提高玻璃幕墙粘结强度设计值的风险

马启元

提 要 结构粘结不同于机械连接，硅酮结构胶是力学非线性材料，强度设计值不能简单的依照材料强度等比例倍增，应通过试验验证评估。高重要性建筑幕墙应选用高性能结构胶，提高设计安全系数，不应倍增强度设计值，倍增玻璃粘结节点承受的荷载，增加结构设计的风险。
关键词 幕墙 粘结 强度 设计值 风险

某国际金融大厦超大玻璃幕墙工程由于风荷载大，按规范设计采用宽胶缝粘结将影响视觉外观，为此决定将粘结强度设计值从0.14MPa提高到0.40MPa 。据称如此超规范的大幅提高结构胶强度设计值，而且在重要性极高的建筑上进行大荷载下减小隐框玻璃幕墙粘结尺寸的尝试，国内属首次，国际上也未见先例 ，并可获得减少硅酮结构密封胶用量、缩小金属型材断面、节省幕墙制造成本等，获一举多得的效果。但必须注意我国建筑幕墙规范强制条款规定粘结强度设计值为0.14MPa，国外标准均采用设计值，采用更高的设计值必须进行验证试验和风险评估 。本文分析了结构胶非线性力学特性、粘结与传统机械连接的差别、粘结强度设计值和标准值的设定，例证结构胶粘结荷载效应与荷载的非线性关系和线性提高强度设计值的风险。

硅酮结构密封胶力学特性

硅酮结构密封胶是室温硫化硅橡胶，不仅是阻止空气和水通过建筑外墙的隔断，而且主要提供结构承载和固定。结构胶分子是由分子链、链节以及基团组成的大分子，具有不同聚集态和复杂链状结构，存在局部取向、结晶或微区分相，这种多重结构决定其应力－应变呈现为物理非线性，力学特性与外力作用时间、温度等多种因素相关。值得注意的是非线性弹性力学与线性弹性力学中的物理意义、数学意义相同，在应力及应变分析中人们往往习惯于简单的线性处理，有时会忽视聚合物基本力学方程的多重性和复杂性 。橡胶材料的高弹性、粘弹性及多重性质比线弹性材料复杂，其力学模型和方程可用图1及式1近似表达 ：

图1 橡胶的力学模型
（1）
式中： t ——外力作用时间
σ ——应力
σ/E0——瞬时荷载应力产生的弹性应变；
σt/η0——长期荷载下粘性蠕变(η0,粘滞系数)；
——过渡态力学响应。
结构胶为泊松比0.5的橡胶材料 ，拉伸试验一般采用工程应力而不采用断面积缩小的“真应力”表征。国家标准《建筑用硅酮结构密封胶》GB 16776要求检验并报告产品强度及常规性能，同时要求报告5mm/min拉伸伸长10％、20％、40％及100％时的应力（可绘出应力－应变曲线）或应力－应变曲线。典型产品试验结果原始记录如图2、图3。

图2 产品A拉伸试验结果（右放大）

图3 产品B拉伸应力－应变
图2、图3是以速度5mm/min拉伸结构胶的应力－应变曲线 ，加大试验数据采集密度（如图3产品B曲线由7000个数据组成），放大坐标可以分辨初始段为直线并判定OA直线段的斜率，即材料的 “初始模量”——杨氏模量E0，如图2、图3中该值分别为0.08/0.07=1.1 (MPa)、0.04/0.065=0.62(MPa)；当材料继续被拉伸时曲线斜率递减呈非线性弹性。一般橡胶材料报告通过原点的切线C点的正割模量，以此值（或以拉伸变形0.10时的正割模量）报告为材料的弹性模量；由图2、图3可见材料在C点撤除拉力可恢复原始形状，C点时材料的模量分别为0.18MPa/0.10、o.23MPa/0.17; 材料拉伸超过C点即进入弹塑段，在很宽的区间内曲线斜率锐减，应变迅速增大，直至应变增加而应力却不增加的屈服段，曲线斜率为0直至断裂。材料在弹塑段和屈服段撤除拉力不能恢复原始形状。结构胶的最大拉伸强度是屈服段的极限强度。不同的结构胶的弹性模量和C切点正割模量不同，量值与材料极限强度没有比例关系 。

