精品浅析玻璃幕墙中结构胶尺寸的确定.docx
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精品浅析玻璃幕墙中结构胶尺寸的确定
浅析玻璃幕墙中结构胶尺寸的确定
浅析玻璃幕墙中结构胶尺寸的确定
浅析玻璃幕墙中结构胶尺寸的确定
【摘要】结构胶的胶接原理、结构胶强度的确定以及实际使用中常见的胶接形式；结构胶在隐框幕墙和骑缝式玻璃肋全玻幕墙中具体尺寸的确定；以及在上述幕墙应用中遇到的实际问题及解决方法。
【关键词】结构胶；建筑幕墙；计算
中图分类号：
J527.3文献标识码：
A文章编号：
一、结构胶胶缝的胶接原理
胶缝由胶层、界面区和基材表面共同组成。
胶层、界面区和基材依靠界面上分子力的作用产生粘附力，同时，胶粘剂渗透到基材表面的凹坑、孔隙中，而基材表面的须状结构嵌入到胶层中，它们共同组成复合相，从而形成钉、钩、锚等机械嵌合作用，这种机械嵌合作用加强了粘附力。
由于上述作用，使胶缝中胶层与基材的粘结作用强于胶层本身的内聚作用。
二、结构胶强度设计值的确定
现行国家标准《建筑用硅酮结构密封胶GB16776》对结构胶的拉伸强度值做了如下规定：
物理力学性能
产品物理力学性能应符合表1要求。
表1产品物理力学性能
由上表可知，在标准条件下（即23℃±2℃），结构胶的拉伸强度值≥0.60MPa
《玻璃幕墙工程技术规范》中规定，在风荷载或地震作用下，结构胶的总安全系数取不小于4，依照概率极限状态设计方法，风荷载分项系数取1.4，地震作用分项系数取1.3，则其强度设计值约为0.195～0.21，本规范规定在风荷载、水平地震作用下，硅酮结构密封胶的拉应力或剪应力设计值不应大于其强度设计值，取0.2，此时材料分项系数为3.0，结构胶的总安全系数约为5，满足规范关于总安全系数不小于4的要求，且与国际标准基本相符。
在永久荷载（重力荷载）作用下，硅酮结构密封胶的强度设计值取为风荷载作用下强度设计值的1/20，《玻璃幕墙工程技术规范》中规定，在永久荷载作用下，硅酮结构密封胶的拉应力或剪应力设计值不应大于其强度设计值，取0.01。
三、结构胶的胶接形式
结构胶的胶接形式主要有三种：
a、搭接；b、对接；c、搭接与对接相结合，如下图所示。
以上三种胶接形式都具有很强的变位能力，搭接胶缝可以在连接两基材的方向伸长或缩短，两基材发生错动时，胶缝也可以随之错动；对接胶缝同样可以在两基材的连接方向伸长或缩短；搭接与对接结合的胶缝则综合了搭接和对接的变位能力。
在幕墙实际工程应用中，最常见的是搭接形式，如隐框幕墙；其次是搭接与对接相结合的形式，如骑缝式玻璃肋全玻璃幕墙；单纯的对接胶缝在实际工程中则较为少见。
四、结构胶在幕墙结构中的受力分析
综合分析以结构胶作为传力构件的各类幕墙形式，结构胶基本是继幕墙面板（主要是玻璃）之后的第一个传力体，相当于接力赛的第一棒，需要承受幕墙面板所受到的各种荷载，同时需要吸收幕墙体系相对于主体结构的变位。
《玻璃幕墙工程技术规范》中对幕墙结构所考虑的荷载有如下规定：
5.1.3玻璃幕墙结构设计应计算下列作用效应：
1、非抗震设计时，应计算重力荷载和风荷载效应；
2、抗震设计时，应计算重力荷载、风荷载和地震作用效应
综合以上分析可知，结构胶作为幕墙体系的传力构件，非抗震设计时，主要承受幕墙面板所承受的重力荷载和风荷载；抗震设计时，主要承受幕墙面板所承受的重力荷载、风荷载以及地震荷载；同时承受幕墙体系的平面内变形。
五、结构胶尺寸的确定
前面分析了结构胶需要承受的各种荷载，根据工程学的概念，粘接面板与龙骨的结构胶的粘附力应等于幕墙面板所承受的所有荷载。
决定结构胶粘附力的因素主要是结构胶的强度设计值和结构胶的尺寸。
本文定义结构胶有效尺寸的概念，即在某种荷载作用下，决定结构胶粘附力的尺寸，为此荷载作用下结构胶的有效尺寸。
