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建筑幕墻結(jié)構(gòu)膠粘接的力學(xué)性能與基本要求
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發(fā)布日期：[2015-01-14] 共閱[1992]次 |
建筑幕墻結(jié)構(gòu)的組成及其材料
建筑幕墻是建筑物外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，具有*的裝飾效果和功能要求。它通常由面板及其支承構(gòu)件的元件經(jīng)連接組成并安裝在主體建筑結(jié)構(gòu)上，一般不參與主體結(jié)構(gòu)的受力，但其所受荷載、作用將傳遞于主體結(jié)構(gòu)，而主體結(jié)構(gòu)的位移將引起該結(jié)構(gòu)的相應(yīng)位移、變形和可能的受力改變，是建筑物主體結(jié)構(gòu)的一種附屬結(jié)構(gòu)。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(zhì)等脆性材料和鋁合金、不銹鋼等延展性好的金屬材料；其支承結(jié)構(gòu)所用材料多是金屬材料，有時(shí)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(gòu)件乃至結(jié)構(gòu)及其與主體結(jié)構(gòu)間的連接均屬結(jié)構(gòu)性連接，其方法有：以金屬材料為主的焊接連接、機(jī)械性連接（如螺釘、螺栓連接等）和以結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)要求的性能相匹配，否則將導(dǎo)致其連接另部件間的不協(xié)調(diào)或離散，甚至引起結(jié)構(gòu)的解體失效。
1.3結(jié)構(gòu)性連接的屬性與要求
結(jié)構(gòu)性連接是結(jié)構(gòu)的重要組成部分，屬工程結(jié)構(gòu)性的部件。其特征應(yīng)是具有所連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求的各項(xiàng)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(duì)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(jì)的相對(duì)變形及位移；鉸接，即被連接件間可有很大相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)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(duì)變形或位移。
建筑結(jié)構(gòu)承受風(fēng)、雪、雨、露、溫度變化、地震等自然環(huán)境和人為環(huán)境（人群、重物）等各種可能的作用，應(yīng)有足夠的可靠性和良好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。結(jié)構(gòu)連接既`是結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)膠粘接的結(jié)構(gòu)性連接，都應(yīng)具有足夠且不低于其連接另部件和結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)膠粘接的力學(xué)性能與基本要求
建筑幕墻結(jié)構(gòu)膠粘接是幕墻結(jié)構(gòu)中的一種結(jié)構(gòu)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(hù)結(jié)構(gòu)，這種連接要承受可能的自然環(huán)境和人為環(huán)境作用，并應(yīng)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(yīng)有足夠大的承載能力或達(dá)到不適于繼續(xù)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(fù)性和好的施工操作性；耐久性主要指應(yīng)有足夠的耐老化和疲勞性能，在設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)的環(huán)境（相應(yīng)溫度、大氣壓力、荷載等）反復(fù)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(xué)性能和力學(xué)性能，還需要合理的連接設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)膠的選用。
2 建筑幕墻膠粘接的合理設(shè)計(jì)及膠的選用
2.1板件間結(jié)構(gòu)膠粘接的基本形式
建筑幕墻結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)膠的粘接強(qiáng)度。
（2）對(duì)接是位于同一平面內(nèi)的被連接板件對(duì)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(zhǎng)度及結(jié)構(gòu)膠的強(qiáng)度。
（3）角接是不處于同一平面內(nèi)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(zhǎng)度及結(jié)構(gòu)膠的強(qiáng)度，但其受力狀態(tài)復(fù)雜承載力較低。
（4）丁接是不處于同一平面內(nèi)的兩被連接板件間的相互連接，即一個(gè)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(zhǎng)度及結(jié)構(gòu)膠的強(qiáng)度。但其受力狀態(tài)復(fù)雜承載力亦較低。
（5）結(jié)構(gòu)膠粘接和金屬件機(jī)械性連接共同作用的板件間混合性連接，?？商峁┹^強(qiáng)的承載力，但是它常需根據(jù)具體的受力狀況精心構(gòu)造設(shè)計(jì)、驗(yàn)算、選用性能適用的結(jié)構(gòu)膠并經(jīng)必要的試驗(yàn)驗(yàn)證，此外，還需要精心地施工。
2.2 建筑幕墻結(jié)構(gòu)粘接的合理設(shè)計(jì)及其膠的選用要求
