粘弹性力学在超高层建筑幕墙的应用

1、粘弹性力学在超高层建筑幕墙的应用发布时间：2011-06-01【作  者】：龙文志【摘  要】：广州西塔幕墙是迄今为止世界上最高的隐框玻璃幕墙，2008年笔者作为广州西塔幕墙技术顾问（技术顾问的协议见附件）解决了一些技术难题。广州西塔幕墙已经峻工二年多，目前为止工程情况良好，当时存在不少疑虑并产生激烈的争论的一些技术问题初步经受住了实际的考验。鉴于“十二五”后中国将有数百座300m以上超高层建筑幕墙，笔者愿将以前曾参与国内外数十座超高层建筑幕墙技术顾问或技术咨询期间解决超高层建筑幕墙一些技术问题的研究成果陆续公开发表，从理论和实践结合上探讨和总结超高层建筑幕墙的经验和教训，

2、也许能作为今后超高层建筑幕墙设计与施工的参考。    广州西塔隐框玻璃幕墙是否采用高效能硅酮结构胶？就是当年的有争议的新技术之一，依据粘弹性力学基本原理，对隐框玻璃幕墙结构胶进行了应变-时间和应变-应力分析；论述高性能结构胶的可行性、可靠性和耐久性，是粘弹性力学在超高层建筑幕墙的一次成功应用。 【关键词】：粘弹性、蠕变与松弛、普弹形变、高弹形变、粘流、串并联模型、短期荷载、永久荷载、强而韧的应力应变曲线，高性能结构胶。     前  言    隐框玻璃幕墙诞生于上世纪七十年代

3、，上世纪九十年代引入中国后,人们就对那仅仅用一层胶将玻璃固定在框架上的作法一直存在种种疑虑 ,甚至形容为城市上空的 “定时炸弹 ”。以白云、之江、硅宝为代表的中国结构胶企业和广大技术工作者，在引进、消化国外结构胶技术基础上开发了国产硅酮结构胶，促进了隐框玻璃幕墙在中国高速发展。通过近二十年在中国上万座隐框玻璃幕墙工程应用，实践表明隐框玻璃幕墙不是城市上空的 “定时炸弹 ”，中国硅酮结构密封胶性能稳定,耐老化,可满足关于玻璃幕墙设计使用年限25年的要求，不亚于甚至优于国外某些硅酮结构胶，用中国的结构胶的隐框玻璃幕墙也不是城市上空的“定时炸弹 ”。    中国的隐框玻

4、璃幕墙发展对结构胶的力学性提出了超出了现有水平的更高要求，市场迫切需要新技术、新材料、新工艺的推出来解决这些问题。以白云、之江、硅宝为代表的中国结构胶企业和幕墙企业技术工作者应运市场的要求，总结中国广大工程经验，研究开发成功了中国式的“高性能硅酮结构密封胶”，己在不少隐框玻璃幕墙工程上应用，又引发了高性能硅酮结构密封胶在隐框玻璃幕墙、尤其是超高层建筑幕墙应用的疑虑。     广州西塔幕墙是迄今为止世界上最高的超高层隐框玻璃幕墙，2008年笔者作为广州西塔幕墙技术顾问解决了一些技术难题。广州西塔幕墙已经峻工二年多，目前为止工程情况良好，当时存在不少疑虑并产

5、生激烈的争论的一些技术难题初步经受住了实际的考验。鉴于“十二五”后中国将有数百座300m以上超高层建筑幕墙，笔者愿将以前曾参与国内外数十座超高层建筑幕墙技术顾问或技术咨询期间解决超高层建筑幕墙一些技术难题的研究成果陆续公开发表，从理论和实践结合上探讨和总结超高层建筑幕墙的经验和教训，也许能作为今后超高层建筑幕墙设计与施工的参考。                       2010年4月

6、广州西塔                    2010-11广州亚运会 西塔     广州西塔隐框玻璃幕墙是否采用高效能硅胶）为粘弹性材料，结构胶在隐框玻璃幕墙结构中几何和力学特性研究归属粘弹性力学。当酮结构胶？就是当年的技术难题之一，也是争议的焦点之一。硅酮结构胶（以下简称结构年依据粘弹性力学基本原理，对隐框从理论和实际上论证了高性能结构胶在广州西塔超高层隐框玻璃

