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不同形狀玻璃板片結構膠膠寬的計算方法和結構性接口設計的考慮因素

來源:2011年會論文集  作者:周文亮  日期:2011-4-25
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摘要:梯形荷載分布理論和由此產生的結構膠膠寬計算公式已經在過去的20多年內被建筑幕墻行業認可和廣泛使用,迄今沒有一例案例因為結構膠膠寬的計算公式而出現問題。  在實際工程中,結構性接口的設計還是要考慮很多因素,除了膠寬外,還要考慮膠深,因為熱脹冷縮、板片的堆放、風荷載帶來的剪應力和彎曲變形等引起的應力都會影響結構膠接口的使用壽命。又譬如,因為設計的要求,往往會碰到很多異形玻璃板片,雖然按照矩形的短邊長度去套用結構膠膠寬的計算公式是偏安全的,如何精確計算這些異形玻璃板片的所需結構膠膠寬,需要我們的幕墻設計師們了解。本文主要介紹國外在這方面的一些研究成果, 給大家分享一下這方面的經驗,作為在結構膠接口設計中的一個補充。
關鍵詞:結構膠 膠寬 梯形荷載分布理論 風壓 自重 熱位移
 
  永久荷載作用力=單位面積板片重力荷載*板片面積
  結構膠受力是由結構膠永久強度設計值和結構膠粘結面積決定的:
  結構膠受力=結構膠永久強度設計值*粘結寬度*板片周長
  極限情況決定的最小粘結寬度
         粘結寬度=
  一般的硅酮結構膠承受的永久荷載不應該超過1 psi。這個值非常保守,遠低于在樣品測試中能夠造成蠕變的荷載值。

  傾斜板片的粘接
  硅酮結構膠在采光頂和傾斜裝配上的應用方式大體與垂直的四邊和兩邊粘結應用情況相同。
  對于傾斜裝配的兩邊粘接系統,現在一般的應用是將結構膠打在水平的玻璃板片邊上而不是在垂直的板片邊上。而且這個膠寬也只是指玻璃與附框的粘結膠寬,而不包括中空玻璃的二道密封膠膠寬。對于傾斜安裝的板塊,板塊的自身重量會抵消風荷載的部分作用,如圖9,這個因素被疊加在公式1中,形成了如下的公式
         粘結寬度=   (5)
  當角θ為90°時,等式(5)與(1)相同。
  結構膠粘結厚度的討論
  對于結構膠的粘接厚度(表示板片到附框之間的距離),有兩條主要的規定:
  1.粘結厚度不應小于6 mm。
  2.粘結厚度不應大于粘結寬度。
  膠縫的最小寬度是由熱位移和膠的施工決定的。由于框架和板片的熱膨脹系數不相同,它會在密封膠上產生一個剪力。位移的數值是由密封膠的施工溫度、溫度變化、系統的設計施工、板片的尺寸和板片材料幾個因素共同決定的。由如下公式來計算
熱位移=初始長度*溫度變化值*熱膨脹系數          (6)
  要可以承受由熱位移帶來的應力,至少需要5到6 mm的粘結厚度。行業實際操作的經驗表明接口厚度至少需要6 mm才能夠完全填滿的整個結構膠接口。
  結構膠接口的設計,特別是結構膠縫的粘結厚度,對整個板片的撓曲影響很大。為了防止更大程度的位移,密封膠粘結厚度不得大于粘結寬度這個標準必須遵守。

  結構膠所受次應力的考慮
  現行的公式僅僅考慮了作用于硅酮結構膠上的主要應力,而次應力也可能對結構膠造成影響。其中最重要的拉壓作用是由于玻璃受壓和堆放作用、熱位移造成的剪力作用以及風荷載作用下產生的剪力和變形。
  (一)玻璃板片的堆放:如果在結構密封膠的固化工程中,有外加應力作用于堆疊平放的板片,則密封膠結構將會有一點點的變化。因此,在膠固化后,當外力消除,密封膠會在內部產生應力。為了防止這種情況的發生,待安裝的板片不能堆放得太高,在膠的固化過程中,不能有額外的重力施加于其上。
  (二)熱位移:如結構膠厚度的計算中討論的,由于結構膠和框架有著不同的熱膨脹,這會使結構膠受到剪切作用力。
  (三)風荷載帶來的剪應力和彎曲作用:行業專家們所做的計算機分析實驗表明,風荷載不僅會給密封膠帶來拉壓作用,還會帶來剪切和彎曲作用。
  結論:
  梯形荷載分布理論和由此產生的結構膠膠寬計算公式已經在過去的20多年內被建筑幕墻行業認可和廣泛使用,事實上也被證明是非常可靠的一種計算方法。由于在實際應用中,結構膠除了要承受風荷載帶來的拉伸應力外,還要承受次應力對接口膠縫的影響。這就要求結構膠的強度要有足夠大的安全系數。結構膠的強度設計值是被整個幕墻行業幾十年來所采用的,不能輕易修改,否則會對結構膠的使用造成安全隱患。
  參考資料:
  [1] Structural Sealant Glazing, ASTM STP 638, J.R. Hilliard, C.J. Parise, and C.O. Peterson, Jr., Eds.,American Society for Testing and Materials, Philadelphia
  [2] Klosowski, J. and Schmidt, C.,”The role of Adhesive Sealants in Structural Glazing,” U.S. Glass,  Metal & Glazing, July/August 1984
  [3] Klosowski, J.,”Safety Factors in Structural Glazing,”, U.S. Glass, Metal &Glazing, November/December 1985
  [4] Schultheis, J.,”Sloped Glazing with Structural Silicone,” Construction Specifier, June 1986
  [5] Sandberg, L. B. and Larson, A. P., “Stress Analysis of Structural Glazing Joints Under Windload,”Designing with Today’s Engineering Adhesives and Sealants, 1985 Fall Seminar of Adhesives &Sealants Council, Dearborn, MI, pp.110-118
  [6] Vallabhan, C.V.G., Wang, B.Y., Chou, G. D., and Minor, J. E.,”Thin Glass Plates on Elastic Supports.” Journal of Structural Engineering, Vol.3, No.2, Nov. 1985
  [7] Chou, G. D., Vallabhan, C.V.G., and Minor, J. E., “A Mathematical Model for Structurally Glazed Glass Insulating Units,” Glass Research and Testing Laboratory Report, Texas Tech University, Lubbock, TX, 79409, April 1987
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