1、风荷载（抗震设计时还需考虑地震荷载）作用下结构胶的有效尺寸
通过受力分析，在风荷载（抗震设计时还需考虑地震荷载）作用下，结构胶的有效尺寸为结构胶的宽度，即抵抗风荷载（抗震设计时还需考虑地震荷载）的粘附力，主要取决于结构胶的宽度。
现取一个幕墙分格，在风荷载（抗震设计时还需考虑地震荷载）作用下，通过受力简图进行分析。
A、当分格的长宽比大于等于2时，按单向板考虑，这时玻璃承受的荷载全部传递给长边，如下图：
此种情况，可认为在风荷载（抗震设计时还需考虑地震荷载）作用下，短边方向的结构胶不承受荷载，可认为其为非受力构件，故短边方向结构胶的尺寸可不做结构受力方面的考虑，只分析长边方向结构胶的有效尺寸，即长边方向结构胶的宽度。
幕墙面板所承受的荷载（）：
非抗震设计时：
抗震设计时：
――幕墙分格所承受的风荷载
――幕墙分格所承受的地震荷载
结构胶的粘附力（）:
由，可得：
非抗震设计时：
抗震设计时：
即：
（非抗震设计）
或（抗震设计）
B、当分格的长宽比小于2时，按双向板考虑，这时玻璃面板所承受的荷载，梯形面积分布传递给长边，三角形面积分布传递给短边，如下图：
此种情况，在风荷载（抗震设计时还需考虑地震荷载）作用下，长边和短边方向的结构胶对荷载传递均有贡献。
需要同时考虑长边和短边结构胶的有效尺寸，即结构胶的宽度。
实际计算时，出于安全考虑，长边的梯形荷载和短边的三角形荷载均考虑成矩形荷载，由于梯形和三角形是沿45°对角线分格而成，故长边和短边矩形荷载的高是一样的，可以用上述公式求得结构胶的宽度。
2、重力荷载作用下结构胶的有效尺寸
同样通过受力分析可以得到，在重力荷载作用下，结构胶的有效尺寸亦是结构胶的宽度，且重力荷载需要幕墙板块四边的结构胶承受。
经分析，此时结构胶承受的是剪应力，其强度设计值取。
幕墙面板所承受的荷载：
重力荷载：
结构胶的粘附力：
由，可得：
3、平面变形时结构胶的有效尺寸
我们通过平面变形时结构胶的变形图来分析结构胶的有效尺寸，示意图如下：
图中：
――硅酮结构密封胶的粘接厚度（mm）；
――幕墙玻璃的相对于铝合金框的位移（mm）；
――风荷载标准值作用下主体结构的楼层弹性层间位移角限值（rad）；
――玻璃面板高度（mm），取其边长a或b；
――硅酮结构密封胶的变形后的尺寸（mm）；
由直角三角形关系得:
由结构胶的变位承受能力定义：
从而得到：
即：
下面逐一分析公式中的几个参数：
与平面变形有关的参数只有两个：
和
综上，在风荷载（抗震设计时还需考虑地震荷载）作用下和在重力荷载作用下，结构胶的有效尺寸均为结构胶的宽度，平面内变形时结构胶的有效尺寸为结构胶的厚度。
从而关于结构胶尺寸的确定，得出如下结论：
结构胶宽度的确定，取决于幕墙面板所受到的风荷载（抗震设计时还需
考虑地震荷载）和重力荷载，因为要同时满足这两种的受力情况，所以
取二者作用下计算结果的较大值，即；
2、结构胶厚度的确定，取决于幕墙平面内的变形。
六、常用幕墙形式结构胶尺寸的计算
下面针对目前工程中常用的两种幕墙结构：
隐框玻璃幕墙和骑缝式玻璃肋全玻幕墙，计算其结构胶的尺寸，均按抗震设计考虑。
1、隐框玻璃幕墙中结构胶尺寸的计算
A、结构胶宽度的计算
在风荷载和地震荷载作用下以及重力荷载作用下结构胶的有效尺寸为结构胶的宽度，如下：
在风荷载和地震荷载作用下：
在重力荷载作用下：
最终确定结构胶的宽度：
这里需要特别注意的是，不能因为玻璃下边缘设置了托板或托条，就不考虑重力荷载作用下厚度的计算。
《玻璃幕墙工程技术规范》5.6.6条，仅作为构造要求，不能代替计算。
B、结构胶厚度的计算
平面变形时结构胶的有效尺寸为结构胶厚度，如下：
结构胶厚度：
其中：
公式各参数含义，上文已详细说明，在此不再赘述。