7、幕墙应用的可行性、可靠性和耐久性，在业主、金粤及白云公司共同努力下，经过多次专家审仪鉴定，并取得建设部建标新核准(A2-2008)行政许可，广州西塔隐框玻璃幕墙终於采用了广州白云高效能硅酮结构胶，这个迄今为止世界上最高隐框玻璃幕墙经过二年多的实际检验，也经受了台风的考验，目前为止工程情况良好。是粘弹性力学在超高层建筑幕墙的一次成功应用。本文是依据粘弹性力学基本原理，简要分析隐框玻璃幕墙结构胶的应变-时间和应变-应力效应，浅析粘弹性力学在隐框玻璃幕墙结构胶的应用，探讨高性能结构胶的可行性、可靠性和耐久性。    （一）广州西塔隐框玻璃幕墙使用高效能硅酮结构胶

8、0;   11现有规范、标准规定的硅酮结构胶不能满足广州西塔隐框玻璃幕墙使用要求：    1)玻璃幕墙工程技术规范JgJ102-2003规定：    5.6.1硅酮结构密封胶的粘接宽度应符合本规范第5.6.3或5.6.4条的规定，且不应小于7mm；其粘接厚度应符合本规范第5.6.5条规定，且不应小于6mm。硅酮结构密封胶的粘接宽度宜大于厚度，但不宜大于厚度的2倍。隐框玻璃幕墙的硅酮结构密封胶的粘接厚度应大于12mm。    2）建  筑  幕  墙GB/T

9、 21086-2007规定：    f)玻璃幕墙应硅酮结构密封胶的厚度，厚度尺寸应通过计算确定，结构胶厚度不宜小于6mm且不宜大于12mm，其宽度不宜小于7mm且不大于厚度的2倍。    硅酮结构密封胶，硅酮密封胶同相粘接的幕墙基材、饰面板、附件和其他材料应具有相容性随批单元件切割粘结性达到合格要求。    12 一般荷载情况，硅酮结构胶拉伸强度值为0.6N/m2 条件下，按照现有规范进行设计计算，硅酮结构胶宽度和厚度通常可以规范、标准的要求，但遇到下列情况时，硅酮结构胶拉伸强度值为0.6N/m2 条件下

10、，按规范、标准规定设计计算硅酮结构胶宽度和厚度往往超过了以上的限制。    a）高层、超高层建筑的隐框玻璃幕墙;    b）玻璃板块、分格特别大的隐框玻璃幕墙;由于节能、安全等方面的要求，要使用夹层中空玻璃的隐框玻璃幕墙;    c）在抗震9度设防的地区建造的隐框玻璃幕墙;    d）其他对幕墙安全性要求较高的隐框玻璃幕墙。    13广州西塔隐框玻璃幕墙工程为例：    W合=6.674kN/m2 

11、60; （WK=-4.623Kpa）    a=1500mm,b=4500mm，qG=0.72×1.35kN/m2    若按玻璃幕墙工程技术规范JGJ102-2003规定计算：(f1=0.2N/m2，f2=0.01N/m2。)    则有：风荷载作用下的胶宽：    自重作用下的胶宽：     胶厚：    解决方案为增加硅酮结构胶粘接宽度或增加硅酮结构胶拉伸强度。  

12、60; 1.4粘结宽度过大的影响：    结构胶粘结宽度的变化影响，从固化情况、粘结性、拉伸强度及延伸率方面进行试验验证。制样及性能测试按国家标准GBI67762005规定要求，采用国家标准GB/T134772002相应方法进行检测。试验基材为阳极氧化铝材及普通浮法白玻(公称厚度为8mm)，H试件标距为12mm，结构胶样尺寸分别为50mm x 12mmx12mm、50mmx33mmx12mm、50mmx 48mmx12mm。试验用密封胶为白云牌双组分硅酮结构密封胶。试件于标准条件下放每隔一定时间(7d, 14d、41d)取出I组测试。试验结果如下表1。 

13、   由表1可见，粘结宽度过大    a)在相同养护时间的情况下，结构胶强度有所下降;    b)在相同养护时间的情况下，粘结性能也有所下降;    c)要达到硅酮结构胶拉伸强度值为0.6N/M2结构胶的养护时间，国内外均未见试验及工程应用报导。    d)结构胶的粘结宽度、厚度过大严重影响幕墙的视觉效果，也会影响结构胶的粘结和力学性能，养护时间不清，铝材耗费量的增加，增加幕墙建造的成本。    1.5现行国家标准建筑用硅酮结

