大荷载作用下减小隐框玻璃幕墙结构胶粘结宽度的尝试

来源:广州市白云化工实业有限公司　作者:张芹　日期:2009-4-1 　页面功能【字体：大中小】【打印】【投稿】【评论】

　　在大荷载作用下，隐框玻璃幕墙结构胶宽度的设计，可以通过选用高性能的硅酮结构密封胶、提高其强度设计值f1、f2并设置一定保护措施的方式来减小硅酮结构胶粘结宽度，使幕墙既安全又美观。

　　本文正文：

　　随着建筑业的迅猛发展，建筑造型逐渐个性化，建筑幕墙的形式也随之多样化、复杂化。人们对建筑的要求越来越高，美观、舒适、节能、环保都是建筑师在设计时必须考虑的问题，要达到这四者的完美统一，现有的技术、材料和工艺水平有时已经无法满足建筑师的要求，迫切需要新技术、新材料、新工艺的推出来解决这些问题。

　　目前，玻璃幕墙行业有些情况非常值得关注：

　　1. 高层、超高层建筑的隐框玻璃幕墙；
　　2. 玻璃板块、分格特别大的隐框玻璃幕墙；
　　3. 由于节能、安全等方面的要求，要使用夹层中空玻璃的隐框玻璃幕墙；
　　4. 在抗震9度设防的地区建造的隐框玻璃幕墙。

　　上述几种情况，玻璃幕墙使用的硅酮结构密封胶所需承受的荷载均可能较常规玻璃幕墙大，如果遇到上述几种情况的组合，按照现有规范进行设计计算，结构胶的宽度将大大增加。

　　JGJ 102-2003《玻璃幕墙工程技术规范》（以下简称《规范》）中对于结构胶的粘结宽度有下面一些要求：
　　1. 宽度大于等于7mm；厚度大于等于6mm；厚度≤宽度≤2倍厚度；厚度≤12mm。
　　2. 硅酮结构密封胶应根据不同的受力情况进行承载力极限状态验算。在风荷载、水平地震作用下，硅酮结构密封胶的拉应力或剪应力设计值不应大于其强度设计值f1，f1应取0.2N/mm2；在永久荷载作用下，硅酮结构密封胶的拉应力或剪应力设计值不应大于其强度设计值f2，f2应取0.01N/mm2。
　　3. 竖向隐框、半隐框玻璃幕墙中玻璃和铝框之间硅酮结构密封胶的粘接宽度，非抗震设计时，可取第a、c款计算的较大值；抗震设计时，可取第b、c款计算的较大值。

　　a) 在风荷载作用下的粘接宽度计算：

　　b) 在风荷载和水平地震作用下的粘接宽度计算：

　　c) 在玻璃永久荷载作用下的粘接宽度计算：

　　4. 水平倒挂的隐框、半隐框玻璃和铝框之间硅酮结构密封胶的粘接宽度计算：

　　在一般的荷载情况下，按照上面的公式进行计算，结构胶的宽度通常可以限制在7-24mm范围内，满足《规范》的要求。但是，在遇到上述几种情况或上述几种情况的组合时，结构胶的宽度经常超过24mm，有时甚至达到40mm以上。

　　比如，某工程各参数如下：
　　玻璃：8+1.52PVB+10+12A+10；
　　玻璃尺寸：1448mm×4426 mm；
　　水平组合荷载设计值W合=8.941KPa；
　　垂直组合荷载设计值qG =0.860 KPa；

　　按照《规范》计算：

　　取两者的最大值，硅酮结构胶的粘结宽度达47mm，远远大于24mm，不仅无法满足《规范》要求的7-24mm的范围，也会严重影响幕墙的视觉效果，更会由于铝材耗费量的增加而大大增加幕墙建造的成本。
　　那么，有没有可能在保证安全的前提下减小结构胶的粘结宽度呢？从上面的计算公式可以看出，由于所有的参数都是固定的，只有提高硅酮结构密封胶的强度设计值f1、f2才能减小结构胶的粘结宽度。
　　JGJ 102-2003 条文说明第5.6.2条解释了硅酮结构密封胶的强度设计值f1、f2的取值依据：“现行国家标准《建筑用硅酮结构密封胶》GB 16776中，规定了硅酮结构密封胶的拉伸强度值不低于0.6N/m2，在风荷载或地震作用下，硅酮结构密封胶的总安全系数取不小于4，套用概率极限状态设计方法，风荷载分项系数取1.4，地震作用分项系数取1.3，则其强度设计值f1约为0.21～0.195N/m2，本规范取为0.2N/m2，此时材料分项系数约为3.0。在永久荷载（重力荷载）作用下，硅酮结构密封胶的强度设计值f2取为风荷载作用下强度设计值的1/20，即0.01N/m2。”
　　根据上述说明，如果硅酮结构胶的拉伸强度标准值大于0.6 N/m2，就有可能在不降低安全系数的前提下提高硅酮结构密封胶的强度设计值f1、f2，从而减小硅酮结构胶的粘结宽度。

