大荷載作用下減小隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)寬度的嘗試

來(lái)源:廣州市白云化工實(shí)業(yè)有限公司 　作者:*** 　日期:2009-4-8 　頁(yè)面功能 【字體：大 中 小】【打印】【投稿】【評(píng)論】

　　本文正文：

　　隨著建筑業(yè)的迅猛發(fā)展，建筑造型逐漸個(gè)性化，建筑幕墻的形式也隨之多樣化、復(fù)雜化。人們對(duì)建筑的要求越來(lái)越高，美觀、舒適、節(jié)能、環(huán)保都是建筑師在設(shè)計(jì)時(shí)必須考慮的問(wèn)題，要達(dá)到這四者的完美統(tǒng)一，現(xiàn)有的技術(shù)、材料和工藝水平有時(shí)已經(jīng)無(wú)法滿足建筑師的要求，迫切需要新技術(shù)、新材料、新工藝的推出來(lái)解決這些問(wèn)題。

　　目前，玻璃幕墻行業(yè)有些情況非常值得關(guān)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(jié)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(shè)防的地區(qū)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(jié)構(gòu)密封膠所需承受的荷載均可能較常規(guī)玻璃幕墻大，如果遇到上述幾種情況的組合，按照現(xiàn)有規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，結(jié)構(gòu)膠的寬度將大大增加。

　　JGJ 102-2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（以下簡(jiǎn)稱《規(guī)范》）中對(duì)于結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)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(jié)構(gòu)密封膠應(yīng)根據(jù)不同的受力情況進(jìn)行承載力極限狀態(tài)驗(yàn)算。在風(fēng)荷載、水平地震作用下，硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的拉應(yīng)力或剪應(yīng)力設(shè)計(jì)值不應(yīng)大于其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f1，f1應(yīng)取0.2N/mm2；在永久荷載作用下，硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的拉應(yīng)力或剪應(yīng)力設(shè)計(jì)值不應(yīng)大于其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f2，f2應(yīng)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(jié)構(gòu)密封膠的粘接寬度，非抗震設(shè)計(jì)時(shí)，可取第a、c款計(jì)算的較大值；抗震設(shè)計(jì)時(shí)，可取第b、c款計(jì)算的較大值。

　　a) 在風(fēng)荷載作用下的粘接寬度計(jì)算：

　　b) 在風(fēng)荷載和水平地震作用下的粘接寬度計(jì)算：

　　c) 在玻璃永久荷載作用下的粘接寬度計(jì)算：

　　4. 水平倒掛的隱框、半隱框玻璃和鋁框之間硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的粘接寬度計(jì)算：

　　在一般的荷載情況下，按照上面的公式進(jìn)行計(jì)算，結(jié)構(gòu)膠的寬度通常可以限制在7-24mm范圍內(nèi)，滿足《規(guī)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(shí)，結(jié)構(gòu)膠的寬度經(jīng)常超過(guò)24mm，有時(shí)甚至達(dá)到40mm以上。

　　比如，某工程各參數(shù)如下：
　　玻璃：8+1.52PVB+10+12A+10；
　　玻璃尺寸：1448mm×4426 mm；
　　水平組合荷載設(shè)計(jì)值W合=8.941KPa；
　　垂直組合荷載設(shè)計(jì)值qG =0.860 KPa；

　　按照《規(guī)范》計(jì)算：

　　取兩者的最大值，硅酮結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)寬度達(dá)47mm，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于24mm，不僅無(wú)法滿足《規(guī)范》要求的7-24mm的范圍，也會(huì)嚴(yán)重影響幕墻的視覺(jué)效果，更會(huì)由于鋁材耗費(fèi)量的增加而大大增加幕墻建造的成本。
　　那么，有沒(méi)有可能在保證安全的前提下減小結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)寬度呢？從上面的計(jì)算公式可以看出，由于所有的參數(shù)都是固定的，只有提高硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f1、f2才能減小結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)寬度。
　　JGJ 102-2003 條文說(shuō)明第5.6.2條解釋了硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f1、f2的取值依據(jù)：“現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》GB 16776中，規(guī)定了硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的拉伸強(qiáng)度值不低于0.6N/m2，在風(fēng)荷載或地震作用下，硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的總安全系數(shù)取不小于4，套用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.4，地震作用分項(xiàng)系數(shù)取1.3，則其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f1約為0.21～0.195N/m2，本規(guī)范取為0.2N/m2，此時(shí)材料分項(xiàng)系數(shù)約為3.0。在永久荷載（重力荷載）作用下，硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f2取為風(fēng)荷載作用下強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的1/20，即0.01N/m2。”
　　根據(jù)上述說(shuō)明，如果硅酮結(jié)構(gòu)膠的拉伸強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值大于0.6 N/m2，就有可能在不降低安全系數(shù)的前提下提高硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f1、f2，從而減小硅酮結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)寬度。

