摘要：中空玻璃边缘结构为∏型三面粘接，受力情况及荷载效应不同于常规两面粘接（H型），粘接体在同样受力情况下变位较小，而在结构变位时产生的应力较高，在粘接界面交汇点存在撕裂力。按极限承载能力状态设计粘接宽度必须综合考虑更多因素，在给定粘接厚度下应选择变位能力更大的结构胶。
关键词：幕墙设计 中空玻璃结构粘接 | |
本文作者：马启元 陶伟
对建筑隐框幕墙用中空玻璃，JGJ 102规范3.4.3要求其二道密封应采用硅酮结构密封胶，对外观质量和性能，3.4.1条规定应符合GB/T11944，即限定二道密封粘接宽度5mm～7mm，厚度尺寸可选6mm/9mm/12mm/16mm/20mm（图1），对粘接体承载能力未提出要求，结构粘接设计也未行细化，容易被理解为仅要求采用硅酮结构胶 。中空玻璃结构粘接体传递荷载，结构的耐久安全又是产品密封功能寿命的基本保证，粘接尺寸及结构胶模量的选择应按极限承载力状态设计和验算。本文对中空玻璃结构特点、应力分布、荷载传递及粘接设计和验算进行探讨，供业内同仁参考，不妥之处请指正。
1.中空玻璃结构粘接特点和应力分布
1） 隐框幕墙中空玻璃结构粘接特点
结构粘接装配中粘接体型式有两种（图1、图2）：
H型——两面粘接。中空玻璃单元件与金属框架的两平行表面的粘接，将玻璃与框架系统结构性装配在一起并形成一道防水密封；
∏型——三面粘接。将内、外片玻璃与间隔条粘接成一体。由于间隔条与两玻璃表面垂直相交，形成三面粘接，受力变形时粘接面交汇处将受撕裂，该粘接形式一般不为结构采用，而中空玻璃采用这一形式是为满足控制可视空间、限制一道密封体过量位移并防止间隔条“游走”的要求 。
H型粘接体一旦失效，将导致中空玻璃单元件与框架结构脱离；∏型粘接体失效，中空玻璃将丧失功能甚至解体，导致外片玻璃坠落，而∏型粘接结构受拉伸时，间隔条粘接设计必须充分考虑产品结构特点。
1） 结构粘接体拉伸特性
对不同品牌硅酮结构胶的拉伸试验结果表明，∏型粘接体粘接强度和最大伸长率远低于H型粘接体，拉伸10%时∏型粘接应力将比H型高出一倍（表1），粘接体边缘呈现早期撕裂 。这一现象表明：
相同应力下∏型粘接体的应变要小得多，一道密封体不易出现过量位移，有利于中空玻璃的边缘密封；
然而相同应变时∏型粘接体的应力远大于H型，边缘易被撕裂，这对粘接结构承载能力产生显著影响。
2） 结构粘接体应力分布
依据典型结构胶性能，对横向荷载下拉伸变形10%时粘接体的应力进行有限元分析，可见两种粘接体产生的效应有显著不同：
计算模型建立
本构模型
结构粘接体是硅酮结构胶固化成型的粘弹体，泊松比0.5，各向同性，应变能函数表达式由应力－应变试验曲线描述的非线性关系确定（略）。
有限元模型及材料参数的确定
粘接体（属柔性体）拉伸有限元分析。H型和∏型粘接体结构如图2。取粘接体长度50mm，厚度12mm，粘接面尺寸为12mm×50mm。粘接界面质点不能移动。划分网格后粘接体有限元模型如下图。
粘接体应力分布
采用同牌号结构胶产品，粘接体拉伸10%，计算粘接体应力分布情况如下：
H型粘接体——应力集中区对称分布在侧面，最大应力0.21MPa状态如图5；
∏型粘接体——粘接体应力呈不完全对称分布，在一侧面集中，状态如图6。最大应力0.44MPa为H型粘接体的2倍。
1.荷载及荷载传递
作用于中空玻璃的荷载除风荷载外，应考虑自重产生的永久荷载、热位移产生的剪切力、玻璃非线性挠曲产生的拉力、固化收缩引起粘接体剪力、建筑构件变位引起作用力等，还应考虑使用中粘接体物理性能变化引起因素等 。主要受力及力传递情况可有以下分析。
横向荷载——作用于中空玻璃外片的负风压荷载产生向外的横向拉力，通过∏型粘接体传递到内片玻璃，再由内片玻璃传递给H粘接体，最终传递到金属框架系统。
在负风压下外片玻璃外向挠曲，部分作用力通过中空玻璃内气压传递给内片玻璃，传递荷载的份额与玻璃厚度相关（图7）。
自重产生切向永久荷载——在无自重支撑条件下，玻璃自重产生向下的永久剪切荷载。外片玻璃的自重荷载通过∏型粘接体传递给内片玻璃，再由内片玻璃将中空玻璃单元件的总自重传递给H粘接体，最终传递到金属框架系统。
热位移产生切向荷载——中空玻璃是隔热材料，环境温度变化引起内外温差，玻璃间的热位移产生作用于∏型粘接体的切向荷载。切向荷载大小取决于板片尺寸和温度变化，室内外温差每天可有一个峰值，每年可能有几个极大值。处于室内的H型粘接体受温差位移也产生切向荷载，但室内环境温度变化不大，位移量较小。
气体膨胀产生横向荷载——中空玻璃可视作密闭容器，环境温度升高，内部气体膨胀对玻璃产生向外的横向荷载并作用于∏型粘接体（图8）。横向荷载每天随温度变化出现峰值，每年有几个极大值。
2.中空玻璃结构粘接设计
