大荷載作用下減小隱框玻璃幕墻結構膠粘結寬度的嘗試

來源:廣州市白云化工實業有限公司　作者:張芹　日期:2009-4-1 　頁面功能【字體：大中小】【打印】【投稿】【評論】

　　在大荷載作用下，隱框玻璃幕墻結構膠寬度的設計，可以通過選用高性能的硅酮結構密封膠、提高其強度設計值f1、f2并設置一定保護措施的方式來減小硅酮結構膠粘結寬度，使幕墻既安全又美觀。

　　本文正文：

　　隨著建筑業的迅猛發展，建筑造型逐漸個性化，建筑幕墻的形式也隨之多樣化、復雜化。人們對建筑的要求越來越高，美觀、舒適、節能、環保都是建筑師在設計時必須考慮的問題，要達到這四者的完美統一，現有的技術、材料和工藝水平有時已經無法滿足建筑師的要求，迫切需要新技術、新材料、新工藝的推出來解決這些問題。

　　目前，玻璃幕墻行業有些情況非常值得關注：

　　1. 高層、超高層建筑的隱框玻璃幕墻；
　　2. 玻璃板塊、分格特別大的隱框玻璃幕墻；
　　3. 由于節能、安全等方面的要求，要使用夾層中空玻璃的隱框玻璃幕墻；
　　4. 在抗震9度設防的地區建造的隱框玻璃幕墻。

　　上述幾種情況，玻璃幕墻使用的硅酮結構密封膠所需承受的荷載均可能較常規玻璃幕墻大，如果遇到上述幾種情況的組合，按照現有規范進行設計計算，結構膠的寬度將大大增加。

　　JGJ 102-2003《玻璃幕墻工程技術規范》（以下簡稱《規范》）中對于結構膠的粘結寬度有下面一些要求：
　　1. 寬度大于等于7mm；厚度大于等于6mm；厚度≤寬度≤2倍厚度；厚度≤12mm。
　　2. 硅酮結構密封膠應根據不同的受力情況進行承載力極限狀態驗算。在風荷載、水平地震作用下，硅酮結構密封膠的拉應力或剪應力設計值不應大于其強度設計值f1，f1應取0.2N/mm2；在永久荷載作用下，硅酮結構密封膠的拉應力或剪應力設計值不應大于其強度設計值f2，f2應取0.01N/mm2。
　　3. 豎向隱框、半隱框玻璃幕墻中玻璃和鋁框之間硅酮結構密封膠的粘接寬度，非抗震設計時，可取第a、c款計算的較大值；抗震設計時，可取第b、c款計算的較大值。

　　a) 在風荷載作用下的粘接寬度計算：

　　b) 在風荷載和水平地震作用下的粘接寬度計算：

　　c) 在玻璃永久荷載作用下的粘接寬度計算：

　　4. 水平倒掛的隱框、半隱框玻璃和鋁框之間硅酮結構密封膠的粘接寬度計算：

　　在一般的荷載情況下，按照上面的公式進行計算，結構膠的寬度通常可以限制在7-24mm范圍內，滿足《規范》的要求。但是，在遇到上述幾種情況或上述幾種情況的組合時，結構膠的寬度經常超過24mm，有時甚至達到40mm以上。

　　比如，某工程各參數如下：
　　玻璃：8+1.52PVB+10+12A+10；
　　玻璃尺寸：1448mm×4426 mm；
　　水平組合荷載設計值W合=8.941KPa；
　　垂直組合荷載設計值qG =0.860 KPa；

　　按照《規范》計算：

　　取兩者的最大值，硅酮結構膠的粘結寬度達47mm，遠遠大于24mm，不僅無法滿足《規范》要求的7-24mm的范圍，也會嚴重影響幕墻的視覺效果，更會由于鋁材耗費量的增加而大大增加幕墻建造的成本。
　　那么，有沒有可能在保證安全的前提下減小結構膠的粘結寬度呢？從上面的計算公式可以看出，由于所有的參數都是固定的，只有提高硅酮結構密封膠的強度設計值f1、f2才能減小結構膠的粘結寬度。
　　JGJ 102-2003 條文說明第5.6.2條解釋了硅酮結構密封膠的強度設計值f1、f2的取值依據：“現行國家標準《建筑用硅酮結構密封膠》GB 16776中，規定了硅酮結構密封膠的拉伸強度值不低于0.6N/m2，在風荷載或地震作用下，硅酮結構密封膠的總安全系數取不小于4，套用概率極限狀態設計方法，風荷載分項系數取1.4，地震作用分項系數取1.3，則其強度設計值f1約為0.21～0.195N/m2，本規范取為0.2N/m2，此時材料分項系數約為3.0。在永久荷載（重力荷載）作用下，硅酮結構密封膠的強度設計值f2取為風荷載作用下強度設計值的1/20，即0.01N/m2。”
　　根據上述說明，如果硅酮結構膠的拉伸強度標準值大于0.6 N/m2，就有可能在不降低安全系數的前提下提高硅酮結構密封膠的強度設計值f1、f2，從而減小硅酮結構膠的粘結寬度。

