大分格幕墙结构胶的优化设计方法

靳凯明 郑明皓 解恒辉 曲招政

山东建筑大学 250101

摘要：通过对硅酮结构密封胶基本力学性能的分析，以及对 JGJ 102—2003《玻璃幕墙工程技术规范》中关于结构胶宽度和厚度计算公式的解读，针对大分格幕墙系统可能产生大变位情况下硅酮结构密封胶的设计提出了优化方案，此类方案安全性更高，且能更好地节约成本、降低造价。
关键词：幕墙；硅酮结构胶；大分格；设计优化

1 幕墙系统对硅酮结构密封胶的要求

在幕墙胶接结构系统中，硅酮结构密封胶将受荷面板玻璃（或其他面板材料）同金属框架粘结在一起，向装配体系结构传递面板所承受的荷载，并适应面板材料与支撑框架间预计发生的相对位移。因此，设计人员在规定的应用条件下选择硅酮结构密封胶时，所选材料应具备承受系统对其施加荷载的强度，以及适应各种可能发生的位移变形的柔性。硅酮结构密封胶所承受的荷载主要包括：自重荷载、风荷载、地震荷载；需要适应的变形主要包括：主体结构变形、温度变形等。根据结构胶所承受的外部荷载作用时间的长短，可以将荷载分为永久荷载、长期荷载、短期荷载、瞬时荷载。

2 硅酮结构密封胶的基本力学性能

硅酮结构密封胶的主要成分为聚二甲基硅氧烷，具有抗老化、粘结性良好、拉伸强度高、适应温差变化大、防潮等特点。但是，在实际应用过程中，由于材料内部微观结构的不均匀和缺陷（如表面划痕、杂质、微孔、晶界及微裂缝等），易导致材料上述属性达不到理想值，这些缺陷虽然尺寸很小，但危害很大。硅酮结构密封胶在使用、储存过程中，在拉伸荷载作用下，由于应力及环境变化的影响，在材料的不均匀薄弱处，会出现应力集中，导致局部的塑性形变与取向，在其表面或内部出现闪亮的、细长形的“类裂纹”——银纹（图 1），随着银纹的继续发展就形成了结构胶的永久不可逆的变形——破坏（图 2），从而导致硅酮结构密封胶的强度仅为其材料理想强度的百分之一到千分之一。硅酮结构密封胶作为一种高分子材料，其应力应变形式较为复杂，在永久荷载、瞬时荷载及短期荷载作用下反映出来的特性有较大差别：既有普通金属材料在常温静态荷载作用下所表现出的应力应变成线性变化的特性，也有流体材料在恒定荷载作用下所表现出的应变随作用时间的延长而逐渐增强的特性。在研究硅酮结构密封胶的力学属性之前，我们需要先弄清楚以下几个概念：普弹应变、高弹应变和黏性流动。

图 1硅酮结构胶银纹扩展示意 图 2硅酮结构胶裂缝形成示意

3 硅酮结构密封胶的优化设计

目前，国内幕墙设计一般采用行业标准 JGJ 102—2003《玻璃幕墙工程技术规范》。规范中关于硅酮结构密封胶受力情况的验算，依据的是弹性理论力学模型和经验公式，没有考虑或没有准确考虑硅酮结构密封胶在永久荷载作用下的蠕变效应（即黏弹性应力应变状态），这势必会造成结构胶设计时出现合理不合情的状况。基于以上分析，建议针对硅酮结构密封胶高分子材料的特殊力学性能，在幕墙胶接结构系统验算时，应针对不同受荷形式采用不同的荷载验算方式。对玻璃自重等恒荷载作用， JGJ 102—2003 规范中 5.6.3-3 公式是基于一定前提条件提出的，即假设“隐框幕墙玻璃附框四周是固定的，玻璃板块四条边的硅酮结构密封胶均可以承受面板自重作用”，并将结构胶在永久荷载作用下的应力应变形式根据经验公式转变成普弹应变，即取永久荷载作用下的硅酮结构密封胶强度设计值为 f（2 f2=f1/20）；将硅酮结构密封胶的强度设计值的安全系数，由短时荷载和瞬时荷载的 3 倍提高到永久荷载的 60 倍。然而，实际工程中在设计幕墙结构胶接系统时，考虑到幕墙系统能够适应主体结构变形及温度伸缩等因素，往往将面板和主龙骨之间的连接设计成浮动连接，硅酮结构密封胶只能均匀传递水平方向平面外的风荷载和地震作用，在重力荷载作用的平面内都是自由的。此时，风荷载和地震荷载可以按四边简支结构验算，满足 JGJ 102—2003 规范中公式 5.6.3-1 和5.6.3-2 的基本假定；而自重荷载力传递路径仅是通过水平胶缝中一条或两条来传递给主龙骨 （主体结构），此时的力学模型应为单边支撑或者对边支撑，该支撑条件不符合 JGJ 102—2003 规范中 5.6.3-3 公式所假定的基本条件。对于大分格并有较大的结构变形时，如果采用普通变形能力的硅酮结构密封胶，胶缝厚度就会很厚，这既不经济，也不利于结构胶的养护，且会给幕墙系统的设计带来一定的难度。倘若不想增加硅酮结构胶的厚度，往往需要采用价格高昂的高性能结构胶才能满足规范的要求。这种情形下，完全可以采用更合理、更经济的结构形式来应对主体结构的大变形，而不是拘泥于增加硅酮结构密封胶厚度或采用价格高昂的高性能结构胶。为了减少主体结构变形造成的对硅酮结构密封胶胶缝厚度的压力，可以在幕墙结构系统设计时采用构造措施和结构胶共同适应主体结构变形位移根据上述分析。当玻璃分格较大，或结构胶承受的永久荷载较大时，仍然采用 JGJ 102—2003 规范5.6.3 中的公式，即采用弹性力学模型来模拟硅酮结构密封胶的应力应变，会造成硅酮结构密封胶的尺寸较大；同时，由于永久荷载的蠕变效应会对硅酮结构密封胶的强度产生不良影响，特别是在当前对硅酮结构密封胶蠕变效应的研究还不充足的情况下，该影响的后果亦不可预料。因此，必须采取措施避免上述现象的发生，首先要限制硅酮结构胶承受重力等永久荷载作用，其次可采用其他更合理的结构形式来承受重力等永久荷载作用，使材料自始至终均处在弹性理论力学模型可以模拟的工作状态下。比如设置铝合金材质或者不锈钢材质的承重角码，直接将面板恒载传递到主体结构，既减少了硅酮结构密封胶的用量，也可以避免结构胶在承受永久荷载时产生的蠕变效应造成的安全隐患。此时，硅酮结构密封胶的粘结宽度也可按 JGJ 102—2003 规范中公式 5.6.3-1 及公式 5.6.3-2 进行计算，而不用考虑面板自重这一永久荷载对结构胶的影响。

4 结语

硅酮结构密封胶作为一种高分子材料，在不同幕墙系统结构中及承受不同荷载作用形式时，其力学性能也是不同的。只有在充分理解硅酮结构密封胶材料性能及幕墙结构系统原理的基础上，选用更合理的计算方法及更合适的产品及系统，使设计的幕墙系统在满足安全好用的基础上达到经济最优，才能使胶接幕墙系统走上健康可持续发展的道路。

参考资料：

[1] 中国建筑科学研究院.JGJ 102—2003玻璃幕墙工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.
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[4] 张冠琦，曾容，周意生.大荷载作用下隐框幕墙结构胶粘结宽度设计的讨论[J].中国建筑防水，2009（6）：18-21