硅酮结构胶的修正分析

硅酮结构胶的修正分析
1、引言
硅酮结构胶是一种中性固化、专为建筑幕墙中的结构粘结装配而设计的。

可在很宽的气温条件下轻易地挤出使用，依靠空气中的水分固化成优异、耐用的高模量、高弹性的硅酮橡胶化工制品，其最早的配方是在航天领域中使用。

随着中国经济的发展，高层、超高层建筑在中国大陆已经俯拾即是，无论这些建筑的外立面造型多么复杂多变，在外墙的设计上基本都采用了玻璃幕墙这个形式作为首选方案，由此可见玻璃幕墙的优点相对突出，至今尚无其他最终可替代产品形式。

2、问题提出
在玻璃幕墙中，隐框，半隐框形式因其立面简洁通透普遍为业主、建筑师所使用。

不同于由外露的金属构件（盖板，压板，或点式驳接头）固定玻璃面板，隐框半隐框系统使用结构胶对面板与框架固定，因此硅酮结构胶的结构安全至关重要。

《玻璃幕墙工程技术规范JGJ 102-2003》规定了结构胶粘接宽度及厚度的计算公式。

其中，硅酮结构胶厚度，规范给出的计算公式为：
（JGJ102-2003 5.6.5-1）
（JGJ102-2003 5.6.5-2）
式中ts——硅酮结构密封胶的粘接厚度（mm）；
us——幕墙玻璃的相对于铝合金框的位移（mm），由主体结构侧移产生的相对位移可按（5.6.5-2）式计算，必要时还应考虑温度变化产生的相对位移；
——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）；
hg——玻璃面板高度（mm），取其边长a或b；
——硅酮结构密封胶的变位承受能力，取对应于其受拉应力为0.14N/mm2时的伸长率。

3、改进公式推导
按公式（JGJ102-2003 5.6.5-2）中的描述，玻璃相对铝合金框相对位移图如下，见（图1）：
图1 玻璃相对铝合金框相对位移图
Fig.1 Glass relative aluminum alloy frame relative displacement
即下端结构胶无变形，上端变形最大为us，侧边结构胶变形与高度成正比，上部结构胶整体变形us。

此时对玻璃进行受力分析（图2），显然玻璃在水平方向受力不平衡。

在实际工程中隐框幕墙玻璃左右无机械约束，不能提供水平方向的支撑。

玻璃必然在结构胶拉力下位移，最终达到平衡状态，这样图2的受力形态是是一个不稳定状态。

依据能量平衡原理，此状态必然要进行一种“能量转移”并达到平衡。

能量变化趋势演化过程采用图解的方式进行分析，见图3，图4。

图2 玻璃受力分析图
Fig.2 Analysis diagram of glass acting forces
位移转化如下：
图3 位移转化图
Fig.3 Displacement transformation
转化后的玻璃受力图如下，见图4：
图4 位移转化后玻璃受力图
Fig.4 Analysis diagram of glass acting forces with displacement transformation 玻璃在外力作用下达到平衡状态，此时玻璃相对铝合金框位移为0.5·us。

因此，公式（JGJ102-2003 5.6.5-2），us=θ·hg 应为：
us =0.5θ·hg （修订公式1）
对于图4，由胶体拉力对玻璃的不平衡力矩，先由垫块的支反力及重力提供平衡，如仍不平衡，玻璃将发生平面内转动，转动的结果进一步减小了玻璃与铝合金框的相对位移，结构胶变形会更小，因此修订公式1是相对安全的。

4、改进公式的补充说明
由于《规范》中明确，必要时还应考虑温度变化产生的相对位移。

这里我们对温度变化也进行一下简要的分析，分析方式依然采用图示法，硅酮结构胶变形：△L=铝合金框变形-玻璃变形，△L为铝合金框温度变化与玻璃温度变化产生的相对位移，详细分析如下图，图5：
图5 温度作用下的相对位移
Fig.5 Relative displacement under temperature loading
分析原理与本论文中2中一致，玻璃在采用硅酮结构胶的粘接作用下并无其他支撑或约束，因此两侧的温度变形必然要达到平衡，因此图5中的形式要到达一种稳定的平衡状态，其将转化为如下状态，见图6：
图6 温度作用下的平衡状态
Fig.6 The equilibrium state under the temperature loading
此时，结构胶变形=0.5△L=0.5（铝合金框变形-玻璃变形），但是对于竖向变形，因玻璃下端支撑，向下变形受到约束，这时将不能再考虑0.5的系数。

对于玻璃通过硅酮结构胶粘接副框，再与框架固定的情况，us（还应减去副框相对框架的容许变形尺寸，本文将不展开论述。

通过上述分析可见，在不影响硅酮结构胶安全的前提下，可以将结构胶计算厚度减少一半，这将大大提高工程的经济性，降低工程成本造价。

5、算例分析
以高度3000mm玻璃为例，主体结构的楼层弹性层间位移角限值：θ=1/550（框架结构）：结构硅酮密封胶的温差变位承受能力：0.125mm，us=θ·hg =3000/550=5.45mm
原《规范》公式：ts=10.57mm，而使用（修订公式1），则us=2.73mm，ts=5.28mm，按规范取6mm即可。

节省硅酮结构胶近45%，可见其经济性能十分显著。

结论
本文作者通过对硅酮结构胶计算公式的理论分析，提出了硅酮结构胶的修正公式，其受力状态与现实情况一致（也满足“广义能量法”的原理）。

通过算例分析清晰地描述了此修正公式能够带来的直接经济效益，因此我们极力呼吁尽快对《规范》中旧有公式进行修正，从而更好的提高对建筑幕墙相关材料的利用率，进而满足当下的绿建发展方向要求。

参考文献
[1] 中华人民共和国建设部.JGJ 102—2003 玻璃幕墙工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.
[2] 刘鸿文材料力学第5版[M] 北京：高等教育出版社，2011。