幕墻系統(tǒng)中結(jié)構(gòu)膠計算方法和設(shè)計概念

【中玻網(wǎng)】在整個歷史發(fā)展過程中，玻璃結(jié)構(gòu)裝配引入外墻和幕墻行業(yè)已經(jīng)有超過30年的歷史了。玻璃的結(jié)構(gòu)裝配中，通常使用具有高度度，高好性的結(jié)構(gòu)密封膠把玻璃黏接在幕墻框架上。這種玻璃結(jié)構(gòu)裝配的概念的引入，在外墻框架玻璃結(jié)構(gòu)的設(shè)計上給予了設(shè)計師和建筑師更多的自由，而且在大部分國家范圍內(nèi)改變了對建筑的審美觀念。

　　在設(shè)計和計算結(jié)構(gòu)膠的數(shù)值時，它需要能夠承受在玻璃上所受到的各種載荷。在結(jié)構(gòu)裝配被引入以后，形成了一些基本的經(jīng)驗計算公式，這些公式已經(jīng)被幕墻和結(jié)構(gòu)裝配行業(yè)的設(shè)計師和核算師所信賴。

　　這種公式其實是從工程學(xué)上的概念得來的，即在幕墻框架上的玻璃所受到的各種載荷等于黏接玻璃的結(jié)構(gòu)膠所產(chǎn)生的抵抗強(qiáng)度。因此，假如施加的載荷取風(fēng)壓在玻璃表面上壓力，抵抗強(qiáng)度取施工長度方向上的結(jié)構(gòu)膠所承受的強(qiáng)度，那根據(jù)施加的載荷等于抵抗的強(qiáng)度這個工程學(xué)概念，結(jié)構(gòu)膠的施工寬度可以從下面的公式得出：

　　這個基本的經(jīng)驗公式在玻璃結(jié)構(gòu)裝配開始的時候就被用來估計或者計算結(jié)構(gòu)膠的注膠寬度，而且在這個行業(yè)里面已經(jīng)被廣泛接受。由于這個經(jīng)驗公式已經(jīng)在大量國內(nèi)外項目上使用，有這樣的支持，這個提供結(jié)構(gòu)膠設(shè)計的經(jīng)驗公式一直沒有改變過，成功地在各種環(huán)境條件下使用了10多年。另外一方面，這個公式計算出來的結(jié)構(gòu)膠寬度擁有非常高的安全系數(shù)，在這個行業(yè)里面也是無庸置疑的。

　　在現(xiàn)在的建筑設(shè)計中，為了減少浪費并且提供具有親和力的設(shè)計和建筑材料，合理設(shè)計和價值工程的概念已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。設(shè)計師和各種材料供應(yīng)商現(xiàn)在有責(zé)任采取行動來平衡合理設(shè)計安全系數(shù)，提高材料質(zhì)量，而并不是建筑質(zhì)量跟隨項目預(yù)算那么不確定。

　　當(dāng)然結(jié)構(gòu)膠的設(shè)計和使用也沒有例外。為了取得這個平衡，結(jié)構(gòu)膠寬度的設(shè)計也需要經(jīng)歷價值工程概念的審核。因此，假如結(jié)構(gòu)膠寬度的設(shè)計公式帶來了材料過份的，不必要的浪費，那我們就必須對于這個公式進(jìn)行重新審核。為了進(jìn)行重新審核，我們必須分析一下現(xiàn)在的經(jīng)驗公式。結(jié)構(gòu)膠的寬度計算是由一個函數(shù)組成，這個函數(shù)包括建筑設(shè)計風(fēng)壓（DWL）,較長短邊長度（W）和結(jié)構(gòu)膠的設(shè)計強(qiáng)度（SDS）。這3個參數(shù)的數(shù)值，已經(jīng)成為提供合理安全設(shè)計的障礙物。讓我們一個一個地來分析。

　　建筑設(shè)計風(fēng)壓（DWL）,是根據(jù)建筑物的相應(yīng)地理位置上所受到的風(fēng)壓力，同時也根據(jù)建筑能夠抗拒多少年一遇的災(zāi)害性氣候，比如10年，50年，甚至100年。設(shè)計風(fēng)壓是跟應(yīng)用在該項目上所選擇的使用期限有聯(lián)系。大多數(shù)的設(shè)計是在歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上選取的。

　　在公式中的較長短邊長度（W），是選取該項目上非常大玻璃板塊的短邊長度。這個模式是假設(shè)在項目上所使用的玻璃板塊的尺寸都是非常大的，這個假設(shè)也是較苛刻的。除非所有非常大尺寸的玻璃都使用，否則這個假設(shè)的安全系數(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了實際上需要的設(shè)計了。