　　广州市白云化工有限公司生产的白云牌SS921/SS922超高性能硅酮结构密封胶的拉伸强度标准值为1.2MPa，是GB16776规定的拉伸强度标准值（0.6MPa）的2倍，按照《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 102-2003条文说明5.6.2对结构胶设计参数的取用方法，可将硅酮结构密封胶的强度设计值f1、f2分别提高至原来的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进行上面的计算

　　结构胶粘结宽度小于24mm，在保证幕墙安全性的前提下，满足了幕墙美观的需要，同时节省了铝材的用量，可谓一举多得。
　　在广州西塔主塔楼幕墙工程中，设计师选用白云牌SS922超高性能硅酮结构密封胶，将结构胶的强度设计值f1、f2分别提高至原来的2倍，减小了硅酮结构胶的粘结宽度。
　　如此大幅度地提高硅酮结构密封胶的强度设计值，在国内尚属首次。由于没有先例，为了确保幕墙的安全，设计师还设置了托条和安全夹等双重保护措施。在专家论证会上，设计方案获得了与会专家的一致认同。

　　综上所述，在大荷载作用下，隐框玻璃幕墙结构胶宽度的设计，可以通过选用高性能的硅酮结构密封胶、提高其强度设计值f1、f2并设置一定保护措施的方式来减小硅酮结构胶粘结宽度，使幕墙既安全又美观。

本文延伸报道一：

广州珠江新城西塔项目幕墙设计重要问题专家意见

　　一、本工程幕墙承受大荷载、大位移的部位，可以采用高性能硅酮结构胶。生产厂家应提供性能检测报告。结构胶的短期荷载强度设计值可按标准值除以系数3.0后采用，长期荷载下强度设计值可按标准值除以系数60.0后采用。结构胶变位承受能力可按应力一变位曲线关系中应力为0.7f1时的变形值采用
（f1为短期荷载作用下强度设计值）。
　　二、结构胶的厚度设计时，位移值按弹性位移允许值设计。

　　　　　　　　　　　　　　　　二00七年十二月二十七日

广州珠江新城西塔项目主塔外幕墙采用白云牌SS922超高性能硅酮结构密封胶，
提高结构胶强度设计值专题技术论证会——会议纪要

　　由广东省建设厅组织的“广州珠江新城西塔项目采用白云牌SS922超高性能硅酮结构密封胶，提高结构胶强度设计值”专题技术论证会于2008年4月21日下午在广州召开。到会的专家有：郑金峰、赵西安、龙文志、杨仕超、姜仁、闭思廉、莫英光、花定兴、席时葭。广东省建筑科学研究院、建设单位、深圳金粤幕墙装饰工程有限公司对广州珠江新城西塔项目主塔楼外墙全隐框单元式幕墙提高结构胶强度设计值的取值要求进行了说明。广州市白云化工实业有限公司对白云牌SS922超高性能硅酮结构密封胶的性能特点进行了介绍。
　　广州珠江新城西塔项目主塔楼为高达432米的超高层建筑，毗邻珠江，属于台风地区，其外幕墙采用全隐框幕墙结构形式，板块分格大，采用夹胶中空玻璃，因此风荷载和玻璃自重荷载都较大。如果采用现行JGJ102-2003《玻璃幕墙工程技术规范》中结构胶的强度设计值（f1=0.2N/㎜2、f2=0.01N/㎜2）尚难满足工程实际要求，因此需采用更高性能的硅酮结构密封胶，提高结构胶的强度设计值。由于白云牌SS922超高性能硅酮结构密封胶的强度标准值为1.2MPa，是国家标准GB16776-2005要求的2倍，所以可将结构胶设计值f1、f2相应提高至JGJ102-2003规范要求的2倍，同时在设计方案中采取在玻璃下端设置托条，并设置安全夹，确保工程安全。
　　与会专家经过认真讨论，论证意见如下：
　　1、提供论证的资料齐全，符合《采用不符合工程建设强制性标准的新技术、新工艺、新材料核准》的要求。
　　2、经国家建筑材料工业建筑防水材料产品质量监督检验测试中心检测，白云牌SS922超高性能硅酮结构密封胶的性能符合广州市白云化工实业有限公司企业标准Q/BYHG13-2008《建筑幕墙用高性能硅酮结构密封胶》的要求。
　　3、白云牌SS922超高性能硅酮结构密封胶能够满足广州珠江新城西塔项目主塔外幕墙的设计要求。
　　与会专家一致认为：白云牌SS922超高性能硅酮结构密封胶可在广州珠江新城西塔项目主塔楼玻璃幕墙中使用。按照JGJ102-2003规范中结构胶设计参数的取值方法，可将结构胶在风荷载或地震作用下的强度设计值f1提高至0.4N/㎜2,在永久荷载作用下的强度设计值f2提高至0.02 N/㎜2。
　　与会专家建议，中空玻璃二道密封胶亦采用白云牌SS922超高性能硅酮结构密封胶，其宽度应由计算确定。
　　　　　　　　　　　　　　　　　专家组组长：郑金峰
　　　　　　　　　　　　　　　　　专家组副组长：赵西安、龙文志
　　　　　　　　　　　　　　　　　2008年4月21日

