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建筑幕墻用硅酮結構密封膠標準有關設計要求的分析探討

發布日期:2019-05-08點擊:240

1.前言

 

  我國現行標準《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ102-2003對建筑幕墻用硅酮結構密封膠的設計和選用做出相應規定,同時國內外有關建筑用硅酮結構膠的多個標準也提出技術指標要求,目前主要有我國國家標準GB16776-2005《建筑用硅酮結構密封膠》、建工行業標準JG/T475-2015《建筑幕墻用硅酮結構密封膠》、美國標準ASTM C1184-2005《硅酮結構密封膠》、歐洲標準ETAG 002-2012《結構密封膠裝配套件(SSGK)歐洲技術認證指南》、EN15434-2010《建筑用玻璃-結構用或抗紫外線密封膠產品標準(用于結構密封裝配或外露密封中空玻璃單元)》。硅酮結構密封膠的設計和選擇涉及建筑幕墻安全,選用合理的標準以便做出規范的設計對幕墻安全起著關鍵作用,本文通過分析國內外相關標準,對幕墻設計采用標準的合理性做出探討。

  2.產品標準與設計相關的要求

  2.1 ASTM C1184

  美國標準ASTM C1184中對結構膠粘結強度的試樣方法為取5個試樣進行拉伸試驗,記錄5個試樣的最大拉伸強度并計算其平均值,要求23℃強度平均值≥0.345MPa[3]。按照強度設計值0.14 MPa計算,其最小設計安全系數約為2.5。雖然最小設計安全系數不大,但是標準ASTM C1184中要求結構膠在高溫88℃、低溫-29℃、浸水、水紫外光照老化(詞條“老化”由行業大百科提供)后的強度平均值均≥0.345MPa,即結構膠老化后的拉伸粘結強度性能和初始的要求一致,且經過老化后設計安全系數仍保持在2.5以上,意在保證結構膠的耐久穩定性(詞條“穩定性”由行業大百科提供)。但實際上,有些結構膠產品為通過該標準要求,將初始強度提高至很大,即使老化后有大幅度的衰減,仍然能夠滿足標準要求。例如:產品初始強度1.5MPa,經老化試驗后強度衰減70%,僅僅保留30%,則老化后強度值為0.45MPa,仍然滿足標準中≥0.345MPa的要求。

  2.2 GB16776

  GB 16776-2005主要參照美國標準ASTM C1184編制,23℃拉伸粘結性的考察也是取5個試樣進行拉伸試驗,要求5個試樣的拉伸粘結強度平均值≥0.60MPa[4]。按照強度設計值0.14 MPa計算,其最小設計安全系數約為4。標準GB 16776對結構膠的耐老化性能要求結構膠在高溫90℃、低溫-30℃、浸水、水紫外光照老化后的強度平均值均≥0.45MPa,較初始強度的要求有所降低,但老化后的設計安全系數保持在3以上,意在控制結構膠產品仍然具有一定的耐久性。但該要求與美國標準ASTM C1184有同樣的弊端,一些結構膠產品將初始強度提高至很大,即使老化后有大幅度的衰減,仍然能夠滿足標準要求。但這類產品老化后性能衰減明顯,易出現過早失效現象,使用壽命很短。

  2.3 JG/T475(ETAG002、EN15434)

  JG/T475適用于設計使用年限不低于25年的建筑幕墻工程使用的硅酮結構密封膠,其相關指標參考了歐洲ETAG002、EN15434標準[5~7]。關于硅酮結構膠23℃拉伸粘結的強度,JG/T475要求強度標準值Ru,5≥0.50MPa,標準取值方法參照歐洲標準ETAG002、EN15434,與我國GB 50068《建筑結構可靠度設計統一標準》規定一致,即材料強度的概率分布宜采用正態分布或對數正態分布,材料強度的標準值取其概率分布的0.05分位值確定[8]。強度標準值計算方法為10個平行試樣的強度平均值扣除其標準偏差影響后得出的數值,計算公式如下:

