負風壓下結構密封膠對隱框幕墻力學行為的影響

　　隱框玻璃幕墻在服役過程中需要承受來自外界的許多方面的載荷，其中風荷載和溫度荷載是最為重要的兩部分[1]｡風載荷可以分為正風載荷和負風載荷，即正風壓和負風壓｡負風壓是指建筑物在風力作用下形成的室內(nèi)壓力大于室外壓力的力學狀態(tài)，通常出現(xiàn)在建筑物的背風面或轉角部分｡當幕墻承受正風壓時，各傳力載體所受應力為壓應力，而負風壓時，各傳力載體承受應力為拉應力，對材料的力學性能和結構構造要求高[2，3]｡因此，實際的隱框幕墻工程由于負風壓導致玻璃面板脫落的事件屢見不鮮｡但是，在正負兩種不同的風壓加載條件下，幕墻本身的承載能力是否有所區(qū)別，卻鮮有人進行研究｡對于密集的建筑群所形成的特定風場來說，負風壓已成為隱框幕墻使用過程中的一項重要載荷，而目前的幕墻設計規(guī)范[4]中采用的靜力等效原則，未考慮負風壓對幕墻系統(tǒng)承載能力的影響，這將影響幕墻系統(tǒng)在今后的正常使用｡

　　本文將負風壓下隱框幕墻的力學行為作為研究對象，研究了隱框幕墻玻璃面板在不同的結構密封膠粘接寬度下的應力和撓度變化規(guī)律，分析了結構密封膠粘接寬度對玻璃面板承載能力和抗彎能力的影響｡通過正風壓和負風壓實驗數(shù)據(jù)的比較，得出隱框幕墻在負風壓條件下更容易破壞的根本原因｡本文作為隱框玻璃幕墻力學行為的基礎研究，必將為日后的幕墻規(guī)范修訂提供參考依據(jù)｡

　　隱框玻璃幕墻試件（玻璃-結構膠-鋁合金副框）中玻璃面板尺寸為1000mm×1000mm，厚度為6mm，為單片鋼化玻璃｡硅酮結構膠幾何尺寸分為9mm×8mm､12mm×8mm和15mm×8mm三種，對應的幕墻試件編號分別為1#､2#､3#｡試驗采用正壓加載（負風壓）方式，將隱框玻璃幕墻試件放在一個方形的實驗架子上，通過不銹鋼六角螺栓將試件用壓塊緊固｡實驗架子的一側連接空壓機，同時還安裝有微壓表，通過對空壓機的調(diào)節(jié)對試件施加均布載荷｡應變的測量采用在玻璃上粘貼應變片得到｡撓度的測量采用量程為10mm的百分表得到｡隱框幕墻玻璃應變測量位置如圖1所示｡

　　圖1中測點1~5為應變片粘貼位置，各測點均位于隱框幕墻玻璃面板的對角線上｡

　　圖2為負風壓均布荷載施加歷程曲線｡加載歷程分0.5kPa､1.0kPa､1.5kPa和2.0kPa四個過程｡

　　在各加載歷程，分別采集玻璃面板表面測點1~5的應變數(shù)據(jù)及中心測點5和邊緣測點6的撓度數(shù)據(jù)｡測點6位于玻璃面板中心對稱軸的最邊緣位置，用于測量結構密封膠的撓度變化，測點6的位置在圖1中未標出｡通過所測得的應變數(shù)據(jù)計算相應測點的最大主應力｡

　　3.1 數(shù)據(jù)處理

　　在負風壓加載的條件下，分別測量了結構密封膠幾何尺寸分為9mm×8mm､12mm×8mm和15mm×8mm三個隱框幕墻試件在各加載歷程下的應變和撓度，測試環(huán)境溫度為25e｡根據(jù)相關公式和測點1~5的應變數(shù)據(jù)，計算相應測點的主應力數(shù)值[5]｡

