分析荷载对连接作用和引起其变形的性质是粘接构造设计的基础,例如,地震、风速等的作用是随机性的,而设计所用 50年或百年一遇的地震、
风荷载等作用,指的都是瞬间的统计概率或然值;热位移引起的
应力每天有一峰值,也是随机性的,且一年内会有几次最大值,对此是按最大值设计,或是按统计概率某一或然值和按随机损伤破坏的准则设计?当然理应根据不同作用性质所产生的效应和粘接的构造状况,结合所选用结构胶的物理力学性质,选用合理的设计方法进行设计,以保证安全可靠、适用和耐久。这就需要了解所用结构胶的力学特征,根据胶的性质、粘接型式及其受力状况,研究和选用适当的设计方案并经精心设计才能达到。
2.3 建筑幕墙结构胶的基本力学特征
不同于金属的焊接和机械性连接,
硅酮结构胶是室温
固化的粘接材料,被粘表面的状态、环境温度、湿度、混合及注胶施工操作质量等,都是影响其粘接性能的不确定因同素。不同于金属等固体材料,固化后的结构胶粘接体是类
橡胶的粘
弹性材料,粘接体的强度和
弹性模量远低于被连接件(玻璃、
铝合金、不锈钢等)材料,相差3~4个数量级;粘接体
泊松比0.5,远大于玻璃(0.2)和铝合金(0.3), 受力横
截面积将随变形量的增加迅速减小(缩颈),产生的实际应力远大于工程名义应力,仅在初始应变条件下(25%为边界)其法线应力基本接近切线应力(接近弹性固体),所以工程应用中采用该阶段测得的弹性模量表征粘接体拉伸应力-应变特性;粘接体的应力-应变特性受作用时间和温度影响,温度升高或持续力作用下呈现粘弹性,产生徐变或/和蠕变。此外,一些疲劳试验研究表明,粘接体性能随循环应力幅度的增大而迅速劣化,如140kpa循环应力下可为50万次,190kpa下不足9万次,而345kpa下循环5000次即发生破坏。有关疲劳性能的深入认识尚待试验研究。不同于其他连接,目前粘接尚无有效的非破坏性检验方法,所以寻求不同受力状态下与其被连接另部件间承载能力的匹配,合理的设计和选材显得十分重要。
3 建筑幕墙结构胶的力学性能实验研究建议
结构胶作为建筑结构性连接材料,它与其它
建筑材料同样需要适应相关的自然环境和人为环境要求,因而其强度、弹性模量、耐老化和耐疲劳等性能,在相应环境条件下的以下实验研究是十分必要的。
3.1单调荷载下结构胶的强度实验研究
3.1.1 短暂荷载下结构胶的
拉伸强度实验是最基本的实验研究。其中应包括其不同应力或应变速度下的应力-应变关系曲线、弹性模量、弹性极限强度、破断极限强度,破断
伸长率度等性能的测定,以及其不同老化期的这些性能的测定。国家标准规定了结构胶产品满足幕墙应用的最低要求,不同品牌的产品应通过型式检验对实测试验数据进行数理统计分析(如平均值、均方差),将
概率分布0.05的
分位值作为
标准值并据此确定设计值。
3.1.2 持久荷载下结构胶的拉伸强度实验,目的在于确定预计寿命期内结构胶破断极限强度和徐变变形程度。欧洲认证规范采用91天持久剪力荷载试验,测定不同荷载下的徐变曲线,确定结构胶不发生徐变/蠕变的应力水平和寿命期极限强度,作为预期持久荷载下结构胶连接设计的依据。与经验值相比较,依据试验确定的极限强度更为科学,也利于优质产品的发展和不同品牌性能结构胶的合理应用。
3.1.3 胶与粘接板件间粘接体
撕裂强度实验。
硅酮结构密封胶的抗撕裂强度甚低,实际应用中一旦粘接体表面损伤或产生
裂纹,将诱发撕裂破坏,应结合粘接板件通过试验,研究不同品牌结构胶的抗撕裂性能。对此不再赘述。
3.2反复荷载下结构胶的疲劳强度实验
结构所受荷载常是多次反复,甚至是随机的,同样连接用结构胶的受力也理应如此。科学地设计该环境条件下工作的结构及其连接,应考虑其疲劳寿命及其破坏问题,以保证其耐久性和安全。该实验可结合标准条件下的受拉试件进行实验,但是必须有足够多的试件,并对其试验结果进行统计分析,给出相应的S-N 疲劳曲线,为设计分析结构胶粘接耐久性和安全性提供所需的技术参数。
上述实验研究工作量大且繁重,建议业内企业和科研单位借鉴国内外有关
技术标准,如欧、美标准[4,5]、我国有关试验标准和有关著作等,统筹考虑试件设计、实验方法选择、规划及资金投入等,取得良好技术成果和社会经济效益。期望得到相关主管部
门的关注和支持。
4 结束语
建筑幕墙结构
密封胶是粘接幕墙结构另部件用的一种重要的结构性材料,应根据其所在结构所处的环境、荷载状况及变形条件和设计要求,结合不同品牌结构胶的性能,选用性能适用的品牌结构胶,以保证结构的安全性和耐久性。当然也应按照对建筑幕墙结构的可靠性要求,经反复配置、研究、实验,生产出能满足不断提高设计要求的结构
密封胶产品,给出其相关的物理力学性能指标:例如,单调短期和持久荷载下的抗拉、抗剪切、抗撕裂、弹性模量及S-N疲劳特征参数(或曲线)等,以便为科学设计提供依据。当然,仅有该
材料力学性能参量的依据是不够的,尚需有技术标准支持与设计者的配合,才能不断设计出既安全、适用、耐久可靠,又有良好社会经济效益的幕墙工程。
需要提及的是,建筑工程设计方法由经验的安全系数法过渡到较科学的以概率统计
可靠度为基础的
极限状态法[6],经历了将近半个多世纪;结构胶连接的科学设计法应用也需要一段相当长的路程。已有的建筑工程设计方法可以为基础,其研究经验可以为借鉴,随着科技进步及其工作者的不断努力,相信实现更科学的结构粘接设计方法会为期不远。
本文仅就幕墙结构胶粘接连接的属性、性能、应用及其力学性能的相关研究等问题提出些管见,不过是抛砖引玉而已,盼业内同行给予斧正赐教,不胜感谢。
参考文献
1.GB/T 21086—2007,建筑幕墙(S),中国标准出版社,北京,2007
2.JGJ 102—2003,玻璃幕墙工程技术规范(S),中国建筑出版社,北京,2003
3.马启元,李少甫
中空玻璃边缘的可靠粘接是其功能的重要保障,
门窗幕墙信息,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 建筑结构可靠度设计统一标准(S),中国标准出版社,北京,2001【完】
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