隐框幕墙中空玻璃结构粘接设计探讨docx，效 ， 中 空 玻 璃 会 整 体 脱 离 结 构 框 架 系 统 ； ∏ 型 粘 接 体 失效，中空玻璃将丧失气密功能，甚至解体，外片玻璃会脱 胶坠落。1.2 硅酮结构胶拉伸性能及应力－应变特点固 化 的 硅 酮 结 构 密 封 胶 应 力 － 应 变 曲 线。 恒 速 拉伸过程呈现三个阶段：弹性态（1）－高弹态（2）－粘 弹 态 （3）， 该 曲 线 可 以 塑 性 变 形 为 转 折 点 简 化 为 双 线~），男，总工程师室主任，从事建筑幕墙工程设计施工。E-maimailto:taowei@l：taomailto:taowei@wei@。 通讯联系人：马启元（1939~），男，教授级高级工程师，长期从事胶粘密封材料研究。E-mail mailto:qym2008@:qym2008@。1.1 隐框幕墙中空玻璃结构粘接特点隐 框 幕 墙 粘 接 装 配 的 中 空 玻 璃 有2种 功 能 及 不 同 的 粘 接方式（图1）：第1种是单元件和金属框架系统的结构性 粘接，形式为2面粘接（H型）；第2种是中空玻璃单元件 成型结构的粘接，粘接体将2片玻璃和间隔条粘接在一起， 防止间隔条在玻璃变位时滑移游走，保证中空玻璃单元件密封和结构安全[3]，形式为3面粘接（∏型）。H型粘接失隐框幕墙中空玻璃结构粘接设计探讨陶伟1，马启元2（1.北京江河幕墙股份有限公司，北京 101300；2.中国化学建筑材料公司，北京 100831）摘要：中空玻璃结构边缘结构胶三面粘接，在相同应力下粘接体的应变远低于两面粘接，对应于相同应变的应力却要高出1倍。保证荷载下隐框幕墙中空玻璃结构粘接体应力不超出强度设计值，必需对荷载、力的传递、粘 接体应力分布及应变特点等进行具体分析，在结构粘接设计中给予更多的考虑。关键词：幕墙；设计；中空玻璃；结构；粘接中图分类号：TQ437+.1 文献标识码：A文章编号：1001-5922（2012）02-0070-05图2 典型结构胶粘接拉伸应力－应变试验曲线（右图为坐标放大图）Fig.2 Tensile stress-strain curve of typical structural sealant bonding隐框玻璃幕墙是玻璃面板为外立面的建筑外墙围护结构，玻璃安装形式不同于通常窗框的镶嵌，是结构性粘接 装配在建筑主体框架上，粘接体是玻璃与框架的连接件， 承受并传递作用于外墙的风荷载及建筑变位产生的应力。 中 空 玻 璃 是2片 玻 璃 间 密 封 干 燥 气 体 后 粘 接 成 型 的 单 元 构 件。幕墙粘接设计不仅要保证中空玻璃与框架粘接可靠， 同时还要保证中空玻璃2片玻璃间的粘接安全。建筑隐框幕墙出现中空玻璃外片坠落事故[1]，主要是2片玻璃间粘接承载力不足，原因多是设计未按其受力情况进行粘接尺寸验算和选材设计，或误将单元构件视作单一材料，简单采用 通用中空玻璃产品标准给定的尺寸[2]。本文分析了隐框幕墙中空玻璃结构粘接特点和不同受力情况，对结构粘接设计提出建议，供业内参考。多个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 ， 且 拉 伸 应 变（10%） 时 产 生 的 应 力 比H型 粘 接 体 高 出1倍 （ 表1），∏ 型粘接体的边缘呈现早期撕裂破坏现象[5]。由此可见：（1）相 同 应 力 下 ∏ 型 粘 接 体 的 应 变 要 小 得 多 ， 不 易出现过量位移，这一现象有利于中空玻璃结构的密封；（2）相同应变时∏型粘接体应力远大于H型，不利于 结构粘接承载安全。为降低粘接体的应力水平，中空玻璃 不宜选用高模量结构胶，而应选用柔韧性好的产品。表1 标准条件下结构胶粘接拉伸性能Tab.1 Tensile properties of structural sealant bonding at standard conditions1中空玻璃结构粘接的特点和应力分布 结 构 胶 产 品 编 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 均 值 H∏ H∏ H∏--0.990.8386660.230.400.920.7066450.210.471.301.0276540.270.431.030.8966580.210.501.271340.651.300.9154270.280.370.980.8178740.240.451.251180.491.090260.460.970.8773610.220.440.970240.481.100.899460拉伸应变10%的应力/MPa最大粘接强度/MPa最大强度时伸长率/%1.3 结构粘接体的应力分布依 据 结 构 胶 的 应 力 － 应 变 特 性 试 验 曲 线），对 粘 接 体 进 行 有 限 元 分 析 ， 求 得 不 同 粘 接 形 式 拉 伸 变 形10%时的应力分布。