　　結(jié)構(gòu)膠的設(shè)計強(qiáng)度（SDS），代表結(jié)構(gòu)膠在施加載荷的情況下允許的非常大強(qiáng)度。在結(jié)構(gòu)裝配已開始，20psi或者140Kpa已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用和接受。但在建筑膠行業(yè)里面，大多數(shù)的結(jié)構(gòu)膠都能夠大大超越這個數(shù)值，一般來說都能夠達(dá)到4-8倍的安全系數(shù)。為了滿足不標(biāo)準(zhǔn)化的施工條件，質(zhì)量控制，施工工藝和控制產(chǎn)品差異的需求，提供一個合理的安全系數(shù)是非?；竞捅匾?。然而，建立在3個參數(shù)基礎(chǔ)上的安全系數(shù)，往往超過了結(jié)構(gòu)膠寬度真實的需求。具有諷刺意義的是，很多人認(rèn)為更大的結(jié)構(gòu)膠寬度能夠帶來更多的安全系數(shù)，相反，當(dāng)結(jié)構(gòu)膠寬度過大的時候反而會引起一些操作上的失誤。一般來講，對于單組份結(jié)構(gòu)膠，寬度超過15mm已經(jīng)是比非常大的了。較小厚度的結(jié)構(gòu)膠節(jié)點，在大寬度的時候是很難注入節(jié)點里面的，即使是有經(jīng)驗的工人和使用較好的打膠機(jī)也不例外。另外，一個非常大寬度帶來可能或不可避免的疑慮是當(dāng)注膠的時候可能會有大量氣泡帶入或者空氣不能排除，這些氣泡或空氣的進(jìn)入，明顯的較少了結(jié)構(gòu)膠之間或結(jié)構(gòu)膠和玻璃，型材間的接觸，從而導(dǎo)致強(qiáng)度的減弱。

　　當(dāng)時用經(jīng)驗公式計算出的結(jié)構(gòu)膠寬度大于15mm時，我們有3種方法來對工程項目進(jìn)行重新核對，在不影響設(shè)計安全的情況下，檢查這么大寬度的結(jié)構(gòu)膠是否真的需要。

　　1.梯形承載的計算方法

　　這種方法被認(rèn)為比較準(zhǔn)確地反映了在玻璃上的受力情況。使用這種方法計算時，建筑設(shè)計風(fēng)壓(DWL),較長短邊長度（W）,結(jié)構(gòu)膠設(shè)計強(qiáng)度(SDS)都沒有改變，同時也不會減少他們的安全系數(shù)。這種方法就是比經(jīng)驗公式更加合理的分配施加在玻璃上的載荷。

　　為了更加簡便的分析，我們假設(shè)施加在玻璃上的載荷是由兩個對邊的結(jié)構(gòu)膠來承受（比方說A和C），見下圖。另外兩個對邊(B和D)沒有任何限制并且對于風(fēng)壓不提供任何支撐。在大多數(shù)兩邊結(jié)構(gòu)的裝配中，B和D部分或者使用鋁框格，或者壓平修整，這樣一來兩邊結(jié)構(gòu)的裝配就變成了四邊結(jié)構(gòu)。另外兩邊(B和D)受到的強(qiáng)度需要在使用鋁框格的時候計算強(qiáng)度是否滿足。

　　同時，在工程學(xué)上面使用梯形承載計算方法是比較常用的，這種現(xiàn)實的承載方式能夠具體分配在玻璃上的載荷。一般這種方法比較適合長寬比在2：1的時候。見下圖。

　　下面的一個案例是傳統(tǒng)設(shè)計方法和梯形設(shè)計方法的比較，分別得出不同的結(jié)構(gòu)膠寬度。使用這種合理的設(shè)計方法，可以在不變的設(shè)計安全情況下減少結(jié)構(gòu)膠的寬度。