　　附录：
　　1. SS922其产品质量应符合广州市质量技术监督管理处备案号QB/440100830306-2005
　　企业标Q/（NGS）BYNJ 13-2005的规定，即其指标达到：拉伸粘接性拉伸粘接强度（MPa）标准条件≥1.20 ， 900≥0.80 ，-300≥0.8 0 ，浸水后≥0.80 ，水-紫外线光照后≥0.80 ；
　　粘接破坏面积≥5% ；最大拉伸强度时伸长率≥200。

　　2.按上述文件精神，f1取0.40N/mm2、f2取0.02N/mm2。
　　δ取值白云厂产品样本标为：（对应于0.28MPa时的伸长率）SS921——0.14，SS922——0.12。

本文延伸报道二：

【马启元】倍增幕墙玻璃粘结强度设计值的风险

　　【专家档案】
　　专家姓名：马启元
　　技术职称：教授级高级工程师　
　　技术职务：顾问、技术委员会委员
　　专长：航空密封材料及工艺、建筑胶粘密封材料及工艺技术、标准化研究、质量管理体系。
从事专业:1962年西北工业大学高分子材料工程系毕业分配北京航空材料研究院，任航空技术委员会秘书、科技处助理员、胶接及密封材料专业技术员、工程师、专业组长、高级工程师；1992年调入中国化建公司，任企业发展部主任、副总工程师、教授级高级工程师，获国务院突出贡献专家津贴；1997年负责组建北京西令胶粘密封材料公司，任总工程师、质量管理代表。　　　<<<<专家详细资料及论文集

　　某标高300m国际金融大厦超大玻璃幕墙工程设计中，为减少硅酮结构密封胶用量、缩小金属型材断面、节省幕墙制造成本并获得更好外观，超规范将硅酮结构密封胶强度设计值从0. 14MPa提高到0. 40MPa。如此大幅提高结构胶强度设计值，而且首先在重要性极高的建筑上进行大荷载下减小隐框玻璃幕墙粘结尺寸的尝试，国内属首次，国际上也未见先例。国外先进标准设定0. 14NIPa为结构胶粘结强度设计的最高限值，我国建筑规范将强度设计值0. 14MPa纳人强制条款，超规范设计应进行验证试验和风险评估。本文分析了结构胶非线性力学特性、粘结与传统机械连接的差别、强度设计值和标准值的设定，例证结构胶粘结荷载效应与荷载的非线性关系和线性提高强度设计值的风险。重要性较高的建筑应提高承载安全系数，采用高性能材料提高粘结可靠性和耐久性，而不是提高结构胶强度设计值增大粘结胶缝的荷载。　
　　１.硅酮结构密封胶的力学特征　

　　图2、图3是以速度5 mm/min拉伸结构胶的应力一应变曲线，加大试验数据采集密度(如图3产品B曲线由7000个数据组成)并局部放大，可以分辨初始段为直线并判定OA直线段的斜率，即材料的比例极限，斜率为产品“初始模量”—杨氏模量E。，如图2、图3中该值分别为0.08/0.07=1.1(MPa)、0.04/0.065=0.62(MPa);继续拉伸后曲线斜率递减呈非线性弹性。一般橡胶材料报告通过原点的切线C点的正割模量，以此值(或以拉伸变形0.10时的正割模量)报告为材料的弹性模量，在c点内撤除拉力，材料可恢复原始形状，由图2、图3可见试验结构胶的模量分别为0. 18MPa/0. 10、0. 23 MPa/0. 17;超过C点后拉伸进人弹塑段，在很宽的区间内曲线斜率锐减，应变迅速增大，直至应变增加而应力却不增加达到屈服段，曲线斜率为0直至断裂。在弹塑段和屈服段撤除拉力，材料的原始形状不能恢复。结构胶的最大拉伸强度是屈服段的极限强度。不同的结构胶的弹性模量和c切点正割模量不同，量值与材料极限强度没有比例关系。　