不同形状玻璃板片结构胶胶宽的计算方法和结构性接口设计的考虑因素

不同形状玻璃板片结构胶胶宽的计算方法和结构性接口设计的考虑

因素来源:2011年会论文集作者:周文亮日期:2011-4-25,页面功能［字体：大中小］［打印］［投稿］［评论］［转发］［啄木鸟］摘要:梯形荷载分布理论和由此产生的结构胶胶宽计算公式已经在过去的20多年内被建筑幕墙行业认可和广泛使用，迄今没有一例案例因为结构胶胶宽的计算公式而出现问题。在实际工程中，结构性接口的设计还是要考虑很多因素，除了胶宽外，还要考虑胶深，因为热胀冷缩、板片的堆放、风荷载带来的剪应力和弯曲变形等引起的应力都会影响结构胶接口的使用寿命。又譬如，因为设计的要求，往往会碰到很多异形玻璃板片，虽然按照矩形的短边长度去套用结构胶胶宽的计算公式是偏安全的，如何精确计算这些异形玻璃板片的所需结构胶胶宽，需要我们的幕墙设计师们了解。本文主要介绍国外在这方面的一些研究成果，给大家分享一下这方面的经验，作为在结构胶接口设计中的一个补充。关键词：结构胶胶宽梯形荷载分布理论风压自重热位移本文作者：周文亮康子键结构胶宽度的计算考量玻璃板片或者附框上与硅酮结构胶相接触的尺寸叫做粘结宽度。通常情况下，结构胶施打于玻璃板片的后面，主要用来承受风荷载引起的拉伸应力（如图玻璃板片或者附框上与硅酮结构胶相接触的尺寸叫做粘结宽度。通常情况下，结构胶施打于玻璃板片的后面，主要用来承受风荷载引起的拉伸应力（如图1）。被业内普遍接受的结构胶强度设计值（风荷载下）是138KPa，这个取值是基于结构胶的安全系数考虑，一般的结构胶要求具有5倍以上的安全系数，要远大于玻璃和铝型材的安全系数（2-3倍）。经过20多年的实践证明，该取值还是比较保守的。梯形荷载分布理论梯形荷载分布理论是基于板片的各个区域在风荷载作用下的挠曲会沿对应的区域分布，而不是保持整个板片平整。这种基于近似的板片变形行为的结构胶受力原理已经被工业上广泛接受。图2显示的是实际尺寸的玻璃板块在风荷载作用下发生向外挠曲的照片。板片挠曲的情况与四条角平分线分成的几个区域相对应（如图3）。最大的挠曲发生在如图中M-N虚线所示上。在板片上任何地方所承受的风荷载都会传递到与此点距离最近边的结构胶上。所以，板片的四周上各点所受的拉伸应力是不相同的。最大的应力出现在板片的短边中点（如图4，O、P点）和长边上q到r和s到t区域里。图5比较了结构胶在假设板片保持平整（平板理论）和受梯形荷载分布理论两种不同情况下的预受应力。可以看出，结构胶在梯形荷载分布理论下比平板或非变形板片要承受更大的应力。四4.梯琢裁分布理论下各部分的不同能曲图5密封胶在国荷载作用下的应力分布虚^为平板理饷设下的坚封腋常应力分布〕结构密封胶粘结的区域必须能承受发生的最大应力。为了计算这个应力和最小结构胶胶宽，任意选取了承受最大荷载的区域和结构胶，用阴影表示在图4中。不同形状板片的计算矩形板块对于给定的风压，风荷载作用于阴影部分的力是由风压和阴影部分面积决定的。

风荷载作用力=风荷载值*Y*1/2短边长结构胶所能承受的力是由结构胶设计强度和粘接面积决定的。结构胶受力=结构胶强度设计值*粘结宽度*Y在实际使用中，风压作用力力必须小于或等于结构胶所能承受的的极限。等式1展示的是对于矩形或正方形板块，在设计结构胶粘接宽度时的极限情况下，要求两个作用力相等。粘结宽度（1）梯形荷载分布理论被用来计算典型的矩形和正方形板块的结构胶粘结宽度，这也是进行其他形状板块结构胶粘结宽度计算的基础。圆形板块由于圆形板块的对称性，风载荷对整个板块外围的结构胶保持相同的作用力。