同时，结构胶的宽度和厚度需要满足《玻璃幕墙工程技术规范》5.6.1条对结构胶的宽度和厚度的规定。
即：
，且
对于隐框玻璃幕墙，结构胶宽度和厚度具体是指哪个尺寸很容易界定，计算过程也比较清晰。
只是实际工程中具体计算时，计算得到的结果往往不在规范要求的范围内，主要有以下几种情况：
a、高层、超高层建筑的隐框玻璃幕墙；
b、玻璃分格特别大的隐框玻璃幕墙；
c、由于节能、安全等方面的要求，需要使用中空夹胶玻璃等多层玻
璃的隐框玻璃幕墙；
d、在地震设防烈度较高地区的隐框玻璃幕墙；
e、基本风压较大地区的隐框玻璃幕墙。
实际工程中曾经遇到过宽度22mm，厚度6mm的情况，遇到此种情况，可以有以下几种解决方案：
方案一、可将双面贴把结构胶在宽度方向一分为二。
按上述实例，则宽度变为11mm，厚度为6mm，满足规范要求。
这种解决方案同时满足了结构安全性的要求和规范对于结构胶尺寸的要求，如图：
此种方案虽然同时满足了计算要求和规范要求，但实际胶缝过宽的问题并没有解决，反而因为中间双面贴的增加，使本来就宽的胶缝变得更宽，影响视觉效果，同时增大了型材的尺寸，造成成本增加。
方案二、选用高强度的结构胶，提高结构胶的强度设计值，以减小结构胶宽度。
这种解决方案需要结构胶厂家提供确切的实验数据，确保结构的安全。
此种解决方案，已经在实际工程中使用，但是这种做法在现有规范中还没有相关规定，在这里是提供一种解决问题的方向，具体使用时，需要经过严格的论证或者实验。
2、骑缝式玻璃肋全玻幕墙中结构胶尺寸的计算
A、结构胶宽度的计算
《玻璃幕墙工程技术规范》7.4.2条第2款对骑缝式玻璃肋全玻幕墙的结构胶承载力作了如下规定：
（7.4.2-2）
――垂直于玻璃面板的分布荷载设计值（）,抗震设计时应包含地震作用计算的分布荷载设计值；
――两肋之间的玻璃面板跨度（mm）；
――胶缝宽度，取玻璃肋截面厚度（mm）；
――硅酮结构密封胶在风荷载作用下的强度设计值，取0.2
规范基于安全考虑，认为结构胶的有效尺寸为结构胶的宽度，取玻璃肋截面厚度，如下图：
按实际受力分析，在风荷载（抗震设计时还需考虑地震荷载）作用下，结构胶的有效尺寸为两个，如图：
其中，有效尺寸1处结构胶承受拉应力，有效尺寸2处结构胶承受剪应力。
结构胶的宽度应该综合考虑这两部分的作用。
从相关资料中查阅到结构胶施打成如下形状时，胶A和胶B均起作用，结构胶的宽度=实际计算宽度-t。
与上述类似，骑缝式玻璃肋全玻幕墙中结构胶也相当于A、B两部分胶在起作用，如下图所示：
此时，全玻幕墙的结构胶相当于B胶在玻璃面板的两个边上都起作用，但基于安全考虑，结构胶的宽度不取，仍取：
。
――玻璃面板厚度（mm）
B、结构胶厚度的确定
结构胶厚度的计算方法与隐框幕墙一样，只是结构胶厚度具体指哪个尺寸，界定起来没有隐框幕墙清晰。
笔者认为，在平面内发生变形时，如果相邻板块变形一致，则面板和面板之间的胶不会发生形变，或者发生的形变可以忽略，如图：
从安全方面考虑，吸收平面内变形的结构胶为玻璃肋与玻璃面板之间的结构胶，结构胶的有效尺寸如图：
即结构胶厚度：
其中：
本文主要介绍了结构胶的胶接原理、结构胶强度的确定以及实际使用中常见的胶接形式；通过分析结构胶在建筑幕墙中的应用及其受力情况，得到了影响结构胶尺寸的因素，并引入了结构胶有效尺寸的概念；同时分析了结构胶在隐框幕墙和骑缝式玻璃肋全玻幕墙中具体尺寸的确定，以及在上述幕墙应用中遇到的实际问题及解决方法。
【参考文献】《建筑用硅酮结构密封胶》（GB16776）
《建筑幕墙》（GBT21086-2007）
《建筑结构荷载规范》（GB50009-2012）
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