结构胶粘结的不确定性

粘接是近代发展的第三种连接技术。结构胶应用于建筑幕墙的历史很短，1978年才开始发展结构胶粘结的中空玻璃隐框幕墙，同传统机械连接技术相比有许多问题尚在试验研究。

1. 胶粘剂是不定型材料，必须通过现场混合、挤注、涂施、养护、固化成型，产品工艺性和现场施工操作对最终粘结质量有直接影响。GB 16776要求控制现场混合、涂饰成型和养护固化质量；
2. 粘结是两界面间的物理化学现象。结构胶必须适应被粘材料表面“地貌”、取代固体相附着的气体相、浸润被粘表面并通过界面两相不同分子力作用才能实现粘结。分离粘结界面的粘附功的大小与被粘表面性质和状态有关。GB 16776要求检验实际工程用基材的粘结性，检验结构系统用附件的相容性；
3. 随使用年限的增加结构胶本体强度和界面粘结耐久性可能衰变，特别在潮湿、光照、高温、交变应力、反复变形和环境因素综合作用下，材料本体和界面粘结性可能逐渐劣化，这些变化在表观上往往不显示征兆。至今尚无准确预报粘结耐久极限的有效方法，不能预知系统丧失功能、出现早期老化和需要补救的时间点3。

考虑结构胶粘结的不确定性因素，考虑幕墙工程中尚未预见和未控制的因素，考虑粘结胶缝隐蔽且修复付出的代价可能数倍于最初的粘结制造，规避风险最好的方法是参照以前成功的实绩，采用较高的设计安全系数。

相关标准对结构胶强度设计值与标准值的规定

美国标准的规定

结构胶粘结拉伸强度设计值0.14Mpa源于很多测试，已得到国际业界公认并纳入相关建筑法规被广泛采用。ASTM C 1401结构胶粘结设计规定0.139Mpa（20psi）是最大设计限值，指出该限值已经实践证明并被广泛采用，是寿命期内玻璃结构粘接耐久性的重要保证。对既承受水平荷载又承受垂直荷载的粘结结构，设计应采用更高的设计安全系数，除非特殊设计采用特殊形状，即使这种情况也应进行模拟试验进行验证。随着结构粘结应用研究的深入，在考虑更多设计风险因素及幕墙玻璃坠落危险时，一般应采用更高的设计安全系数，而不是修改设计值。美国结构胶产品标准ASTM C1184规定结构胶强度标准值为0.345MPa，按强度设计值0.14Mpa计其设计安全系数为2.5。

GB 16776

GB 16776非等效地采用ASTM C1184,强度标准值0.60MPa，设计安全系数按设计值0.14Mpa计高于美国标准。国家标准GB 16776强度标准值没有分级，产品不按强度大小分级，实际产品强度高于标准值不能成为提高强度设计值的技术依据，不能因产品强度达到1.20Mpa就可将强度设计值提高一倍，否则强度0.80Mpa、1,00Mpa、1.40Mpa等高于标准值的产品均需另行规定强度设计值。此外，目前生产的结构胶对应于0.14Mpa的应变在3%~14%范围内分布，多处于曲线的C切点非线性弹性初始阶段，在反复拉伸条件中尚不产生永久变形。从图2、图3典型应力－应变曲线可见，如果将设计值提高到0.4MPa，对应的应变将超过40％，实际应用中玻璃面板在设计荷载下将呈现过量位移，产生不利于粘结耐久性的效应，影响结构的安全。
在粘结结构中结构胶将玻璃或其他面板材料同金属框架粘结在一起，向结构支撑体系传递面板承受的载荷并适应玻璃面板和支撑框架之间预计发生的位移，GB16776提出结构胶的模量必须处于适宜的范围，既具备承受载荷所必须的强度，又具备适应各种位移所必须的柔性。目前生产的结构胶模量约为0.14MPa/3% ~ 0.14MPa/14%，多年工程实践表明该范围能满足玻璃幕墙结构设计要求。

JGJ 102

JGJ 102的编制参考了一些先进国家有关玻璃幕墙的标准和规范。JGJ 102-2003中结构胶强度设计值f1取值0.2N/mm2，较0.140N/mm2提高43％，但由条文说明可见这仅是为套用概率极限状态设计方法，将JGJ102－96计算式5.6.3-1中规定的风荷载标准值乘分项系数1.4，改取为风荷载设计值，同时对分母乘以1.4, 即1.4×0.14 N/mm2 =1.96 N/mm2≈0.2 N/mm2， 可见强度设计值仍0.14 N/mm2。规范第5.6.5条计算式5.6.5.2-2规定δ值——对应于受拉应力为0.14 N/mm2时的伸长率，其物理意义就是将结构变位作用于结构胶的最大应力限制强度设计值0.14 N/mm2。