14、构密封胶GB16776规定：硅酮结构胶拉伸强度值不低于0.6N/mm2，增加硅酮结构胶拉伸强度值虽符合GB16776规定，但不符合玻璃幕墙工程技术规范JGJ102-2003强制条款。在广州西塔的超高层建筑上进行大荷载下减小隐框玻璃幕墙粘结尺寸的尝试，国内属首次，国际上也未见先例，增加硅酮结构胶拉伸强度需要从理论高度论证技术可行性，又要从试验验证实可能性，在此基础上需要按照“采用不符合工程建设强制性标准的新技术、新工艺、新材料核准”行政许可实施细则的通知（简称“三性核准”）建标2005124号文进行“三性核准”。    16广州西塔高性能结构胶专题技术论证会会议纪要

15、：    2008年4月21日由广东省建设厅组织的“广州珠江新城西塔项目采用白云牌SS922超高性能硅酮结构密封胶，提高结构胶强度设计值”专题技术论证会在广州召开。到会的专家有：郑金峰、赵西安、龙文志、杨仕超、姜仁、闭思廉、莫英光、花定兴。广东省建筑科学研究院、建设单位、深圳金粤幕墙装饰工程有限公司，与会专家经过认真讨论，论证意见如下：    1、提供论证的资料齐全，符合采用不符合工程建设强制性标准的新技术、新工艺、新材料核准的要求。    2、经国家建筑材料工业建筑防水材料产品质量监督检验测试中心检测，

16、白云牌SS922高性能硅酮结构密封胶的性能符合广州市白云化工实业有限公司企业标准Q/BYHG13-2008建筑幕墙用高性能硅酮结构密封胶的要求。    3、白云牌SS922高性能硅酮结构密封胶能够满足广州珠江新城西塔项目主塔外幕墙的设计要求。    与会专家一致认为：白云牌SS922高性能硅酮结构密封胶可在广州珠江新城西塔项目主塔楼玻璃幕墙中使用。按照JGJ102-2003规范中结构胶设计参数的取值方法，可将结构胶在风荷载或地震作用下的强度设计值f1提高至0.4N/2,在永久荷载作用下的强度设计值f2提高至0.02 N/2。 

17、;   与会专家建议，中空玻璃二道密封胶亦采用白云牌SS922高性能硅酮结构密封胶，其宽度应由计算确定。    专家组组长：郑金峰    专家组副组长：龙文志、赵西安    17专题技术论证会后报呈建设部“三性核准”。    建设部以正式公开行文颁发了准予采用白云牌SS922高性能硅酮结构密封胶提高结构胶强度设计值的建设行政许可决定书编号为建标新核准(A2-2008)。原文如下：     广州越秀城建国际金融中心有限

18、公司：    经审查，你公司于2008年5月19日向本行政机关提出广州珠江新城西塔项目采用白云牌SS922高性能硅酮结构密封胶提高结构胶强度设计值的申请，符合法定条件，根据我部关于建设部机关直接实施的行政许可事项有关规定和内容的公告，本行政机关决定准予你公司行政许可。在项目实施过程中应注意：    1加强产品质量管理；    2参见各方切实履行好相关质量安全责任，加强施工过程中质量安全控制，确保工程质量和施工安全。    联系人：王果英，联系电话：01058933043

19、60;   监督电话：01058933319    该行政许可适用于广州珠江新城西塔工程，有效期为两年。    二八年八月四日    18按照建标新核准(A2-2008)文件，广州西塔隐框玻璃幕墙工程：采用拉伸粘结强度标准值大于为0.6N/m2的高性能硅酮结构胶。结构胶的短期荷载强度设计值可按标准值除以系数3.0后采用，长期荷载下强度设计值可按标准值除以系数60.0后采用。本例采用的高性能硅酮结构胶拉伸粘结强度标准值为1.0N/m2。结构胶变位承受能力可按应力一变位曲线关系中应力为0.

20、7f1时的变形值采用。    即：f1=(1.0÷3)N/m2=0.34N/m2        f2=(1.0÷60)N/m2=0.017N/m2。    风荷载作用下的胶宽：    自重作用下的胶宽：     胶厚：（二）粘弹性力学基础概念    弹性：材料恢复形变的能力，与时间无关。    粘性：阻碍材料产生形变的

21、特性与时间相关。粘弹性材料既有弹性，又有粘性。粘弹性依赖于温度和外力作用的时间。其力学性能随时间的变化，称为力学松弛，包括应力松弛、蠕变等。其力学行为介于理想弹性体和理想粘性体之间。蠕变：一定温度，恒定应力s，材料的应变e随时间的增加而增大的现象应力松驰：恒定温度形变下，材料的内应力随时间增加而逐渐衰减的现象。    线性粘弹性:粘性和弹性线性组合叫线性粘弹性。粘弹性力学只描述材料同时出现的弹性和粘性行为（简称为粘弹性），不涉及到材料的塑性效应。这是考虑粘性效应最基本的材料模型。      理想弹性体的形变与时间无