  由上述公式可以看出,“標準值”和“平均值”兩者概念不同,不宜將JG/T475和GB16776標準中強度值技術指標的大小進行直接比較。JG/T475標準規定拉伸粘結強度標準值≥0.5MPa,一般是高于GB16776中強度平均值≥0.6 MPa的要求。

  JG/T475標準要求報告結構膠的初始剛度及拉伸模量(剛度模量),GB16776對該項沒有提出要求。初始剛度表征粘結材料及粘結件抵抗彈性變形的能力,以某一特定應變時的應力表示(K12.5即表示應變12.5%時的應力);剛度模量是密封膠粘結構件變形時拉應力與對應變形量的比值,表征粘結材料及粘結構件抵抗彈性變形的能力,初始剛度及模量是結構按承載能力極限狀態設計的重要參數,幕墻用結構膠的尺寸設計與剛度模量有著密切關系。

  對結構膠的耐老化性能要求方面,JG/T 475-2015規定80℃、-20℃、水紫外光照、高溫100℃、鹽霧、酸霧、清潔劑、機械疲勞等老化試驗處理后拉伸粘結強度保持率≥75%,是一動態指標,并非一定值。旨在控制結構膠產品的耐久性,即要求結構膠在長期使用過程中經受各種老化因素的影響,仍然能夠保持較穩定的性能,具有較長的使用壽命。這也是滿足JG/T 475-2015標準的結構膠之所以具有預期25年使用壽命的關鍵要求。相比較標準ASTM C1184和GB 16776-2005中靜態指標要求更合理,避免一些產品為了滿足標準要求,大幅度提高23℃條件下拉伸粘結強度,以達到老化處理后拉伸粘結強度大量衰減后仍然滿足標準ASTM C1184和GB 16776-2005的要求。例如前述示例:結構膠初始23℃條件下拉伸強度1.5MPa,老化后為0.45MPa,是符合標準ASTM C1184和GB 16776-2005的,但是保持率只有30%(<75%),不符合JG/T 475-2015要求。

  3.幕墻設計規范要求

  3.1美國相關要求

  設計強度最大取值為0.14 MPa是由許多驗證試驗及實踐得出的結果,已得到驗證和業界廣泛認可。美國標準ASTM C 1401-2014《結構密封膠裝配標準指南》中第27.4、27.5條規定,結構密封膠的最大拉伸強度應符合標準ASTM C1184中規定的≥0.345 MPa的要求,最大設計強度為0.14 MPa,最小設計安全系數為2.5,根據特定結構密封膠的最大拉伸強度和所確定設計安全系數,設計強度可小于0.14 MPa[2]。ASTM C 1401中第24.3.1條指出,雖然結構密封膠的最大拉伸強度一般是高于0.345MPa,但不能因此就將設計強度提高到0.14 MPa以上,延長結構膠使用壽命的關鍵在于經過環境老化后還能保持良好的粘結性能。ASTM C 1401中第30.3.5條指出,結構膠承受反復拉伸疲勞的次數隨著應力幅度的增大而劇減,即提高設計強度會導致疲勞壽命明顯降低。因此,為保證幕墻安全,應當主要關注結構密封膠的耐老化性能以延長使用壽命;為降低設計風險,可提高設計安全系數,而不是提高強度設計值,設計強度值不應超過0.14MPa,否則會造成安全風險。

  3.1國內相關要求

  關于硅酮結構密封膠粘結強度設計值取值,我國參照美國相關規范,將強度設計值0.14MPa納入相應規范要求,用于結構膠的粘結尺寸設計。

  3.1.1幕墻用硅酮結構密封膠粘結寬度設計

  3.1.2幕墻用硅酮結構密封膠厚度設計

  JGJ102-2003第5.6.5條規定,硅酮結構密封膠的粘接厚度 按照下面公式(2)、(3)計算:

  ts—硅酮結構密封膠的粘接厚度(mm)

  us—幕墻玻璃的相對于鋁合金框的位移(mm),必要時還應考慮溫度變化產生的相對位移;

  θ—風荷載標準值作用下主體結構(詞條“主體結構”由行業大百科提供)的樓層彈性層間位移角限值(rad);

  hg—玻璃面板高度(mm),取其邊長a或b;