粘结宽度（2）三角形板块图6显示的3种一般形状的三角形，我们用同一个公式来计算它们的结构胶粘结宽度。三角形的3条边是任意意命名的。与矩形板块相似，作用于三角形板块上的最大的力出现在角平分线的上。对于用于粘结的结构胶来说，对它产生最大作用力的点位于从三条角平分线交点分别做底边的垂线，与3条底边的交点上。结构胶胶宽可以用任意选择的底边B3及其相邻的两个角来计算。B4=B5=B3=B4+B5综合以上3个等式，得出Y的表达式，Y=图6中阴影部分的风荷载作用力是由风荷载值及板片的面积决定的，风荷载作用力=风荷载值*Y*Z结构胶在阴影部分的作用力是由结构胶强度设计值与结构胶的接触面积决定的，结构胶作用力=结构胶强度设计值*粘结宽度*Z极限情况是这两个力值相等，得出粘结宽度的表达式，粘结宽度=（3）图6.三角形板圾的荷载分布规则或不规则的四边形板块规则的四边形指两条平行边比两条斜边更加靠近的四边形，如图7a。与矩形相似，作4条边的角平分线会发现，最大的应力发生在短边的中点。因此矩形的计算公式（1），也可以用来计算规则的四边形的结构胶胶宽，短边宽度选用规则四边形的高的长度。对于不规则的四边形，无论是没有两条平行的边或者两条平行边相隔较远的情况，都可以用公式（3）来计算。如图7.b所示，在q、s、o点作用于结构胶上的应力应该是相等的。同样作用在r、t、p三个点的胶的应力也应该相等。所以，最大的边缘应力发生在o点和P点，s到t以及q到r的区域。与三角形任意选取一边来进行计算不同，对于不规则四边形结构胶宽度计算的关键在于选取合适的板片长度和相邻的角。将四边形的四个角作平分线后形成四个应力区，选择两个三角形区域中较大的一边，而不是选择两个四边形的其中一边。在图的四个角作平分线后形成四个应力区，选择两个三角形区域中较大的一边，而不是选择两个四边形的其中一边。在图7b中的例子中，正确的边应该选择AB。永久荷载下的四边粘结的结构胶计算对于没有机械连接来支撑的硅酮结构胶四边粘结系统，结构胶必须完全承受永久荷载、风荷载（图8）。永久荷载作用力是由单位面积板片的质量和板片的面积决定的：永久荷载作用力=单位面积板片重力荷载*板片面积结构胶受力是由结构胶永久强度设计值和结构胶粘结面积决定的：结构胶受力=结构胶永久强度设计值*粘结宽度*板片周长极限情况决定的最小粘结宽度粘结宽度=一般的硅酮结构胶承受的永久荷载不应该超过1psi。这个值非常保守，远低于在样品测试中能够造成蠕变的荷载值。图甘永久重力荷载下的结构胶倾斜板片的粘接硅酮结构胶在采光顶和倾斜装配上的应用方式大体与垂直的四边和两边粘结应用情况相同。对于倾斜装配的两边粘接系统，现在一般的应用是将结构胶打在水平的玻璃板片边上而不是在垂直的板片边上。而且这个胶宽也只是指玻璃与附框的粘结胶宽，而不包括中空玻璃的二道密封胶胶宽。对于倾斜安装的板块，板块的自身重量会抵消风荷载的部分作用，如图9,这个因素被叠加在公式1中，形成了如下的公式粘结宽度=（5）当角。为90°时，等式（5）与（1）相同。结构胶粘结厚度的讨论对于结构胶的粘接厚度（表示板片到附框之间的距离），有两条主要的规定：粘结厚度不应小于6mm。粘结厚度不应大于粘结宽度。胶缝的最小宽度是由热位移和胶的施工决定的。由于框架和板片的热膨胀系数不相同，它会在密封胶上产生一个剪力。位移的数值是由密封胶的施工温度、温度变化、系统的设计施工、板片的尺寸和板片材料几个因素共同决定的。由如下公式来计算热位移=初始长度*温度变化值*热膨胀系数（6）要可以承受由热位移带来的应力，至少需要5到6mm的粘结厚度。行业实际操作的经验表明接口厚度至少需要6mm才能够完全填满的整个结构胶接口。