22、关，形变瞬时达到，瞬时恢复。理想粘性体的形变随时间线性发展。粘弹性体介于这两者之间，其形变的发展具有时间依赖性，也就是说不仅具有弹性而且有粘性。这种力学性质随时间变化的现象称为力学松弛现象或粘弹性现象。广义上说，松弛过程是体系（始态）从受外力场作用的瞬间开始，经过一系列非平衡态（中间状态）而过渡到与平衡态（终态）的过程，而这一过渡时间不是很短的。结构胶在低温或快速形变时表现为（普）弹性；在高温或缓慢形变时表现为粘性。    粘弹性力学围绕着四个物理量即应力、应变、温度和时间进行研究。通常是固定两个量，研究另两个量的关系（表2）。   

23、         表2粘弹性材料力学性质四参量之间的关系    对结构胶这样粘弹性材料在隐框玻璃幕墙结构上应用，也应从以上四个关系研讨。应变时间关系与应力时间关系具有等效性，隐框玻璃幕墙工程大都处于大气常温，本文从应变时间关系与应力应变关系两方面进行分析。    （三）粘弹性材料应变时间关系：（三种形变）    31普弹应变（1）：    聚合物受力时，瞬时发生的高分子链的键长、键角变化引起的应变

24、服从虎克定律，当外力除去时，普弹应变立刻完全回复。                       图2普弹应变示意图                      

25、图3普弹应变摸拟图     32高弹应变（2）：    聚合物受力时，高分子链通过链段运动产生的应变，应变与时间相关。当外力除去后，高弹应变逐渐回复。                       图4高弹应变摸拟图        

26、               图5高弹应变示意图     33粘性流动（3）：    受力时发生分子链的相对位移，外力除去后粘性流动不能回复，是不可逆形变。                     &

27、#160; 图6粘性流动示意图                       图7粘性流动摸拟图     （四）粘弹性的力学模型    41理想弹簧和理想粘壶    为了模拟粘弹性林料的粘弹行为，采用两种基本力学元件，即理想弹簧和理想粘壶（图8）   

28、 理想弹簧用于模拟普弹应变，其力学性质符合虎克（Hooke）定律，应变达到平衡的时间很短，应力与应变和时间无关。         = E         式中：为应力；E为弹簧的模量；为形变。    理想粘壶用于模拟粘性形变，其应变对应于充满粘度为的液体的圆筒同活塞的相对运动，可用牛顿流动定律描述其应力应变关系。    式中：为粘度；t为时间。   

29、; 4.2串联模型(Maxwell模型)    将弹簧和粘壶串联起来可以表征粘弹体的应力松弛或蠕变过程。      如图9所示，当模型受到了一个外力时，弹簧瞬时发生形变，而粘壶由于粘液阻碍跟不上作用速度而暂时保持原状。若此时把模型的两端固定，即模拟应力松弛中应变固定的情况，则接着发生的现象是，粘壶受弹簧回缩力的作用，克服粘滞阻力而慢慢移开，因而也就把伸长的弹簧慢慢放松，直至弹簧完全恢复原形，总应力下降为零，而总应变仍保持不变。其方程推导如下：    体系总应变是弹簧和粘壶的应变之和=弹

30、粘    弹簧与粘壶受的应力相同 =弹粘    4.3并联模型(Voigt模型)    当模型受到外力时，由于粘壶的粘性使得并联的弹簧不能迅速被拉开。随着时间的发展，粘壶逐步形变，弹簧也慢慢被拉开，最后停止在弹簧的最大形变上。除去外力，由于弹簧的回缩力，要使形变复原，但由于粘壶的粘性，使体系的形变不能立刻消除。粘壶慢慢移动，回复到最初未加外力的状态。并联模型示意图10。           

31、60;     图10并联模型    其模拟的蠕变方程为    （t）=()(1-e-t/) 3.4四元件模型(Burgers模型)     并联模型没能表现出蠕变过程刚开始的普弹形变部分和与高弹形变同时发生的纯粘流部分。串联模型能表现普弹形变和粘流形变，但不能表现高弹形变。如果将串联模型和并联模型再串联起来，构成的所谓“四元件模型”，常称为Burgers模型（图11）。      &#

32、160;        图 11 四元件模型        变形包括三部分：弹形变形1、粘流2、粘弹性变形3；它们和应力对应关系分别为：    可用拉普拉斯变换导出完整的方程为：     （五）粘弹性力学在隐框玻璃幕墙结构胶的应用分析。    51隐框玻璃幕墙结构胶短期荷载、长期荷载区分：    隐框玻璃幕墙自重荷载和风荷载在设