  δ—硅酮結構密封膠的變位承受能力,取對應于其受拉應力為0.14N/mm2時的伸長率。

  JGJ102-2003中結構膠強度設計值取值0.2N/mm2,條文說明指出這是套用概率極限狀態設計方法,風荷載分項系數取1.4,將標準值0.14 N/mm2乘以分項系數1.4約等于0.2 N/mm2,定為風荷載作用下的強度設計值,可見結構膠的粘結強度設計值仍為0.14 N/mm2[1]。硅酮結構密封膠的變位承受能力δ是取極限設計強度0.14 N/mm2對應的應變,通過JG/T475標準要求報告的初始剛度及模量可以獲取δ值的大小。經大量工程的實踐證明,采用0.14 MPa設計值進行設計選材為建筑幕墻結構安全提供了基本的保證。

  3.2歐洲相關要求

  歐洲標準體系將強度標準值用于設計選材,強度設計值是根據材料的強度標準值可以按6倍的設計安全系數進行計算,即強度設計值可以取標準值的1/6。設計方法不同于我國規范要求——強度設計值取定值0.14MPa。有觀點認為按照歐洲標準要求結構密封膠的強度標準值應該達到6倍的設計強度即0.14×6=0.84MPa以上,其實這種觀點是錯誤的,原因有以下幾個方面:

  (1)該觀點將歐洲體系的設計方式與我國的相關要求斷章取義、混為一談,將我國規范要求的強度設計值0.14MPa套用歐洲標準要求的安全系數6來確定對標準值的要求。

  (2)歐洲在產品標準EN15434中規定了23℃拉伸粘結強度標準值Ru,5≥0.50MPa,并不是要求結構膠產品的強度值一定要達到0.84MPa以上。標準ETAG 002-2012附錄A2.0中指出設計安全系數可以選用6進行計算,并非是要求必須取定值6作為安全系數。

  (3)如果按照該觀點片面地將結構膠強度標準值要求由“≥0.50MPa”提升至“≥0.84MPa”,引導結構膠產品朝著較高強度發展,按照6倍的安全系數進行設計,強度設計值必然遠遠超過0.14MPa,如結構膠強度達到1.5MPa,按照6倍的安全系數計算,設計值高達0.25 MPa,大大超出業界公認的強度設計值限值0.14 MPa,勢必增大幕墻安全風險[2、9]。

  歐洲標準設置強度保持率指標,控制結構膠在經過各種環境及復雜受力老化后,力學性能沒有大的衰減,始終保持較穩定的性能。標準JG/T475標準同樣采用了該要求,這也是滿足歐洲標準ETAG002及行業標準JG/T475的結構膠之所以具有預期25年使用壽命的主要原因,而并非是其設計的安全系數取值高于我國要求。

  4.結論

  (1)我國《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ102中對硅酮結構密封膠的設計,強度設計值取定值0.14MPa,是采用結構膠的強度“標準值”,并非強度“平均值”,“標準值”和“平均值”兩者概念不同,標準JG/T475規定的“標準值≥0.5MPa”,一般是高于GB16776規定的“平均值≥0.6 MPa”的要求,此外,標準JG/T475還要求報告初始剛度及剛度模量,標準JG/T475與規范JGJ102、GB 50068要求相協調一致,更加適合規范要求。

  (2)幕墻用結構膠的設計方法,國內外各國均有相應要求,不能將各國的不同要求混為一談,誤導結構膠的正確使用。為降低建筑幕墻設計風險,可提高設計安全系數,而不是提高強度設計值,設計強度值不應超過0.14 MPa,否則會造成安全風險。

  (3)標準JG/T475-2015主要參照歐洲標準ETAG002-2012要求,符合該標準要求的硅酮結構密封膠產品,按照規范進行設計施工,可達到預期25年使用壽命,與我國規范JGJ 102規定“幕墻的結構設計使用年限不應少于25年”相協調。JG/T475-2015標準科學先進,應得到正確的引導宣傳和應用,以促進建筑幕墻工程質量穩定及安全。

(本文來源于網絡,侵刪)

 

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