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建筑幕墙结构胶的属性及力学性能浅析

2014-02-28 11:35:57 作者: 来源:第一幕墙收集整理 我要评论0

第一幕墙网 】  1 建筑幕墙结构胶的属性特征 
  1.1建筑幕墙结构的组成及其材料
  建筑幕墙是建筑物外围护结构,具有极强的装饰效果和功能要求。它通常由面板及其支承构件的元件经连接组成并安装在主体建筑结构上,一般不参与主体结构的受力,但其所受荷载、作用将传递于主体结构,而主体结构的位移将引起该结构的相应位移、变形和可能的受力改变,是建筑物主体结构的一种附属结构。建筑幕墙的面板所用材料可有:玻璃、天然石材、人工石材陶瓷质等脆性材料铝合金不锈钢等延展性好的金属材料;其支承结构所用材料多是金属材料,有时也采用与面板相同的材料,如全玻璃幕墙

  1.2 建筑幕墙连接方法、材料及其性能的基本要求
  建筑幕墙元件、杆件、构件乃至结构及其与主体结构间的连接均属结构性连接,其方法有:以金属材料为主的焊接连接、机械性连接(如螺钉螺栓连接等)和以结构胶类的粘接性连接(粘接),以及两类的混合性连接等。 

  不言而喻,各种结构性连接方法及其材料的基本性能都必须具备与其所连接的另部件和结构要求的性能相匹配,否则将导致其连接另部件间的不协调或离散,甚至引起结构的解体失效。

  1.3结构性连接的属性与要求
  结构性连接是结构的重要组成部分,属工程结构性的部件。其特征应是具有所连接结构设计要求的各项性能和足够的可靠性(安全性、适用性和耐久性)。其连接形式可有对接,搭接,角接和T接等。以其受力变形性能划分可有:刚性连接,即被连接件间不存在或有可忽略不计的相对变形及位移;铰接,即被连接件间可有很大相对转动变形或角位移;柔性(或称半刚性)连接,即被连接件间可有介于刚性连接及铰接之间的相对变形或位移。

  建筑结构承受风、雪、雨、露、温度变化、地震等自然环境和人为环境(人群、重物)等各种可能的作用,应有足够的可靠性和良好的社会经济效益。结构连接既`是结构的重要组成部分,因此不论何种连接形式、性能、方法和材料,包括结构胶粘接的结构性连接,都应具有足够且不低于其连接另部件和结构的可靠性,即必需的安全性、适用性和耐久性。

  1.4 建筑幕墙结构胶粘接的力学性能与基本要求
  建筑幕墙结构胶粘接是幕墙结构中的一种结构性连接,用于玻璃等脆性材料或与金属等其他材料之间的连接。由于幕墙是建筑的外围护结构,这种连接要承受可能的自然环境和人为环境作用,并应具有必要的安全性、适用性和耐久性。在此,其安全性主要指应有足够大的承载能力或达到不适于继续承载的足够大变形;适用性主要指变形能力,具有较好的可恢复性和好的施工操作性;耐久性主要指应有足够的耐老化和疲劳性能,在设计寿命期内的环境(相应温度、大气压力、荷载等)反复作用下具有不失效性。粘接连接的这些性能不仅取决其材料本身的物理化学性能和力学性能,还需要合理的连接设计和结构胶的选用。

  2 建筑幕墙胶粘接的合理设计及胶的选用
  2.1板件间结构胶粘接的基本形式
  建筑幕墙结构胶粘接的基本型式可归纳有以下几种:

  (1)搭接是被连接板件表面间的粘接,可有较大粘接面积,提供较大的承载力。相同面积粘接的承载力,取决于结构胶的粘接强度

  (2)对接是位于同一平面内的被连接板件对接边端面间的粘接,承载力取决于板件厚度和相接触边的长度及结构胶的强度

  (3)角接是不处于同一平面内的两被连接板件边交接端面间的粘接,承载力亦取决于板件的厚度和相交接触边的长度及结构胶的强度,但其受力状态复杂承载力较低。

  (4)丁接是不处于同一平面内的两被连接板件间的相互连接,即一个板的边端面与另一板表面间的相互粘接,承载力亦取决于前者板件的厚度和相接触边的长度及结构胶的强度。但其受力状态复杂承载力亦较低。

  (5)结构胶粘接和金属件机械性连接共同作用的板件间混合性连接,常可提供较强的承载力,但是它常需根据具体的受力状况精心构造设计、验算、选用性能适用的结构胶并经必要的试验验证,此外,还需要精心地施工。

  2.2 建筑幕墙结构粘接的合理设计及其胶的选用要求
  幕墙结构粘接形式及其粘接界面通常由结构的构造设计确定。为满足其承载力、变形适应性和耐久性要求,结构胶品牌的选用及其力学性能的合理利用和粘接界面的构造状态判定,对保证粘接可靠性十分重要。例如,周边受约束的对接的玻璃板缝间的结构胶,不仅应有足够的强度,也应根据板缝宽度,经计算选用变形适应性较好的结构胶,否则当温差变化较大时,板缝可能被反复挤压拉伸剪切断裂中空玻璃两片玻璃周边间的结构胶粘接,应经设计计算选用模量较低、变形能力较强的结构胶,以有助于减轻因温度及大气压力改变引起两玻璃板间空腔内压的过度增大,致使该粘接的可靠性降低或失效。此外,被粘接表面的物理化学状态与界面粘接可靠性直接相关,因此,相应的试验验证对保证结构粘接安全和耐久性十分必要。
  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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