33、计基准期内，荷载达到和超过该值的总时间（总时间=作用次数×作用时间）T与设计基准期之比T。    T/T=1.0为永久荷载；0.5T/T1.0为长期荷载；    0.1T/T0.4为短期荷载；0T/T0.1为瞬时荷载。    5.2自重荷载为永久荷载       胶用四元件模型（1）式进行形变时间分析，           &#

34、160;    图14   四元件模型模拟的蠕变及回复曲线    隐框玻璃幕墙结构胶承受风荷载及地震作用为短期荷载的作用时间短 (t很小), （1）式中的第二    此时隐框玻璃幕墙结构胶变形与时间无关，力学性质呈弹性。粘弹性材料在极短期荷载作用下则成为弹性体，例如：飞机上的橡胶轮胎在高速下遇到外来物体的撞击会像弹性体一样破碎；粘弹性材料-结构胶在风荷载及地震作用为短期荷载作用下蠕变很不明显，按弹性材料力学分析计算是可行的。    隐框玻璃幕墙结构胶承受永

35、久荷载（例如玻璃自重），力作用时间长(t大),（1）式中的第二、三项大于第一项，当t，第二当t，第二项0/E2 <<第三项（0t/)，（1）式剩下第一项为此时材料变形与时间有关，材料力学性质呈粘性，重力作用的蠕变累积也需要相当长的时间，例如玻璃也是粘弹性材料，欧洲有几百年历史的教堂上的窗玻璃能观察到上薄下厚的变化，这说明玻璃蠕变主要是垂直地面的自重的永久荷载，而不是水平方向的风力，即使这样可观察到蠕变需要几百年的时间，这些提示了我们：隐框玻璃幕墙结构胶承受风荷载及地震作用等短期荷载时，力作用时间短 (t小), 此时隐框玻璃幕墙结构胶主要是普弹形变，结构胶宽度由风荷载及地震作用等短期

36、荷载决定的，可以采用弹性材料力学设计计算，对于承受风荷载及地震作用短期荷载的隐框玻璃幕墙结构胶忽略应变与时间影响，仅考虑普弹应变-应力关系套用概率极限状态设计方法进行设计。因而广州风荷载为西塔隐框玻璃幕墙的控制荷载，超规范将硅酮结构密封胶强度设计值f1=(0.6÷3)N/mm2=0.2N/mm2 a提高到f1=(1.0÷3)N/mm2=0.34N/mm2是可行的。    隐框玻璃幕墙在短期荷载（风荷载、地震荷载，每次作用时间短）作用下，倍增结构胶强度设计值对粘结耐久性影响与弹性材料（例如钢材）没有多大区别，工程上可忽略不计。硅酮结构胶在长期荷载

37、（自重荷载）作用下，材料粘弹性呈现为粘性，材料时间效应明显。工程上才予考虑。    隐框玻璃幕墙在短期荷载（风荷载）作用下，虽然每次作用时间短，结构胶呈弹性材料效应，但风荷载为多次作用的可变荷载，按结构胶弹性疲劳效应，倍增结构胶强度设计值对粘结耐久性影响如何？   （六）非线性黏弹性材料疲劳性能-粘弹塑材料动力学    61疲劳是指材料在承受远低于断裂强度的应力强度的反复应力的情况下产生裂纹的现象。疲劳的产生通常起源于工件内部相对脆弱或者应力集中的区域，如外来夹杂，空隙等。尽管工件整体所受应力小于断裂强度，在这些微

38、小区域可能已经达到断裂强度，结果导致在这些区域产生微小裂纹。在应力反复施加的情况下这些微小裂纹长大最终导致工件破坏失效。    62硅酮结构胶为高分子非线性粘弹性材料，至今高分子非线性粘弹性材料疲劳破坏特性评价基本上采用和金属材料同样的应力-疲劳寿命（S-N）曲线方法。高分子材料于循环负载之下主要会经历疲劳断裂。疲劳发生于低于降幅强度的应力阶段。痕劳破坏的高分子材料中并不像金属那样广泛；然而，其疲劳资料室类似的，且其结果da/dNK关系曲线具有相同的一般形状。图3        图3某些金属和高分子材料的疲劳裂纹扩展速率曲线    da/dNB Gq，    式中：B 、q 是与材料种类、温度、频率、应力比等有关的常数。    综上所述，隐框玻璃幕墙在短期可复荷载（风荷载）作用下，结构胶