　　廣州市白云化工有限公司生產(chǎn)的白云牌SS921/SS922超高性能硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的拉伸強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1.2MPa，是GB16776規(guī)定的拉伸強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（0.6MPa）的2倍，按照《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ 102-2003條文說(shuō)明5.6.2對(duì)結(jié)構(gòu)膠設(shè)計(jì)參數(shù)的取用方法，可將硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f1、f2分別提高至原來(lái)的2倍，
　　f1=1.2/3.0=0.4N/mm2、f2=1.2/60.0=0.02N/mm2。
　　按照f(shuō)1=0.4N/mm2、f2=0.02N/mm2進(jìn)行上面的計(jì)算

　　結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)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(shí)節(jié)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(shè)計(jì)師選用白云牌SS922超高性能硅酮結(jié)構(gòu)密封膠，將結(jié)構(gòu)膠的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f1、f2分別提高至原來(lái)的2倍，減小了硅酮結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)寬度。
　　如此大幅度地提高硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，在國(guó)內(nèi)尚屬首次。由于沒(méi)有先例，為了確保幕墻的安全，設(shè)計(jì)師還設(shè)置了托條和安全夾等雙重保護(hù)措施。在專家論證會(huì)上，設(shè)計(jì)方案獲得了與會(huì)專家的一致認(rèn)同。

　　綜上所述，在大荷載作用下，隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠寬度的設(shè)計(jì)，可以通過(guò)選用高性能的硅酮結(jié)構(gòu)密封膠、提高其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f1、f2并設(shè)置一定保護(hù)措施的方式來(lái)減小硅酮結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)寬度，使幕墻既安全又美觀。

本文延伸報(bào)道一：

廣州珠江新城西塔項(xiàng)目幕墻設(shè)計(jì)重要問(wèn)題專家意見(jiàn)

　　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(jié)構(gòu)膠。生產(chǎn)廠家應(yīng)提供性能檢測(cè)報(bào)告。結(jié)構(gòu)膠的短期荷載強(qiáng)度設(shè)計(jì)值可按標(biāo)準(zhǔn)值除以系數(shù)3.0后采用，長(zhǎng)期荷載下強(qiáng)度設(shè)計(jì)值可按標(biāo)準(zhǔn)值除以系數(shù)60.0后采用。結(jié)構(gòu)膠變位承受能力可按應(yīng)力一變位曲線關(guān)系中應(yīng)力為0.7f1時(shí)的變形值采用
（f1為短期荷載作用下強(qiáng)度設(shè)計(jì)值）。
　　二、結(jié)構(gòu)膠的厚度設(shè)計(jì)時(shí)，位移值按彈性位移允許值設(shè)計(jì)。

　　　　　　　　　　　　　　　　二00七年十二月二十七日

廣州珠江新城西塔項(xiàng)目主塔外幕墻采用白云牌SS922超高性能硅酮結(jié)構(gòu)密封膠，
提高結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)度設(shè)計(jì)值專題技術(shù)論證會(huì)——會(huì)議紀(jì)要

　　由廣東省建設(shè)廳組織的“廣州珠江新城西塔項(xiàng)目采用白云牌SS922超高性能硅酮結(jié)構(gòu)密封膠，提高結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)度設(shè)計(jì)值”專題技術(shù)論證會(huì)于2008年4月21日下午在廣州召開(kāi)。到會(huì)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(shí)葭。廣東省建筑科學(xué)研究院、建設(shè)單位、深圳金粵幕墻裝飾工程有限公司對(duì)廣州珠江新城西塔項(xiàng)目主塔樓外墻全隱框單元式幕墻提高結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的取值要求進(jìn)行了說(shuō)明。廣州市白云化工實(shí)業(yè)有限公司對(duì)白云牌SS922超高性能硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的性能特點(diǎn)進(jìn)行了介紹。
　　廣州珠江新城西塔項(xiàng)目主塔樓為高達(dá)432米的超高層建筑，毗鄰珠江，屬于臺(tái)風(fēng)地區(qū)，其外幕墻采用全隱框幕墻結(jié)構(gòu)形式，板塊分格大，采用夾膠中空玻璃，因此風(fēng)荷載和玻璃自重荷載都較大。如果采用現(xiàn)行JGJ102-2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》中結(jié)構(gòu)膠的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（f1=0.2N/㎜2、f2=0.01N/㎜2）尚難滿足工程實(shí)際要求，因此需采用更高性能的硅酮結(jié)構(gòu)密封膠，提高結(jié)構(gòu)膠的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。由于白云牌SS922超高性能硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1.2MPa，是國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB16776-2005要求的2倍，所以可將結(jié)構(gòu)膠設(shè)計(jì)值f1、f2相應(yīng)提高至JGJ102-2003規(guī)范要求的2倍，同時(shí)在設(shè)計(jì)方案中采取在玻璃下端設(shè)置托條，并設(shè)置安全夾，確保工程安全。
　　與會(huì)專家經(jīng)過(guò)認(rèn)真討論，論證意見(jiàn)如下：
　　1、提供論證的資料齊全，符合《采用不符合工程建設(shè)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的新技術(shù)、新工藝、新材料核準(zhǔn)》的要求。
　　2、經(jīng)國(guó)家建筑材料工業(yè)建筑防水材料產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測(cè)試中心檢測(cè)，白云牌SS922超高性能硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的性能符合廣州市白云化工實(shí)業(yè)有限公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/BYHG13-2008《建筑幕墻用高性能硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》的要求。
　　3、白云牌SS922超高性能硅酮結(jié)構(gòu)密封膠能夠滿足廣州珠江新城西塔項(xiàng)目主塔外幕墻的設(shè)計(jì)要求。
　　與會(huì)專家一致認(rèn)為：白云牌SS922超高性能硅酮結(jié)構(gòu)密封膠可在廣州珠江新城西塔項(xiàng)目主塔樓玻璃幕墻中使用。按照J(rèn)GJ102-2003規(guī)范中結(jié)構(gòu)膠設(shè)計(jì)參數(shù)的取值方法，可將結(jié)構(gòu)膠在風(fēng)荷載或地震作用下的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f1提高至0.4N/㎜2,在永久荷載作用下的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f2提高至0.02 N/㎜2。
　　與會(huì)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(jié)構(gòu)密封膠，其寬度應(yīng)由計(jì)算確定。
　　　　　　　　　　　　　　　　　專家組組長(zhǎng)：鄭金峰
　　　　　　　　　　　　　　　　　專家組副組長(zhǎng)：趙西安、龍文志
　　　　　　　　　　　　　　　　　2008年4月21日