　　廣州市白云化工有限公司生產的白云牌SS921/SS922超高性能硅酮結構密封膠的拉伸強度標準值為1.2MPa，是GB16776規定的拉伸強度標準值（0.6MPa）的2倍，按照《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ 102-2003條文說明5.6.2對結構膠設計參數的取用方法，可將硅酮結構密封膠的強度設計值f1、f2分別提高至原來的2倍，
　　f1=1.2/3.0=0.4N/mm2、f2=1.2/60.0=0.02N/mm2。
　　按照f1=0.4N/mm2、f2=0.02N/mm2進行上面的計算

　　結構膠粘結寬度小于24mm，在保證幕墻安全性的前提下，滿足了幕墻美觀的需要，同時節省了鋁材的用量，可謂一舉多得。
　　在廣州西塔主塔樓幕墻工程中，設計師選用白云牌SS922超高性能硅酮結構密封膠，將結構膠的強度設計值f1、f2分別提高至原來的2倍，減小了硅酮結構膠的粘結寬度。
　　如此大幅度地提高硅酮結構密封膠的強度設計值，在國內尚屬首次。由于沒有先例，為了確保幕墻的安全，設計師還設置了托條和安全夾等雙重保護措施。在專家論證會上，設計方案獲得了與會專家的一致認同。

　　綜上所述，在大荷載作用下，隱框玻璃幕墻結構膠寬度的設計，可以通過選用高性能的硅酮結構密封膠、提高其強度設計值f1、f2并設置一定保護措施的方式來減小硅酮結構膠粘結寬度，使幕墻既安全又美觀。

本文延伸報道一：

廣州珠江新城西塔項目幕墻設計重要問題專家意見

　　一、本工程幕墻承受大荷載、大位移的部位，可以采用高性能硅酮結構膠。生產廠家應提供性能檢測報告。結構膠的短期荷載強度設計值可按標準值除以系數3.0后采用，長期荷載下強度設計值可按標準值除以系數60.0后采用。結構膠變位承受能力可按應力一變位曲線關系中應力為0.7f1時的變形值采用
（f1為短期荷載作用下強度設計值）。
　　二、結構膠的厚度設計時，位移值按彈性位移允許值設計。

　　　　　　　　　　　　　　　　二00七年十二月二十七日

廣州珠江新城西塔項目主塔外幕墻采用白云牌SS922超高性能硅酮結構密封膠，
提高結構膠強度設計值專題技術論證會——會議紀要

　　由廣東省建設廳組織的“廣州珠江新城西塔項目采用白云牌SS922超高性能硅酮結構密封膠，提高結構膠強度設計值”專題技術論證會于2008年4月21日下午在廣州召開。到會的專家有：鄭金峰、趙西安、龍文志、楊仕超、姜仁、閉思廉、莫英光、花定興、席時葭。廣東省建筑科學研究院、建設單位、深圳金粵幕墻裝飾工程有限公司對廣州珠江新城西塔項目主塔樓外墻全隱框單元式幕墻提高結構膠強度設計值的取值要求進行了說明。廣州市白云化工實業有限公司對白云牌SS922超高性能硅酮結構密封膠的性能特點進行了介紹。
　　廣州珠江新城西塔項目主塔樓為高達432米的超高層建筑，毗鄰珠江，屬于臺風地區，其外幕墻采用全隱框幕墻結構形式，板塊分格大，采用夾膠中空玻璃，因此風荷載和玻璃自重荷載都較大。如果采用現行JGJ102-2003《玻璃幕墻工程技術規范》中結構膠的強度設計值（f1=0.2N/㎜2、f2=0.01N/㎜2）尚難滿足工程實際要求，因此需采用更高性能的硅酮結構密封膠，提高結構膠的強度設計值。由于白云牌SS922超高性能硅酮結構密封膠的強度標準值為1.2MPa，是國家標準GB16776-2005要求的2倍，所以可將結構膠設計值f1、f2相應提高至JGJ102-2003規范要求的2倍，同時在設計方案中采取在玻璃下端設置托條，并設置安全夾，確保工程安全。
　　與會專家經過認真討論，論證意見如下：
　　1、提供論證的資料齊全，符合《采用不符合工程建設強制性標準的新技術、新工藝、新材料核準》的要求。
　　2、經國家建筑材料工業建筑防水材料產品質量監督檢驗測試中心檢測，白云牌SS922超高性能硅酮結構密封膠的性能符合廣州市白云化工實業有限公司企業標準Q/BYHG13-2008《建筑幕墻用高性能硅酮結構密封膠》的要求。
　　3、白云牌SS922超高性能硅酮結構密封膠能夠滿足廣州珠江新城西塔項目主塔外幕墻的設計要求。
　　與會專家一致認為：白云牌SS922超高性能硅酮結構密封膠可在廣州珠江新城西塔項目主塔樓玻璃幕墻中使用。按照JGJ102-2003規范中結構膠設計參數的取值方法，可將結構膠在風荷載或地震作用下的強度設計值f1提高至0.4N/㎜2,在永久荷載作用下的強度設計值f2提高至0.02 N/㎜2。
　　與會專家建議，中空玻璃二道密封膠亦采用白云牌SS922超高性能硅酮結構密封膠，其寬度應由計算確定。
　　　　　　　　　　　　　　　　　專家組組長：鄭金峰
　　　　　　　　　　　　　　　　　專家組副組長：趙西安、龍文志
　　　　　　　　　　　　　　　　　2008年4月21日

