如：粘接計算隨意取值=40%，固然可大幅減 少粘接厚度，但符合要求的結(jié)構(gòu)膠不存在，無膠可用。幕墻工程中需要高、中、低模量（柔量）不同的結(jié)構(gòu)膠，分別滿 足不同工

17、程設(shè)計要求，所以產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)GB16776、ASTM C1369及ASTMC1401、ASTM C1294、prEN15434、E002等規(guī) 范，均要求報告產(chǎn)品模量。有人認為只有高模量結(jié)構(gòu)膠才能保證中空玻璃密封性，要求拉伸0%模量必須高于0.14MPa，這種誤解可能使一些 質(zhì)地剛硬的結(jié)構(gòu)膠進入建筑工程，導(dǎo)致粘接結(jié)構(gòu)高應(yīng)力狀態(tài)，誘發(fā)粘接早期破壞。所以，密封膠模量（柔量）選擇顯得十分重要。3.結(jié)語中空玻璃結(jié)構(gòu)粘接失效造成外片墜落的偶發(fā)事故，可能與結(jié)構(gòu)粘接設(shè)計和選材考慮不周有關(guān)應(yīng)通過試驗深入研 究結(jié)構(gòu)粘接特性和分析相關(guān)因素的影響，提高結(jié)構(gòu)粘接設(shè)計的合理性。本文提出有關(guān)結(jié)構(gòu)粘接設(shè)計方法的探討意見，供 業(yè)內(nèi)參考，恭請同仁指正。參考文獻JGJ 102建筑玻璃幕墻程技術(shù)規(guī)范，中國建筑工業(yè)出版社，北京，2003.12對GB24266中空玻璃用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的技術(shù)質(zhì)疑，門窗，2010，6ASTM C1401,Standard Guide forJBructural Sealant GlazingGB 50068建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，中國建筑工業(yè)出版社，北京2001ETAG 002 GUIDELINE FOR EURO