1.3.1 结构粘接体本构模型设结构胶泊松比为0.5；应变能函数表达式由应力－应 变试验曲线简化的双线性关系确定，试验结构胶在图2线 MPa，转折点后（线）产生塑性变形， 模 量 下 降 为 1.33 MPa。 规 范 规 定 强 度 设 计 值 f1=0.14MPa，即限制在线内应用，以保证结构胶不过量产生塑性变形。1.3.2 有限元模型及材料参数的确定以柔性体拉伸有限元分析模拟粘接体拉伸过程，如图2所示，H型和∏型粘接体结构，取粘接宽度12 mm，厚度12 mm，长度50 mm，粘接界面质点不能移动。划分网格 后粘接体有限元模型见图3、图4。1.3.3 结构胶粘接体应力分布拉 伸 至10%时 ， 粘 接 体 应 力 分 布 计 算 结 果 见 图5、 图6。根据以上结果可知：1）H型粘接体——应力对称分布，高应力接近粘接面 并在2端集中（图5）；图1 隐框幕墙中空玻璃粘结装配形式Fig.1 Bonding styles of Insulating glass bonding assembling in hidden frame supported curtain walls070《粘接》杂志社 咨询电线 传线《粘接》杂志社 咨询电线 传真 mailto:-mail:网址/：ww/mailto:-mail:研 究 报 告 及 专 论综 述应 用 技 术译 文新 专 利研 究 报 告 及 专 论综 述应 用 技 术译 文新 专 利效 ， 中 空 玻 璃 会 整 体 脱 离 结 构 框 架 系 统 ； ∏ 型 粘 接 体 失效，中空玻璃将丧失气密功能，甚至解体，外片玻璃会脱 胶坠落。1.2 硅酮结构胶拉伸性能及应力－应变特点固 化 的 硅 酮 结 构 密 封 胶 应 力 － 应 变 曲 线。 恒 速 拉伸过程呈现三个阶段：弹性态（1）－高弹态（2）－粘 弹 态 （3）， 该 曲 线 可 以 塑 性 变 形 为 转 折 点 简 化 为 双 线 隐框幕墙中空玻璃结构粘接特点隐 框 幕 墙 粘 接 装 配 的 中 空 玻 璃 有2种 功 能 及 不 同 的 粘 接方式（图1）：第1种是单元件和金属框架系统的结构性 粘接，形式为2面粘接（H型）；第2种是中空玻璃单元件 成型结构的粘接，粘接体将2片玻璃和间隔条粘接在一起， 防止间隔条在玻璃变位时滑移游走，保证中空玻璃单元件密封和结构安全[3]，形式为3面粘接（∏型）。H型粘接失图2 典型结构胶粘接拉伸应力－应变试验曲线（右图为坐标放大图）Fig.2 Tensile stress-strain curve of typical structural sealant bonding多个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 ， 且 拉 伸 应 变（10%） 时 产 生 的 应 力 比H型 粘 接 体 高 出1倍 （ 表1），∏ 型粘接体的边缘呈现早期撕裂破坏现象[5]。由此可见：（1）相 同 应 力 下 ∏ 型 粘 接 体 的 应 变 要 小 得 多 ， 不 易出现过量位移，这一现象有利于中空玻璃结构的密封；（2）相同应变时∏型粘接体应力远大于H型，不利于 结构粘接承载安全。为降低粘接体的应力水平，中空玻璃 不宜选用高模量结构胶，而应选用柔韧性好的产品。表1 标准条件下结构胶粘接拉伸性能Tab.1 Tensile properties of structural sealant bonding at standard conditions 结 构 胶 产 品 编 号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 均 值 H∏ H∏ H∏--0.990.8386660.230.400.920.7066450.210.471.301.0276540.270.431.030.8966580.210.501.271340.651.300.9154270.280.370.980.8178740.240.451.251180.491.090260.460.970.8773610.220.440.970240.481.100.899460拉伸应变10%的应力/MPa最大粘接强度/MPa最大强度时伸长率/%1.3 结构粘接体的应力分布依 据 结 构 胶 的 应 力 － 应 变 特 性 试 验 曲 线），对 粘 接 体 进 行 有 限 元 分 析 ， 求 得 不 同 粘 接 形 式 拉 伸 变 形10%时的应力分布。1.3.1 结构粘接体本构模型设结构胶泊松比为0.5；应变能函数表达式由应力－应 变试验曲线简化的双线性关系确定，试验结构胶在图2线 MPa，转折点后（线）产生塑性变形， 模 量 下 降 为 1.33 MPa。 