分析荷載對連接作用和引起其變形的性質是粘接構造設計的基礎,例如,地震、風速等的作用是隨機性的,而設計所用 50年或百年一遇的地震、
風荷載等作用,指的都是瞬間的統計概率或然值;熱位移引起的
應力每天有一峰值,也是隨機性的,且一年內會有幾次最大值,對此是按最大值設計,或是按統計概率某一或然值和按隨機損傷破壞的準則設計?當然理應根據不同作用性質所產生的效應和粘接的構造狀況,結合所選用結構膠的物理力學性質,選用合理的設計方法進行設計,以保證安全可靠、適用和耐久。這就需要了解所用結構膠的力學特征,根據膠的性質、粘接型式及其受力狀況,研究和選用適當的設計方案并經精心設計才能達到。
2.3 建筑幕墻結構膠的基本力學特征
不同于金屬的焊接和機械性連接,
硅酮結構膠是室溫
固化的粘接材料,被粘表面的狀態、環境溫度、濕度、混合及注膠施工操作質量等,都是影響其粘接性能的不確定因同素。不同于金屬等固體材料,固化后的結構膠粘接體是類
橡膠的粘
彈性材料,粘接體的強度和
彈性模量遠低于被連接件(玻璃、
鋁合金、不銹鋼等)材料,相差3~4個數量級;粘接體
泊松比0.5,遠大于玻璃(0.2)和鋁合金(0.3), 受力橫
截面積將隨變形量的增加迅速減小(縮頸),產生的實際應力遠大于工程名義應力,僅在初始應變條件下(25%為邊界)其法線應力基本接近切線應力(接近彈性固體),所以工程應用中采用該階段測得的彈性模量表征粘接體拉伸應力-應變特性;粘接體的應力-應變特性受作用時間和溫度影響,溫度升高或持續力作用下呈現粘彈性,產生徐變或/和蠕變。此外,一些疲勞試驗研究表明,粘接體性能隨循環應力幅度的增大而迅速劣化,如140kpa循環應力下可為50萬次,190kpa下不足9萬次,而345kpa下循環5000次即發生破壞。有關疲勞性能的深入認識尚待試驗研究。不同于其他連接,目前粘接尚無有效的非破壞性檢驗方法,所以尋求不同受力狀態下與其被連接另部件間承載能力的匹配,合理的設計和選材顯得十分重要。
3 建筑幕墻結構膠的力學性能實驗研究建議
結構膠作為建筑結構性連接材料,它與其它
建筑材料同樣需要適應相關的自然環境和人為環境要求,因而其強度、彈性模量、耐老化和耐疲勞等性能,在相應環境條件下的以下實驗研究是十分必要的。
3.1單調荷載下結構膠的強度實驗研究
3.1.1 短暫荷載下結構膠的
拉伸強度實驗是最基本的實驗研究。其中應包括其不同應力或應變速度下的應力-應變關系曲線、彈性模量、彈性極限強度、破斷極限強度,破斷
伸長率度等性能的測定,以及其不同老化期的這些性能的測定。國家標準規定了結構膠產品滿足幕墻應用的最低要求,不同品牌的產品應通過型式檢驗對實測試驗數據進行數理統計分析(如平均值、均方差),將
概率分布0.05的
分位值作為
標準值并據此確定設計值。
3.1.2 持久荷載下結構膠的拉伸強度實驗,目的在于確定預計壽命期內結構膠破斷極限強度和徐變變形程度。歐洲認證規范采用91天持久剪力荷載試驗,測定不同荷載下的徐變曲線,確定結構膠不發生徐變/蠕變的應力水平和壽命期極限強度,作為預期持久荷載下結構膠連接設計的依據。與經驗值相比較,依據試驗確定的極限強度更為科學,也利于優質產品的發展和不同品牌性能結構膠的合理應用。
3.1.3 膠與粘接板件間粘接體
撕裂強度實驗。
硅酮結構密封膠的抗撕裂強度甚低,實際應用中一旦粘接體表面損傷或產生
裂紋,將誘發撕裂破壞,應結合粘接板件通過試驗,研究不同品牌結構膠的抗撕裂性能。對此不再贅述。
3.2反復荷載下結構膠的疲勞強度實驗
結構所受荷載常是多次反復,甚至是隨機的,同樣連接用結構膠的受力也理應如此。科學地設計該環境條件下工作的結構及其連接,應考慮其疲勞壽命及其破壞問題,以保證其耐久性和安全。該實驗可結合標準條件下的受拉試件進行實驗,但是必須有足夠多的試件,并對其試驗結果進行統計分析,給出相應的S-N 疲勞曲線,為設計分析結構膠粘接耐久性和安全性提供所需的技術參數。
上述實驗研究工作量大且繁重,建議業內企業和科研單位借鑒國內外有關
技術標準,如歐、美標準[4,5]、我國有關試驗標準和有關著作等,統籌考慮試件設計、實驗方法選擇、規劃及資金投入等,取得良好技術成果和社會經濟效益。期望得到相關主管部
門的關注和支持。
4 結束語
建筑幕墻結構
密封膠是粘接幕墻結構另部件用的一種重要的結構性材料,應根據其所在結構所處的環境、荷載狀況及變形條件和設計要求,結合不同品牌結構膠的性能,選用性能適用的品牌結構膠,以保證結構的安全性和耐久性。當然也應按照對建筑幕墻結構的可靠性要求,經反復配置、研究、實驗,生產出能滿足不斷提高設計要求的結構
密封膠產品,給出其相關的物理力學性能指標:例如,單調短期和持久荷載下的抗拉、抗剪切、抗撕裂、彈性模量及S-N疲勞特征參數(或曲線)等,以便為科學設計提供依據。當然,僅有該
材料力學性能參量的依據是不夠的,尚需有技術標準支持與設計者的配合,才能不斷設計出既安全、適用、耐久可靠,又有良好社會經濟效益的幕墻工程。
需要提及的是,建筑工程設計方法由經驗的安全系數法過渡到較科學的以概率統計
可靠度為基礎的
極限狀態法[6],經歷了將近半個多世紀;結構膠連接的科學設計法應用也需要一段相當長的路程。已有的建筑工程設計方法可以為基礎,其研究經驗可以為借鑒,隨著科技進步及其工作者的不斷努力,相信實現更科學的結構粘接設計方法會為期不遠。
本文僅就幕墻結構膠粘接連接的屬性、性能、應用及其力學性能的相關研究等問題提出些管見,不過是拋磚引玉而已,盼業內同行給予斧正賜教,不勝感謝。
參考文獻
1.GB/T 21086—2007,建筑幕墻(S),中國標準出版社,北京,2007
2.JGJ 102—2003,玻璃幕墻工程技術規范(S),中國建筑出版社,北京,2003
3.馬啟元,李少甫
中空玻璃邊緣的可靠粘接是其功能的重要保障,
門窗幕墻信息,134 ,2012
4.ASTM
C1401-2005,Standard Guide for Structural Sealant Glazing,Annual Book of ASTM Standards', Vol. 04.07.2005
5.ETAG 002,GUIDELINE FOR EUROPEAN TECHNICAL APPROVAL FOR STRUCTURAL SEALANT GLAZING SYSTEMS (SSGS),EOTA, Kunstlaan 40 Avenue des Arts, B - 1040 Brussels,2001
6.
GB 50068-2001 建筑結構可靠度設計統一標準(S),中國標準出版社,北京,2001【完】
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