　　附錄：
　　1. SS922其產(chǎn)品質(zhì)量應(yīng)符合廣州市質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督管理處備案號(hào)QB/440100830306-2005
　　企業(yè)標(biāo)Q/（NGS）BYNJ 13-2005的規(guī)定，即其指標(biāo)達(dá)到：拉伸粘接性 拉伸粘接強(qiáng)度（MPa） 標(biāo)準(zhǔn)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(qiáng)度時(shí)伸長(zhǎng)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(chǎn)品樣本標(biāo)為：（對(duì)應(yīng)于0.28MPa時(shí)的伸長(zhǎng)率）SS921——0.14，SS922——0.12。

 

本文延伸報(bào)道二：

【馬啟元】倍增幕墻玻璃粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的風(fēng)險(xiǎn)

 

　　某標(biāo)高300m國(guó)際金融大廈超大玻璃幕墻工程設(shè)計(jì)中，為減少硅酮結(jié)構(gòu)密封膠用量、縮小金屬型材斷面、節(jié)省幕墻制造成本并獲得更好外觀，超規(guī)范將硅酮結(jié)構(gòu)密封膠強(qiáng)度設(shè)計(jì)值從0. 14MPa提高到0. 40MPa。如此大幅提高結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，而且首先在重要性極高的建筑上進(jìn)行大荷載下減小隱框玻璃幕墻粘結(jié)尺寸的嘗試，國(guó)內(nèi)屬首次，國(guó)際上也未見(jiàn)先例。國(guó)外先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定0. 14NIPa為結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)的最高限值，我國(guó)建筑規(guī)范將強(qiáng)度設(shè)計(jì)值0. 14MPa納人強(qiáng)制條款，超規(guī)范設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行驗(yàn)證試驗(yàn)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。本文分析了結(jié)構(gòu)膠非線性力學(xué)特性、粘結(jié)與傳統(tǒng)機(jī)械連接的差別、強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和標(biāo)準(zhǔn)值的設(shè)定，例證結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)荷載效應(yīng)與荷載的非線性關(guān)系和線性提高強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的風(fēng)險(xiǎn)。重要性較高的建筑應(yīng)提高承載安全系數(shù)，采用高性能材料提高粘結(jié)可靠性和耐久性，而不是提高結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)度設(shè)計(jì)值增大粘結(jié)膠縫的荷載。　
　　１.硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的力學(xué)特征　

　　圖2、圖3是以速度5 mm/min拉伸結(jié)構(gòu)膠的應(yīng)力一應(yīng)變曲線，加大試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集密度(如圖3產(chǎn)品B曲線由7000個(gè)數(shù)據(jù)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(chǎn)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(xù)拉伸后曲線斜率遞減呈非線性彈性。一般橡膠材料報(bào)告通過(guò)原點(diǎn)的切線C點(diǎn)的正割模量，以此值(或以拉伸變形0.10時(shí)的正割模量)報(bào)告為材料的彈性模量，在c點(diǎn)內(nèi)撤除拉力，材料可恢復(fù)原始形狀，由圖2、圖3可見(jiàn)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)膠的模量分別為0. 18MPa/0. 10、0. 23 MPa/0. 17;超過(guò)C點(diǎn)后拉伸進(jìn)人彈塑段，在很寬的區(qū)間內(nèi)曲線斜率銳減，應(yīng)變迅速增大，直至應(yīng)變?cè)黾佣鴳?yīng)力卻不增加達(dá)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(fù)。結(jié)構(gòu)膠的最大拉伸強(qiáng)度是屈服段的極限強(qiáng)度。不同的結(jié)構(gòu)膠的彈性模量和c切點(diǎn)正割模量不同，量值與材料極限強(qiáng)度沒(méi)有比例關(guān)系。　

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