极限状态设计原则是结构构件或连接的应力不应超过材料强度（包括疲劳），不应产生不适于继续承载的过度变形 。JGJ102规范5.6要求结构胶粘接设计的粘接宽度应保证荷载下结构胶的应力不大于结构胶强度设计值f1（0.2MPa） ，规定拉伸应力0.14MPa时的伸长应变（%）为结构胶的变位承受能力（δ），要求结构粘接体厚度尺寸应保证结构位移时不产生大于δ值的应变（%），即应变对应的应力不大于0.14MPa（f1）。按照这一原则，规范分析两面粘接（H型）受力情况，给出粘接宽度、厚度及结构胶δ值选择的多个计算公式。∏型粘接体具有不同于H型的结构特点及受力情况，应考虑这些验算公式的适用性。
1） 风荷载下粘接宽度的设定
中空玻璃∏型粘接体在横向荷载作用下产生拉应力和局部撕裂应力，应力分布及应力变化决定于荷载大小、品牌结构胶材质、间隔条尺寸及形状、环境条件等因素相关，可变因素和不确定未知数较多，难于精确地确定实际应力及应力分布。考虑降低建筑使用期内中空玻璃更换频度和维护花费的因素，粘接设计要保证不出现结露、渗水和耐久密封。考虑以上因素，应适当减小结构胶强度设计值，以缓解粘接设计对∏型粘接及粘性变化的忧虑2。
考虑中空玻璃单元件形状和尺寸等因素，考虑玻璃非线性挠曲的荷载传递作用与内外片玻璃板片厚度相关（图7），不考虑一道密封胶的作用，中空玻璃结构粘接宽度（Cs，mm）可按公式（1）验算：
2） 永久荷载作用下粘接宽度的设定
隐框幕墙不宜推荐中空玻璃在无支撑装置条件下安装，如果一定要这样安装，密封胶厂、玻璃厂家及专业设计人员应对评定设计细节。这样安装的中空玻璃的外层玻璃板片自重将由∏型结构粘接体支撑，应限定结构胶强度设计值f2不大于7kpa，为避免外玻璃板片自重产生的剪应力使两玻璃板片错动，导致一道密封胶变位诱发内空间结露、渗水，或宜采用更小f2值（如3.45kpa）2,6。不考虑一道密封胶的贡献，可按下式计算∏型粘接体的粘接宽度Cs：
大；为减少安全风险f2宜取值345kPa，粘接宽度计算结果为14.8mm。
结果表明选用结构胶的柔量（δ）不应小于10%，即应变10%的模量不应大于0.14MPa。但这样的计算结果可能不足以满足中空玻璃结构粘接要求，因为∏型粘接结构在同样位移下应力远大于0.14MPa（参见表1），必须选用变为能力δ值（柔量）更大的结构胶才能保障位移时应力不大于强度设计值，所以以上计算只是满足中空玻璃结构粘接选材的起码要求2• 。此外，中空玻璃结构粘接体可能还应考虑其他位移因素，如高温下气体膨胀引起中空玻璃内外面板挠曲引起的位移（图8），其量值与温升及面板尺寸相关 。
柔量（模量）表征硅酮结构胶力学特性，随配方和制备工艺变化，欧洲规范产品符合性要求柔量（模量）测试值不应超出均值的75%6。GB 16776强制要求结构胶产品检验报告应力－应变关系（10%、20%、40%伸长率时的应力）以表征其δ值，中国幕墙网公示对比国内20多个产品的应力－应变特性，品牌产品的柔量（δ）范围约为3%～11%可供结构粘接设计选用，可见δ取值没有随意性，必须对应于某一品牌胶，例如：粘接计算随意取值δ＝40%，固然可大幅减少粘接厚度，但符合要求的结构胶不存在，无胶可用。幕墙工程中需要高、中、低模量（柔量）不同的结构胶，分别满足不同工程设计要求，所以产品标准GB16776、ASTM C1369及ASTMC1401、ASTM C1294、prEN15434、E002 等规范，均要求报告产品模量。
有人认为只有高模量结构胶才能保证中空玻璃密封性，要求拉伸10%模量必须高于0.14MPa，这种误解可能使一些质地刚硬的结构胶进入建筑工程，导致粘接结构高应力状态，诱发粘接早期破坏3。所以，密封胶模量（柔量）选择显得十分重要。
3. 结语
中空玻璃结构粘接失效造成外片坠落的偶发事故，可能与结构粘接设计和选材考虑不周有关 ，应通过试验深入研究结构粘接特性和分析相关因素的影响，提高结构粘接设计的合理性。本文提出有关结构粘接设计方法的探讨意见，供业内参考，恭请同仁指正。
参考文献
JGJ 102 建筑玻璃幕墙工程技术规范，中国建筑工业出版社，北京，2003.12
对GB24266《中空玻璃用硅酮结构密封胶》的技术质疑，门窗，2010，6
ASTM C1401,Standard Guide forStructural Sealant Glazing
GB 50068 建筑结构可靠度设计统一标准，中国建筑工业出版社，北京，2001
ETAG 002 GUIDELINE FOR EUROPEAN TECHNICAL APPROVALFORSTRUCTURAL SEALANTGLAZING SYSTEMS (SSGS)ASTM C 1369 Standard Specification for Secondary Edge Sealants for Structurally Glazed Insulating Glass Unit, Annual Book of ASTM Standards, Vol 04.07
刘明，中空玻璃的密封结构在建筑中的应用，中国幕墙网，2006.10.18
马启元，建筑幕墙中空玻璃脱胶坠落事故分析，门窗，2011.2 | |
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