规 范 规 定 强 度 设 计 值 f1=0.14MPa，即限制在线内应用，以保证结构胶不过量产生塑性变形。1.3.2 有限元模型及材料参数的确定以柔性体拉伸有限元分析模拟粘接体拉伸过程，如图2所示，H型和∏型粘接体结构，取粘接宽度12 mm，厚度12 mm，长度50 mm，粘接界面质点不能移动。划分网格 后粘接体有限元模型见图3、图4。1.3.3 结构胶粘接体应力分布拉 伸 至10%时 ， 粘 接 体 应 力 分 布 计 算 结 果 见 图5、 图6。根据以上结果可知：1）H型粘接体——应力对称分布，高应力接近粘接面 并在2端集中（图5）；07 1《粘接》杂志社 咨询电线 传真 mailto:-mail:网址/：ww/研 究 报 告 及 专 论综 述应 用 技 术译 文新 专 利学 术 论 文ACADEMIC PAPER研究报告及专论荷载以外，还应考虑热位移产生的剪力、玻璃非线性挠曲产生的拉力及建筑构件变位产生的作用力，同时还应注意 结构胶在使用中的物理性能变化产生的影响[6]。1）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型粘接体，最终传递到金属框架系 统。2）在 负 风 压 下 外 片 玻 璃 可 能 外 向 挠 曲 ， 部 分 作 用 力 可通过中空玻璃内气压向内片玻璃传递，传递荷载的份额 与玻璃厚度相关（图7）。图3 ∏型粘接体模型Fig.3 Model of ∏ style bonding body图4 H型粘接体模型Fig.4 Model of H style bonding body图7 风荷载对外片玻璃产生向外拉力Fig.7 Induced outward tensile force on outside glassplate under wind load3）自 重 产 生 切 向 永 久 荷 载 — — 在 无 自 重 支 撑 条 件下，玻璃自重会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型粘接体，最终传递到 金属框架系统。4）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。5）气 体 受 热 膨 胀 产 生 张 力 — — 中 空 玻 璃 内 的 密 封 气 体随环境温度升高而膨胀，产生推动玻璃向外的张力，∏ 型粘接体被拉伸（图8）。这种拉力随温度变化每天出现一 个峰值，每年有几个极大值。图5 H型粘接体应力分布Fig.5 Stress dixtribution of H style bonding body2）∏ 型 粘 接 体 — — 应 力 分 布 轴 向 不 对 称 ， 高 应 力 集中 在 粘 接 体 外 侧 面 ， 拉 伸1.2 mm（10%） 的 应 力 水 平 为 H型粘接体的2倍（图6）。此外，由于内侧结构胶受铝隔 条-玻璃2垂直相交粘接面约束，拉伸1.2 mm时该处结构胶 产生撕裂。图6 ∏型粘接体应力分布Fig.6 Stress dixtribution of ∏ style bonding body2荷载及荷载传递分析结构粘接体受力情况，除考虑风荷载和玻璃自重图8 气压差产生的作用力Fig.8 Applied force produced by gas pressure difference072《粘接》杂志社 咨询电线 传真 mailto:-mail:网址/：ww/研 究 报 告 及 专 论综 述应 用 技 术译 文新 专 利3.2 永久荷载下结构粘接宽度的设定中空玻璃无自重支撑时，粘接体承受玻璃自重产生的 永久荷载，规范规定结构胶强度设计值f2取值0.007 MPa。 为防止2片玻璃在剪应力下错位诱发内空间结露、渗水，欧 美 规 范 推 荐f2取 值0.00345 MPa。 粘 接 宽 度 （Cs）按 下 式（2）计算：3中空玻璃结构粘接设计根据建筑结构极限承载能力状态设计原则——“结构构件或连接的应力应不超过材料强度（包括疲劳），不应 产生不适于继续承载的过度变形”，幕墙结构粘接设计要 求根据不同受力情况进行承载力极限状态验算，粘接宽度 应保证风荷载作用下粘接体产生的应力不大于结构胶强度 设计值f1（0.14 MPa），粘接厚度应保证结构变位条件下粘接体不产生大于f1的应力。规定结构胶变位承受能力， δ——拉伸应力0.14 MPa时结构胶的伸长率”[7]，要求依 据结构胶的δ值设计验算粘接厚度。根据∏型粘接体的受 力特点，中空玻璃结构粘接设计应给予具体分析。3.1 结构粘接宽度的设定影响中空玻璃粘接体应力的可变因素和不确定因素较 多，如结构胶性能（柔量）、间隔条的形状和尺寸、使用 环境条件等，精确确定荷载作用下∏型粘接应力有较大难 度。