　　3.2 測試結果

　　圖3~5分別是三個隱框幕墻試件中玻璃面板各測點的最大主應力曲線和最大撓度曲線｡

　　從圖3可以看出，隱框幕墻試件在承受負風壓時，無論結構密封膠的粘接寬度為何值，玻璃面板對角線上最大主應力的分布均呈線性分布｡在對角線方向的測點1~5中，邊緣測點1始終為最小主應力測點，中心測點5始終為主應力最大值測點｡對比圖3a，3b和3c，發(fā)現(xiàn)圖3b和圖3c更為類似，圖3a的應力分布與圖3b和圖3c差異較大｡圖3a中各測點的應力差值較大，不存在應力近似測點｡觀察圖3b和3c，發(fā)現(xiàn)雖然測點5的主應力值最大，但其主應力值與測點4的主應力值相差很小｡

　　圖4表明，三個隱框幕墻試件在承受負風壓時，對角線方向各測點的最大主應力值均隨風壓值的增加呈線性增加｡觀察圖4a，4b和4c，發(fā)現(xiàn)越是靠近板中心的測點，其應力值受風壓變化的影響越大，也就是說，靠近板中心測點的應力增長梯度高于邊緣測點｡但是，圖4b和圖4c中的測點4和測點5的最大主應力值非常接近｡考慮玻璃面板的尺寸為1000mm×1000mm，玻璃面板本身為軸對稱性質，那么在其他的三條玻璃面板對角線上也會有相同的現(xiàn)象存在｡那么，當隱框幕墻試件2#和試件3#承受負風壓時，玻璃面板對角線上的測點4和測點5之間的環(huán)形區(qū)域為整個玻璃面板上應力梯度最小的區(qū)域，同時也是整個玻璃面板上的最大應力區(qū)域｡雖然圖4a中測點4和測點5的應力相差較大，但是測點4和測點5之間的環(huán)形區(qū)域仍是整個玻璃面板最大應力區(qū)域｡

　　在不同風壓加載歷程以及不同的結構膠粘接寬度條件下，觀察幕墻試件玻璃面板上的撓度變化，發(fā)現(xiàn)中心測點5始終為撓度最大值測點｡將三種不同結構膠粘接寬度條件下的玻璃面板中心測點5的撓度值繪制成圖如圖5所示｡觀察圖5，發(fā)現(xiàn)三個撓度曲線比較接近｡當負風壓為0.5kPa時，幕墻試件1#的玻璃面板撓度值為三個幕墻試件中的最大撓度值｡當風壓高于0.5kPa時，幕墻試件3#的玻璃面板撓度值高于幕墻試件1#的撓度值，成為三個幕墻試件中的最大撓度值｡這說明，通過增加結構密封膠的粘接寬度，并不能夠提高隱框玻璃幕墻在負風壓下的抗彎性能｡此外，在一定的風壓條件下，減小粘接寬度對于隱框玻璃幕墻的影響有可能會小于增加粘接寬度的影響｡

　　3.3.1 負風壓加載對隱框幕墻力學行為的影響

　　通過本文中實驗數(shù)據(jù)與隱框幕墻試件在正風壓加載條件下的數(shù)據(jù)比較[6]，發(fā)現(xiàn)隱框玻璃幕墻的核心結構玻璃面板-結構密封膠-鋁合金副框決定了其在承受負風壓時，承載能力和抗彎能力的下降｡這在以往的研究中，被人們所忽略｡當然，隱框幕墻整體在承受負風壓時，要求各構件具備更好的力學性能和結構構造，也是隱框幕墻在負風壓下容易破壞的一個原因｡但是，如何通過提高玻璃面板-結構密封膠-鋁合金副框這種結構本身的力學性能，才是提高負風壓下隱框幕墻質量的根本所在｡

　　3.3.2 結構密封膠對負風壓下隱框幕墻受力狀態(tài)的影響分析

　　通過對三個幕墻試件的測試，發(fā)現(xiàn)玻璃面板邊緣測點1始終為主應力最小值，且三個幕墻試件的五個測點中，測點1的應力值相差較小，這說明結構密封膠粘接寬度的變化對隱框幕墻玻璃面板的邊緣部分影響較小｡此外，中心測點5始終為主應力最大值測點，這說明結構密封膠粘接寬度的變化不能影響隱框幕墻玻璃面板的最大應力分布｡但是，結構密封膠粘接寬度的不同造成了三個幕墻試件玻璃面板上各測點的最大主應力值的差異｡通過以上分析，可以說明結構密封膠作為隱框幕墻的一種支承條件，不能影響隱框玻璃幕墻在負風壓條件下的根本力學行為，支承條件的不同決定了隱框玻璃幕墻的承載能力和抗彎性能的差異｡