ETAG 002

欧洲没有制订结构胶产品标准，结构胶强度标准值按欧洲技术认证指南ETAG 002设定，方法与我国GB 50068《建筑结构可靠度设计统一标准 》/GB 50153 《工程结构可靠度设计统一标准》规定一致，即材料标准值宜采用随机变量概率模型描述，以试验数据为基础采用材料性能的统计参数和概率分布函数，材料强度标准值取其概率分布的0.05分位值确定。前置条件是产品性能经高温、低温、湿热及耐热水－UV辐照后保持率必须高于75％。结构胶强度标准值和设计值按式2、式3计算：
（2）
式中 ：RU0.5——23℃粘结拉伸强度标准值
Xmean——拉伸强度平均值
S——标准误差
ταβ——检验显著性水平0.05 分位值（与试样数相关, 5个试样时ταβ＝2.46）
σdes = Ru5 / 6（3）
式中：σdes——短期荷载下结构胶强度设计值（f1）
6 ——强度设计值系数
举例计算：如某结构胶拉伸强度平均值为1.2MPa（且高温、低温、湿热及耐热水－UV辐照后拉伸强度大于0.90 MPa）, 5个试样测试, 标准误差0.10MPa，则：
＝1.2－2.46×0.10 = 0.954 (MPa)
结构胶强度设计值（f1）：
σdes = Ru5 / 6 ＝0.954/ 6 = 0.159 (MPa)
由计算式和计算结果可见，欧洲按E002设定f1值与0.14N/mm2没有显著差异。

提高粘结强度设计值将劣化粘结耐久性

疲劳是重复应力或长期暴露引起材料性能劣变的现象。风压变化反复拉动幕墙玻璃面板产生作用于结构胶的反复应力，每天温度变化引起位移使结构胶产生反复拉应力，雨水、热、UV光照和风化效应等因素的反复暴露，将促使结构胶性能衰变产生疲劳破坏。结构胶粘结疲劳破坏的表征不仅是本体材料的断裂破坏，还包括与玻璃表面粘结力的衰减。影响结构胶疲劳破坏的因素包括应用特性、应力类型和频度，但荷载下结构胶疲劳的应力或应变幅水平的影响最为直接，也最为重要。

ASTM C 1401, 30.3.5条指出在实验室疲劳试验中，某结构胶在应力幅0.517 Mpa下反复1000次时破坏，0.345 Mpa下反复5000次时破坏，而0.276 Mpa下可反复加载 100,000次。可见结构胶承受反复拉伸疲劳的次数随应力幅增大而锐减。此外还应注意到，在经受湿气或浸水时结构胶的疲劳衰变将更加迅速。

2008年3月全国门窗幕墙年会上，迈图科技公司报告了多种品牌产品的疲劳试验结果，试验验证硅酮结构密封胶的粘结安全性。该项试验是应ASTM C24委员会要求，试验产品品牌的拉伸强度高于标准值（图4），疲劳试验的应力幅分别为0.14MPa、0.19MPa、0.21MPa和0.28MPa。

图4 试验结构密封胶的强度水平
试验结果表明，不同品牌结构胶拉伸破坏的循环次数（寿命）与应力水平显著相关（图5）
，按结构胶应力幅0.14MPa时平均疲劳寿命为100计，应力幅0.19MPa 、0.21MPa和0.28MPa时疲劳寿命仅分别为14％、12％和6％。

图5 拉压应力幅与结构胶疲劳寿命关系

规定设计使用年限内建筑结构应具有足够的可靠度，可靠度采用以概率理论为基础的极限设计方法分析确定 。结构胶承载能力与设计荷载可视为粘结失效概率分布的随机变量，通过简单的点载荷装置及试验程序，可检测和评估玻璃幕墙粘结可靠性 ，即依据玻璃粘结结构尺寸、粘结胶缝宽度、厚度及硅酮结构胶模量，通过有限元分析设定对结构胶缝施加等同于设计荷载作用的点荷载，测定设计荷载下结构胶的应力、位移及粘结失效的频度，统计粘结失效概率分布。研究检测了横明竖隐粘结装配的100块玻璃，玻璃尺寸为1200mm×2400mm×6mm，结构胶模量为0.14MPa/16％，粘结宽度14mm,胶层厚度10mm，试验结果表明（图6），粘结尺寸及结构胶给定条件下，提高设计载荷将导致粘结失效概率迅速增大。

结语

结构胶强度设计值是由材料特性决定的技术参数，我国采用国际同业规范的设计值为结构安全提供了基本保证。尽管我国幕墙工程建设项目多，积累了不少经验，但少有针对幕墙玻璃粘结结构耐久性和可靠性的试验研究，少见有关粘结结构荷载效应及与结构胶非线性力学特性关系的试验研究。创新应以科学试验为基础，建议结合重要性高的玻璃幕墙设计和建设，开展相应的专项研究。本文依据结构胶材料特性及相关资料，针对倍增结构胶强度设计值可能带来的风险做了初步分析，供业内参考。建筑玻璃幕墙安全等级为一级，玻璃坠落可能产生的后果严重，社会影响较大，项目建设应关注安全，尽力规避可能的风险。本文仅供业内参考，不妥之处望给予指正。