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      建筑幕墻結構膠的屬性及力學性能淺析

      2014-02-28 11:35:57 作者: 來源:第一幕墻收集整理 我要評論0

      第一幕墻網 】  1 建筑幕墻結構膠的屬性特征 
        1.1建筑幕墻結構的組成及其材料
        建筑幕墻是建筑物外圍護結構,具有極強的裝飾效果和功能要求。它通常由面板及其支承構件的元件經連接組成并安裝在主體建筑結構上,一般不參與主體結構的受力,但其所受荷載、作用將傳遞于主體結構,而主體結構的位移將引起該結構的相應位移、變形和可能的受力改變,是建筑物主體結構的一種附屬結構。建筑幕墻的面板所用材料可有:玻璃、天然石材、人工石材、陶瓷質等脆性材料鋁合金、不銹鋼等延展性好的金屬材料;其支承結構所用材料多是金屬材料,有時也采用與面板相同的材料,如全玻璃幕墻。

        1.2 建筑幕墻連接方法、材料及其性能的基本要求
        建筑幕墻元件、桿件、構件乃至結構及其與主體結構間的連接均屬結構性連接,其方法有:以金屬材料為主的焊接連接、機械性連接(如螺釘、螺栓連接等)和以結構膠類的粘接性連接(粘接),以及兩類的混合性連接等。 

        不言而喻,各種結構性連接方法及其材料的基本性能都必須具備與其所連接的另部件和結構要求的性能相匹配,否則將導致其連接另部件間的不協調或離散,甚至引起結構的解體失效。

        1.3結構性連接的屬性與要求
        結構性連接是結構的重要組成部分,屬工程結構性的部件。其特征應是具有所連接結構設計要求的各項性能和足夠的可靠性(安全性、適用性和耐久性)。其連接形式可有對接,搭接,角接和T接等。以其受力變形性能劃分可有:剛性連接,即被連接件間不存在或有可忽略不計的相對變形及位移;鉸接,即被連接件間可有很大相對轉動變形或角位移;柔性(或稱半剛性)連接,即被連接件間可有介于剛性連接及鉸接之間的相對變形或位移。

        建筑結構承受風、雪、雨、露、溫度變化、地震等自然環境和人為環境(人群、重物)等各種可能的作用,應有足夠的可靠性和良好的社會經濟效益。結構連接既`是結構的重要組成部分,因此不論何種連接形式、性能、方法和材料,包括結構膠粘接的結構性連接,都應具有足夠且不低于其連接另部件和結構的可靠性,即必需的安全性、適用性和耐久性。

        1.4 建筑幕墻結構膠粘接的力學性能與基本要求
        建筑幕墻結構膠粘接是幕墻結構中的一種結構性連接,用于玻璃等脆性材料或與金屬等其他材料之間的連接。由于幕墻是建筑的外圍護結構,這種連接要承受可能的自然環境和人為環境作用,并應具有必要的安全性、適用性和耐久性。在此,其安全性主要指應有足夠大的承載能力或達到不適于繼續承載的足夠大變形;適用性主要指變形能力,具有較好的可恢復性和好的施工操作性;耐久性主要指應有足夠的耐老化和疲勞性能,在設計壽命期內的環境(相應溫度、大氣壓力、荷載等)反復作用下具有不失效性。粘接連接的這些性能不僅取決其材料本身的物理化學性能和力學性能,還需要合理的連接設計和結構膠的選用。

        2 建筑幕墻膠粘接的合理設計及膠的選用
        2.1板件間結構膠粘接的基本形式
        建筑幕墻結構膠粘接的基本型式可歸納有以下幾種:

       。1)搭接是被連接板件表面間的粘接,可有較大粘接面積,提供較大的承載力。相同面積粘接的承載力,取決于結構膠的粘接強度。

       。2)對接是位于同一平面內的被連接板件對接邊端面間的粘接,承載力取決于板件厚度和相接觸邊的長度及結構膠的強度。

       。3)角接是不處于同一平面內的兩被連接板件邊交接端面間的粘接,承載力亦取決于板件的厚度和相交接觸邊的長度及結構膠的強度,但其受力狀態復雜承載力較低。

       。4)丁接是不處于同一平面內的兩被連接板件間的相互連接,即一個板的邊端面與另一板表面間的相互粘接,承載力亦取決于前者板件的厚度和相接觸邊的長度及結構膠的強度。但其受力狀態復雜承載力亦較低。

       。5)結構膠粘接和金屬件機械性連接共同作用的板件間混合性連接,?商峁┹^強的承載力,但是它常需根據具體的受力狀況精心構造設計、驗算、選用性能適用的結構膠并經必要的試驗驗證,此外,還需要精心地施工。

        2.2 建筑幕墻結構粘接的合理設計及其膠的選用要求
        幕墻結構粘接形式及其粘接界面通常由結構的構造設計確定。為滿足其承載力、變形適應性和耐久性要求,結構膠品牌的選用及其力學性能的合理利用和粘接界面的構造狀態判定,對保證粘接可靠性十分重要。例如,周邊受約束的對接的玻璃板縫間的結構膠,不僅應有足夠的強度,也應根據板縫寬度,經計算選用變形適應性較好的結構膠,否則當溫差變化較大時,板縫可能被反復擠壓、拉伸、剪切斷裂;中空玻璃兩片玻璃周邊間的結構膠粘接,應經設計計算選用模量較低、變形能力較強的結構膠,以有助于減輕因溫度及大氣壓力改變引起兩玻璃板間空腔內壓的過度增大,致使該粘接的可靠性降低或失效。此外,被粘接表面的物理化學狀態與界面粘接可靠性直接相關,因此,相應的試驗驗證對保證結構粘接安全和耐久性十分必要。
        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。ǹs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?茖W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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