为降低设计风险，减少粘接失效玻璃的更换频度，降 低维护费用，中空玻璃结构胶粘接设计宜采用更低的强度 设 计 值 [3]。 考 虑 中 空 玻 璃 非 线 性 挠 曲 荷 载 传 递 作 用 （ 图6），2片玻璃间粘接宽度可按式（1）验算[8] ：式中qc 为玻璃单位面积的重力荷载，kPa；a、b为玻璃 边 长 ， m；f2 为 永 久 荷 载 作 用 下 结 构 胶 强 度 设 计 值（0.007 MPa）。其 中q =γ d ；γ 为 玻 璃 重 力 密 度 （25.6 N/m3）；cg 1d 为外片玻璃厚度，m。1示例：隐框幕墙开启窗中空玻璃，无自重支撑，外片玻璃厚度6 mm，宽1.2 m，高2.0 m，按式（2）计算3面粘接 体 的 宽 度 。 为 减 少 设 计 风 险 ， 粘 接 设 计 可 取 值 f ＝20.00345 MPa，粘接宽度计算结果为14.8 mm。3.3 结构胶设计选材验算保证粘接结构不产生不适于继续承载的变形 ，即在设 计中应考虑粘接形状、尺寸和结构胶模量的符合性，保证 粘接体的应变不大于所选结构胶的δ值，将结构胶的应力 水平限制在强度设计值以内。中空玻璃的∏型粘接若采用 与框架粘接的设计方法时，应对结构密封胶提出更高的要 求 。 建 筑 规 范 给 出 适 用 于 H型 粘 接 胶 层 厚 度 ts的 计 算 式（3）：式 中 β 为 外 片 玻 璃 荷 载 分 配 系 数 ；w 为 风 荷 载 设 计值 ，kPa；a 为 玻 璃 短 边 尺 寸 ，mm；f1为 结 构 胶 强 度 设 计值（0.14 MPa）。β取值： 当d1

　　d2时，β

　　1/2，取β=1；当d1≤d2时，β≈1/2，取β≡1/2； 其中，d1为外片玻璃厚度；d2为内片玻璃厚度。 示例：1）中 空 玻 璃 宽 度 1.6 m，高 2 m，空 气 层 厚 度 12 mm， 风荷载标准值 w=2.5 kPa，外片玻璃厚8 mm，内片 厚6 mm，按式（1）计算中空玻璃结构粘接宽度：u =θh（4）sg式中us为玻璃相对位移，按式（4）计算，必要时应考虑温差位移，mm；θ为风荷载标准值作用下层间位移角 限 值 （rad）；h为 玻 璃 高 度 ，mm；δ 为 结 构 胶 变 位 承 受 能力。但中空玻璃结构∏型粘接的厚度ts已由间隔条尺寸给 定，范围为6、9、12、14或16 mm，粘接设计必需验算所 选 用 结 构 胶 δ 值 的 符 合 性 。 δ 是 受 拉 应 力 为 强 度 设 计 值（0.14 MPa）时的伸长率，物理意义是模量的倒数，即橡 胶 弹 性 体 的 物 理 量 — — 柔 量 。 选 择 符 合ts厚 度 要 求 的 结 构胶，可按变换式（5），验算柔量δ符合性：2）若 内 外 2片 玻 璃 的 厚 度 相 等 （ 8 mm），取 β ＝0.5，按 式 （ 1）计 算 中 空 玻 璃 结 构 粘 接 宽 度 结 果 为 7.1 mm（计算过程略）。计算结果表明，为保证安全承载，粘接宽度必须大于 中空玻璃产品标准5 mm的规定[9]。此外，考虑高温会引起 内部气压升高，玻璃挠曲产生对粘接体的拉应力，其量值随面板尺寸的增大而增大，甚至会超过风荷载的效应[10]。示 例 ： 建 筑 抗 震 7度 设 防 ， 隐 框 幕 墙 玻 璃 分 格 1.2m×1.4 m，夏季玻璃外表面最高温度70 ℃，室内温度21℃，采用5+12+6中空玻璃。验算结构胶柔量δ值：07 3《粘接》杂志社 咨询电线 传真 mailto:-mail:网址/：ww/研 究 报 告 及 专 论综 述应 用 技 术译 文新 专 利学 术 论 文ACADEMIC PAPER研究报告及专论1）热 位 移 量 ： Δ u ＝Δt?α?h=（ 70-21）×10-5×s中空玻璃结构粘接失效造成外片坠落的偶发事故，多与结构粘接设计和选材考虑不周有关，应具体分析结构特 点和粘接体受力情况，考虑更多因素的影响，提高结构粘 接设计的合理性。1400=0.8 mm2）玻璃相对位移量[式（4）]：Δus=θhg =1400×1/150×0.6=5.6 mm3）结构胶厚度12 mm，取位移量最大值按式（5）计 算结构胶δ：致谢：试验结构胶应力－应变数据由中国建筑科学研究院国家化学建筑材料测试中心提供。参考文献[1]马 启 元 .建 筑 幕 墙 中 空 玻 璃 脱 胶 坠 落 事 故 的 分 析 [J].门 窗,2011(2):1-4. [2]GB11944－2002中空玻璃[S].北京:国家标准出版社,2002.12.