　　3.3.3 粘接寬度對隱框幕墻承載能力的影響分析

　　對比圖3中a､b､c三圖，發(fā)現(xiàn)幕墻試件1#在各風壓加載歷程下的最大主應力值均為三個幕墻試件中的最大值，而幕墻試件3#的最大主應力值次之｡這說明，一味的追求結構膠粘接寬度的增大，并不一定會提高隱框幕墻在負風壓下的承載能力｡

　　三個幕墻試件在不同加載歷程下的主應力最大值如表1所示｡比較幕墻試件1#和試件2#，發(fā)現(xiàn)兩者之間最大主應力的差值隨著風壓的變化先增大后減小｡在風壓值為1.0kPa時，兩幕墻試件的應力差值最大｡幕墻試件2#和幕墻試件3#的應力差值的變化亦是如此｡

　　從圖3和表1中可以看到隨著結構密封膠粘接寬度的增大，幕墻試件玻璃面板的主應力先減小后增大，5kPa除外｡這說明，對于既定尺寸的隱框玻璃幕墻，結構密封膠粘接寬度存在一個最優(yōu)值｡幕墻試件2#的粘接寬度12mm也只是根據(jù)JGJ102-2003的經(jīng)驗公式計算得到，并沒有人通過理論計算或模型模擬來驗證其是否為最優(yōu)值｡

　　3.3.4 粘接寬度對隱框幕墻抗彎能力的影響分析

　　根據(jù)JGJ102-2003，計算尺寸為1000mm×1000

mm的玻璃面板能夠到達的最大應力和撓度｡三個幕墻試件測試中測量到的各加載歷程的最大撓度值與根據(jù)JGJ102-2003計算的撓度值如表2所示｡

　　從表2可以看出，幕墻試件2#在各加載歷程的撓度值相對試件1#均有所降低，而幕墻試件3#的各撓度值反而比試件1的撓度還要大，0.5kPa時除外｡這說明，結構密封膠對于玻璃面板抗彎性能的影響并非是隨著尺寸的增加而性能更加良好，而是有一個粘接寬度最優(yōu)值的存在｡

　　通過幕墻試件在負風壓下所測量到的最大撓度與根據(jù)JGJ102-2003所計算的最大撓度對比，發(fā)現(xiàn)玻璃面板在負風壓加載方式下所測量到的撓度均大于計算所得的撓度值｡JGJ102-2003采用靜力等效的原則來計算玻璃面板的應力值和撓度值，忽略了負風壓對于隱框幕墻力學行為的影響，這必將對隱框玻璃幕墻在實際中使用造成巨大影響｡

　　本文從負風壓加載的角度出發(fā)，考察了不同結構膠粘接寬度對于隱框玻璃幕墻力學行為的影響，通過實驗數(shù)據(jù)的分析比較，得出了以下幾點結論：

　�。�1）核心結構玻璃面板-結構密封膠-鋁合金副框決定了隱框玻璃幕墻在承受負風壓時承載能力和抗彎能力的下降；

　　（2）結構密封膠作為隱框幕墻的一種支承條件，不能影響隱框幕墻在負風壓條件下的根本力學行為，但是，支承條件的不同決定了隱框幕墻的承載能力和抗彎性能的差異；

　�。�3）隱框幕墻的力學性能同結構密封膠粘接寬度之間的關系并非簡單的線性關系，粘接寬度存在一個最優(yōu)值；

　�。�4）隱框幕墻試件在負風壓下測量得到的撓度值，均大于根據(jù)JGJ102-2003計算所得的撓度值，JGJ102-2003在撓度和應力計算中忽略了負風壓的影響，造成了隱框幕墻先天的不足，亟需修訂｡