幕墻結(jié)構(gòu)粘接形式及其粘接界面通常由結(jié)構(gòu)的構(gòu)造設(shè)計(jì)確定。為滿足其承載力、變形適應(yīng)性和耐久性要求，結(jié)構(gòu)膠品牌的選用及其力學(xué)性能的合理利用和粘接界面的構(gòu)造狀態(tài)判定，對(duì)保證粘接可靠性十分重要。例如，周邊受約束的對(duì)接的玻璃板縫間的結(jié)構(gòu)膠，不僅應(yīng)有足夠的強(qiáng)度，也應(yīng)根據(jù)板縫寬度，經(jīng)計(jì)算選用變形適應(yīng)性較好的結(jié)構(gòu)膠，否則當(dāng)溫差變化較大時(shí)，板縫可能被反復(fù)擠壓、拉伸、剪切而斷裂；中空玻璃兩片玻璃周邊間的結(jié)構(gòu)膠粘接，應(yīng)經(jīng)設(shè)計(jì)計(jì)算選用模量較低、變形能力較強(qiáng)的結(jié)構(gòu)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(nèi)壓的過(guò)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(xué)狀態(tài)與界面粘接可靠性直接相關(guān)，因此，相應(yīng)的試驗(yàn)驗(yàn)證對(duì)保證結(jié)構(gòu)粘接安全和耐久性十分必要。
分析荷載對(duì)連接作用和引起其變形的性質(zhì)是粘接構(gòu)造設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，例如，地震、風(fēng)速等的作用是隨機(jī)性的，而設(shè)計(jì)所用 50年或百年一遇的地震、風(fēng)荷載等作用，指的都是瞬間的統(tǒng)計(jì)概率或然值；熱位移引起的應(yīng)力每天有一峰值，也是隨機(jī)性的，且一年內(nèi)會(huì)有幾次大值，對(duì)此是按大值設(shè)計(jì)，或是按統(tǒng)計(jì)概率某一或然值和按隨機(jī)損傷破壞的準(zhǔn)則設(shè)計(jì)？當(dāng)然理應(yīng)根據(jù)不同作用性質(zhì)所產(chǎn)生的效應(yīng)和粘接的構(gòu)造狀況，結(jié)合所選用結(jié)構(gòu)膠的物理力學(xué)性質(zhì)，選用合理的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，以保證安全可靠、適用和耐久。這就需要了解所用結(jié)構(gòu)膠的力學(xué)特征，根據(jù)膠的性質(zhì)、粘接型式及其受力狀況，研究和選用適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)方案并經(jīng)精心設(shè)計(jì)才能達(dá)到。
2.3 建筑幕墻結(jié)構(gòu)膠的基本力學(xué)特征
不同于金屬的焊接和機(jī)械性連接，硅酮結(jié)構(gòu)膠是室溫固化的粘接材料，被粘表面的狀態(tài)、環(huán)境溫度、濕度、混合及注膠施工操作質(zhì)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(jié)構(gòu)膠粘接體是類橡膠的粘彈性材料，粘接體的強(qiáng)度和彈性模量遠(yuǎn)低于被連接件（玻璃、鋁合金、不銹鋼等）材料，相差3～4個(gè)數(shù)量級(jí)；粘接體泊松比0.5，遠(yuǎn)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?。s頸），產(chǎn)生的實(shí)際應(yīng)力遠(yuǎn)大于工程名義應(yīng)力，僅在初始應(yīng)變條件下（25%為邊界）其法線應(yīng)力基本接近切線應(yīng)力（接近彈性固體），所以工程應(yīng)用中采用該階段測(cè)得的彈性模量表征粘接體拉伸應(yīng)力-應(yīng)變特性；粘接體的應(yīng)力-應(yīng)變特性受作用時(shí)間和溫度影響，溫度升高或持續(xù)力作用下呈現(xiàn)粘彈性，產(chǎn)生徐變或/和蠕變。此外，一些疲勞試驗(yàn)研究表明，粘接體性能隨循環(huán)應(yīng)力幅度的增大而迅速劣化，如140kpa循環(huán)應(yīng)力下可為50萬(wàn)次，190kpa下不足9萬(wàn)次，而345kpa下循環(huán)5000次即發(fā)生破壞。有關(guān)疲勞性能的深入認(rèn)識(shí)尚待試驗(yàn)研究。不同于其他連接，目前粘接尚無(wú)有效的非破壞性檢驗(yàn)方法，所以尋求不同受力狀態(tài)下與其被連接另部件間承載能力的匹配，合理的設(shè)計(jì)和選材顯得十分重要。
3 建筑幕墻結(jié)構(gòu)膠的力學(xué)性能實(shí)驗(yàn)研究建議
結(jié)構(gòu)膠作為建筑結(jié)構(gòu)性連接材料，它與其它建筑材料同樣需要適應(yīng)相關(guān)的自然環(huán)境和人為環(huán)境要求，因而其強(qiáng)度、彈性模量、耐老化和耐疲勞等性能，在相應(yīng)環(huán)境條件下的以下實(shí)驗(yàn)研究是十分必要的。
3.1單調(diào)荷載下結(jié)構(gòu)膠的強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)研究
3.1.1 短暫荷載下結(jié)構(gòu)膠的拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)是基本的實(shí)驗(yàn)研究。其中應(yīng)包括其不同應(yīng)力或應(yīng)變速度下的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系曲線、彈性模量、彈性極限強(qiáng)度、破斷極限強(qiáng)度，破斷伸長(zhǎng)率度等性能的測(cè)定，以及其不同老化期的這些性能的測(cè)定。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)品滿足幕墻應(yīng)用的低要求，不同品牌的產(chǎn)品應(yīng)通過(guò)型式檢驗(yàn)對(duì)實(shí)測(cè)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析（如平均值、均方差），將概率分布0.05的分位值作為標(biāo)準(zhǔn)值并據(jù)此確定設(shè)計(jì)值。