[3]ASTM C 1249 Standard Guide for Secondary Seal for Sealed Insulating Glass Units for Structural Sealant Glazing Applications[S].Annual Book of ASTM Standards,Vol 04.07. [4] SCHWARTZ T A.Structural Silicone Glazing:In-Service Reliability Evaluation[S].ASTM STP,1286. [5]对GB24266《中空玻璃用硅酮结构密封胶》的技术质疑 [J].门窗,2010(4):38-43.[6]ASTM C1401,Standard Guide for Structural Sealant Glazing[S].Annual Book of ASTM Standards,Vol 04.07.[7]JGJ102,建筑玻璃幕墙工程技术规范[S].北京:中国建筑工 业出版社,2003.[ 8 ] E T A G 0 0 2 G U I D E L I N E F O R E U R O P E A N T E C H N I C A L A P P R O V A L F O R S T R U C T U R A L SEALANT GLAZING SYSTEMS(SSGS). [9]GB11944－2002中 空 玻 璃 [S].国 家 标 准 出 版 社 ,北 京,2002.12. [10]罗忆,等.建筑门窗[M].北京:化学工业出版社,2009.213. [11]ASTM C 1369 Standard Specification for Secondary Edge Sealants for Structurally Glazed Insulating Glass Unit[S].Annual Book of ASTM Standards,Vol 04.07.结果表明，选用δ值（柔量）应不小于10%，即选用柔量高于10%的结构胶才能保证粘接体的应力不大于0.14MPa。式 （5）计 算 结 果 仅 是 满 足 中 空 玻 璃 结 构 粘 接 选 材 的 最低要求[3，11]。由于同样位移条件下∏型粘接体产生的应力比H型 粘 接 体 高 出1倍 （ 表1），若 依 据 以 上 验 算 结 果 选 用结构胶，粘接体的应力水平将显著高于强度设计值，为此 中 空 玻 璃 结 构 粘 接 应 选 择 柔 量 （ δ ） 更 高 的 结 构 胶 。 此 外，若考虑高温气体膨胀中空玻璃挠曲拉伸产生的应变及 组合应变的效应，粘接设计验算将更为复杂。必需强调，检验并报告结构胶产品的应力－应变特性 值是GB 16776强制要求，目的是为结构粘接设计选材提供 产品的δ值，该标准的附录C明确：“应用应力-变形曲线%时的拉伸模量测定值，应同所 应用的设计规范结合，评价并确定选用的结构胶是否适于 这种应用”。目前已知品牌的结构胶δ值各不相同，最低 为3.5%，最高为13%。如果脱离现实随意取值，甚至为降 低 工 程 成 本 减 小 粘 接 宽 度 ， 减 少 用 胶 量 ， 将 δ 值 取 为40%，将会加大建筑幕墙玻璃脱胶坠落的风险。4结语Exploration on the structural bonding design for insulating glassTAO Wei1,MA Qi-yuan2(1.Beujing Jangho Curtall Co.,Ltd.,Beijing 101300,China;2.China National Chemistry Building Materials,Co.Beijing100831,China)Abstract：order to ensure that the induced stress of bonding body of Insulating glassstructures of hidden frame supported curtain walls under applied loads in not over the design value of strength,it is necessary to specifically analyses the loads,force transferring,stress distribution and stain feature of the bonding body and to give a much more consideration in the structural bonding design.Key words：curtain wall;design;Insulating glass;structure;bonding074《粘接》杂志社 咨询电线 传真 mailto:-mail:网址/：ww/研 究 报 告 及 专 论综 述应 用 技 术译 文新 专 利

　　GB T 32610-2016_日常防护型口罩技术规范_高清版_可检索.pdf