　　附錄：
　　1. SS922其產品質量應符合廣州市質量技術監督管理處備案號QB/440100830306-2005
　　企業標Q/（NGS）BYNJ 13-2005的規定，即其指標達到：拉伸粘接性拉伸粘接強度（MPa）標準條件≥1.20 ， 900≥0.80 ，-300≥0.8 0 ，浸水后≥0.80 ，水-紫外線光照后≥0.80 ；
　　粘接破壞面積≥5% ；最大拉伸強度時伸長率≥200。

　　2.按上述文件精神，f1取0.40N/mm2、f2取0.02N/mm2。
　　δ取值白云廠產品樣本標為：（對應于0.28MPa時的伸長率）SS921——0.14，SS922——0.12。

本文延伸報道二：

【馬啟元】倍增幕墻玻璃粘結強度設計值的風險

　　【專家檔案】
　　專家姓名：馬啟元
　　技術職稱：教授級高級工程師　
　　技術職務：顧問、技術委員會委員
　　專長：航空密封材料及工藝、建筑膠粘密封材料及工藝技術、標準化研究、質量管理體系。
從事專業:1962年西北工業大學高分子材料工程系畢業分配北京航空材料研究院，任航空技術委員會秘書、科技處助理員、膠接及密封材料專業技術員、工程師、專業組長、高級工程師；1992年調入中國化建公司，任企業發展部主任、副總工程師、教授級高級工程師，獲國務院突出貢獻專家津貼；1997年負責組建北京西令膠粘密封材料公司，任總工程師、質量管理代表。　　　<<<<專家詳細資料及論文集

　　某標高300m國際金融大廈超大玻璃幕墻工程設計中，為減少硅酮結構密封膠用量、縮小金屬型材斷面、節省幕墻制造成本并獲得更好外觀，超規范將硅酮結構密封膠強度設計值從0. 14MPa提高到0. 40MPa。如此大幅提高結構膠強度設計值，而且首先在重要性極高的建筑上進行大荷載下減小隱框玻璃幕墻粘結尺寸的嘗試，國內屬首次，國際上也未見先例。國外先進標準設定0. 14NIPa為結構膠粘結強度設計的最高限值，我國建筑規范將強度設計值0. 14MPa納人強制條款，超規范設計應進行驗證試驗和風險評估。本文分析了結構膠非線性力學特性、粘結與傳統機械連接的差別、強度設計值和標準值的設定，例證結構膠粘結荷載效應與荷載的非線性關系和線性提高強度設計值的風險。重要性較高的建筑應提高承載安全系數，采用高性能材料提高粘結可靠性和耐久性，而不是提高結構膠強度設計值增大粘結膠縫的荷載。　
　　１.硅酮結構密封膠的力學特征　

　　圖2、圖3是以速度5 mm/min拉伸結構膠的應力一應變曲線，加大試驗數據采集密度(如圖3產品B曲線由7000個數據組成)并局部放大，可以分辨初始段為直線并判定OA直線段的斜率，即材料的比例極限，斜率為產品“初始模量”—楊氏模量E。，如圖2、圖3中該值分別為0.08/0.07=1.1(MPa)、0.04/0.065=0.62(MPa);繼續拉伸后曲線斜率遞減呈非線性彈性。一般橡膠材料報告通過原點的切線C點的正割模量，以此值(或以拉伸變形0.10時的正割模量)報告為材料的彈性模量，在c點內撤除拉力，材料可恢復原始形狀，由圖2、圖3可見試驗結構膠的模量分別為0. 18MPa/0. 10、0. 23 MPa/0. 17;超過C點后拉伸進人彈塑段，在很寬的區間內曲線斜率銳減，應變迅速增大，直至應變增加而應力卻不增加達到屈服段，曲線斜率為0直至斷裂。在彈塑段和屈服段撤除拉力，材料的原始形狀不能恢復。結構膠的最大拉伸強度是屈服段的極限強度。不同的結構膠的彈性模量和c切點正割模量不同，量值與材料極限強度沒有比例關系。　