3.1.2 持久荷載下結(jié)構(gòu)膠的拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)，目的在于確定預(yù)計(jì)壽命期內(nèi)結(jié)構(gòu)膠破斷極限強(qiáng)度和徐變變形程度。歐洲認(rèn)證規(guī)范采用91天持久剪力荷載試驗(yàn)，測(cè)定不同荷載下的徐變曲線，確定結(jié)構(gòu)膠不發(fā)生徐變/蠕變的應(yīng)力水平和壽命期極限強(qiáng)度，作為預(yù)期持久荷載下結(jié)構(gòu)膠連接設(shè)計(jì)的依據(jù)。與經(jīng)驗(yàn)值相比較，依據(jù)試驗(yàn)確定的極限強(qiáng)度更為科學(xué)，也利于產(chǎn)品的發(fā)展和不同品牌性能結(jié)構(gòu)膠的合理應(yīng)用。
3.1.3 膠與粘接板件間粘接體撕裂強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)。硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的抗撕裂強(qiáng)度甚低，實(shí)際應(yīng)用中一旦粘接體表面損傷或產(chǎn)生裂紋，將誘發(fā)撕裂破壞，應(yīng)結(jié)合粘接板件通過(guò)試驗(yàn)，研究不同品牌結(jié)構(gòu)膠的抗撕裂性能。對(duì)此不再贅述。
3.2反復(fù)荷載下結(jié)構(gòu)膠的疲勞強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)
結(jié)構(gòu)所受荷載常是多次反復(fù)，甚至是隨機(jī)的，同樣連接用結(jié)構(gòu)膠的受力也理應(yīng)如此?？茖W(xué)地設(shè)計(jì)該環(huán)境條件下工作的結(jié)構(gòu)及其連接，應(yīng)考慮其疲勞壽命及其破壞問(wèn)題，以保證其耐久性和安全。該實(shí)驗(yàn)可結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)條件下的受拉試件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，但是必須有足夠多的試件，并對(duì)其試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，給出相應(yīng)的S-N 疲勞曲線，為設(shè)計(jì)分析結(jié)構(gòu)膠粘接耐久性和安全性提供所需的技術(shù)參數(shù)。
上述實(shí)驗(yàn)研究工作量大且繁重，建議業(yè)內(nèi)企業(yè)和科研單位借鑒國(guó)內(nèi)外有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如歐、美標(biāo)準(zhǔn)[4，5]、我國(guó)有關(guān)試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)和有關(guān)著作等，統(tǒng)籌考慮試件設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)方法選擇、規(guī)劃及資金投入等，取得良好技術(shù)成果和社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。期望得到相關(guān)主管部門的關(guān)注和支持。
建筑幕墻結(jié)構(gòu)密封膠是粘接幕墻結(jié)構(gòu)另部件用的一種重要的結(jié)構(gòu)性材料，應(yīng)根據(jù)其所在結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境、荷載狀況及變形條件和設(shè)計(jì)要求，結(jié)合不同品牌結(jié)構(gòu)膠的性能，選用性能適用的品牌結(jié)構(gòu)膠，以保證結(jié)構(gòu)的安全性和耐久性。當(dāng)然也應(yīng)按照對(duì)建筑幕墻結(jié)構(gòu)的可靠性要求，經(jīng)反復(fù)配置、研究、實(shí)驗(yàn)，生產(chǎn)出能滿足不斷提高設(shè)計(jì)要求的結(jié)構(gòu)密封膠產(chǎn)品，給出其相關(guān)的物理力學(xué)性能指標(biāo)：例如，單調(diào)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(shù)（或曲線）等，以便為科學(xué)設(shè)計(jì)提供依據(jù)。當(dāng)然，僅有該材料力學(xué)性能參量的依據(jù)是不夠的，尚需有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)支持與設(shè)計(jì)者的配合，才能不斷設(shè)計(jì)出既安全、適用、耐久可靠，又有良好社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益的幕墻工程。
需要提及的是，建筑工程設(shè)計(jì)方法由經(jīng)驗(yàn)的安全系數(shù)法過(guò)渡到較科學(xué)的以概率統(tǒng)計(jì)可靠度為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)法[6]，經(jīng)歷了將近半個(gè)多世紀(jì)；結(jié)構(gòu)膠連接的科學(xué)設(shè)計(jì)法應(yīng)用也需要一段相當(dāng)長(zhǎng)的路程。已有的建筑工程設(shè)計(jì)方法可以為基礎(chǔ)，其研究經(jīng)驗(yàn)可以為借鑒，隨著科技進(jìn)步及其工作者的不斷努力，相信實(shí)現(xiàn)更科學(xué)的結(jié)構(gòu)粘接設(shè)計(jì)方法會(huì)為期不遠(yuǎn)。
本文僅就幕墻結(jié)構(gòu)膠粘接連接的屬性、性能、應(yīng)用及其力學(xué)性能的相關(guān)研究等問(wèn)題提出些管見(jiàn)，不過(guò)是拋磚引玉而已，盼業(yè)內(nèi)同行給予斧正賜教，不勝感謝。 |
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