　　2.增加結(jié)構(gòu)膠設(shè)計強(qiáng)度,SDS

　　在第二種可選擇的方案中，把基本的計算方法中結(jié)構(gòu)膠設(shè)計強(qiáng)度SDS提高，增加到整個行業(yè)可以接受的范圍里面，而不是以往的20psi或140kpa。ASTM C-1135是測試結(jié)構(gòu)膠在各種環(huán)境條件下的試驗方法，其中規(guī)定在各種條件測試下得出的較小拉伸強(qiáng)度為50psi或者是345kpa，所有的結(jié)構(gòu)膠測試出來的數(shù)據(jù)都大大超過這個范圍。相比結(jié)構(gòu)膠的設(shè)計強(qiáng)度（20psi或140kpa），都可以達(dá)到至少2.5倍的安全系數(shù)。當(dāng)測試ASTM C1135的時候，大多數(shù)的結(jié)構(gòu)膠都能夠給出超過100psi或者690kpa的非常大拉伸強(qiáng)度，從而給出了一個更加安全的設(shè)計結(jié)構(gòu)。對于個別案例，在需要的時候結(jié)構(gòu)膠的生產(chǎn)廠家可以給出一個相比傳統(tǒng)公式更加高的設(shè)計強(qiáng)度。在這種案例中，需要有大量的實驗數(shù)據(jù)來證明結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)品的實際非常大拉伸強(qiáng)度，提供一個可靠的，可以接受的安全數(shù)據(jù)來滿足項目的要求。

　　中國的幕墻標(biāo)準(zhǔn)JC/T102-2003中，允許的結(jié)構(gòu)膠設(shè)計強(qiáng)度已經(jīng)更改為28.5psi或者是200kpa，現(xiàn)在已經(jīng)在所有國實情墻項目上應(yīng)用。下面的一個案例是使用中國新的規(guī)范和傳統(tǒng)設(shè)計方法的比較。當(dāng)使用這種合理的設(shè)計方法時，是用減少的安全系數(shù)來增加結(jié)構(gòu)膠的設(shè)計強(qiáng)度SDS，這種方法必須得到相關(guān)設(shè)計師，業(yè)主，結(jié)構(gòu)膠生產(chǎn)廠家的認(rèn)可。

　　3.綜合拉伸和剪切強(qiáng)度的作用

　　這種結(jié)構(gòu)，注入結(jié)構(gòu)膠不單單應(yīng)用在玻璃板片的背后，而且在玻璃的四周也同時注入，固化以后形成L型的節(jié)點，那結(jié)構(gòu)膠所產(chǎn)生的作用實際上是綜合了拉伸和剪切的強(qiáng)度，為A和B兩個部分，如圖所示。

　　基本的結(jié)構(gòu)膠計算方式可以用來計算A和B共同作用下結(jié)構(gòu)膠的寬度。對于A部分來說，結(jié)構(gòu)膠所承受的強(qiáng)度已經(jīng)在前面介紹過了。而對于B部分來講，是在玻璃受到風(fēng)壓的時候表現(xiàn)出來的剪切力，ASTM C-961是用來測量結(jié)構(gòu)膠剪切力的強(qiáng)度，可以用來確定結(jié)構(gòu)膠表現(xiàn)出來的強(qiáng)度。

　　假如結(jié)構(gòu)膠的剪切強(qiáng)度能夠達(dá)到或大于100psi或690kpa,我們可以討論得出對于B部分，同樣可以使用20psi(140kpa)作為剪切強(qiáng)度的設(shè)計強(qiáng)度，也擁有至少5倍的安全設(shè)計。從下面的計算案例可以看到，單單使用A部分強(qiáng)度的計算結(jié)果和同時使用A和B部分共同作用下的計算方法。當(dāng)結(jié)構(gòu)膠剪切力存在的時候，同樣可以看作結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)生的一種抗拒力，這樣結(jié)構(gòu)膠寬度就能夠明顯的減少。但要注意，不管什么情況下，A部分結(jié)構(gòu)膠的較小寬度要達(dá)到6mm。

　　在開始的時候，較理想的還是選用基本的經(jīng)驗公式來計算結(jié)構(gòu)膠的寬度，當(dāng)然可以利用上面任何一種計算方式對結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新審核。比較適合的規(guī)則當(dāng)然是在寬度小于15mm的時候選用基本的計算方法，當(dāng)出現(xiàn)大于15mm的寬度是，可以請教設(shè)計師，技術(shù)工程師，甚至是硅膠生產(chǎn)廠膠來評估選用比較合適的計算方式。幕墻工程的安全責(zé)任依靠設(shè)計師，幕墻公司和硅膠的生產(chǎn)廠家加入到節(jié)點設(shè)計和施工操作上。同時保證安全還是首要的任務(wù)。

　　以上提出的幾種重復(fù)計算方法都能夠有效的減少結(jié)構(gòu)膠的寬度?，F(xiàn)在需要大家共同認(rèn)識到這種合理的設(shè)計理念，既有效的減少材料的浪費，同時又維護(hù)公共安全的責(zé)任。