结构胶接口的设计，特别是结构胶缝的粘结厚度，对整个板片的挠曲影响很大。为了防止更大程度的位移，密封胶粘结厚度不得大于粘结宽度这个标准必须遵守。结构胶所受次应力的考虑现行的公式仅仅考虑了作用于硅酮结构胶上的主要应力，而次应力也可能对结构胶造成影响。其中最重要的拉压作用是由于玻璃受压和堆放作用、热位移造成的剪力作用以及风荷载作用下产生的剪力和变形。（一）玻璃板片的堆放：如果在结构密封胶的固化工程中，有外加应力作用于堆叠平放的板片，则密封胶结构将会有一点点的变化。因此，在胶固化后，当外力消除，密封胶会在内部产生应力。为了防止这种情况的发生，待安装的板片不能堆放得太高，在胶的固化过程中，不能有额外的重力施加于其上。（二）热位移：如结构胶厚度的计算中讨论的，由于结构胶和框架有着不同的热膨胀，这会使结构胶受到剪切作用力。（三）风荷载带来的剪应力和弯曲作用：行业专家们所做的计算机分析实验表明，风荷载不仅会给密封胶带来拉压作用，还会带来剪切和弯曲作用。结论：梯形荷载分布理论和由此产生的结构胶胶宽计算公式已经在过去的20多年内被建筑幕墙行业认可和广泛使用，事实上也被证明是非常可靠的一种计算方法。由于在实际应用中，结构胶除了要承受风荷载带来的拉伸应力外，还要承受次应力对接口胶缝的影响。这就要求结构胶的强度要有足够大的安全系数。结构胶的强度设计值是被整个幕墙行业几十年来所采用的，不能轻易修改，否则会对结构胶的使用造成安全隐患。参考资料：StructuralSealantGlazing,ASTMSTP638,J.R.Hilliard,C.J.Parise,andC.O.Peterson,Jr.,Eds.,AmericanSocietyforTestingandMaterials,PhiladelphiaKlosowski,J.andSchmidt,C.,”TheroleofAdhesiveSealantsinStructuralGlazing,”U.S.Glass,Metal&Glazing,July/August1984Klosowski,J.,”SafetyFactorsinStructuralGlazing,”,U.S.Glass,Metal&Glazing,November/December1985Schultheis,J.,”SlopedGlazingwithStructuralSilicone,”ConstructionSpecifier,June1986Sandberg,L.B.andLarson,A.P.,“StressAnalysisofStructuralGlazingJointsUnderWindload,”DesigningwithToday’sEngineeringAdhesivesandSealants,1985FallSeminarofAdhesives&SealantsCouncil,Dearborn,MI,pp.110-118Vallabhan,C.V.G.,Wang,B.Y.,Chou,G.D.,andMinor,J.E.,”ThinGlassPlatesonElasticSupports."JournalofStructuralEngineering,Vol.3,No.2,Nov.1985Chou,G.D.,Vallabhan,C.V.G.,andMinor,J.E.,“AMathematicalModelforStructurallyGlazedGlassInsulatingUnits,"GlassResearchandTestingLaboratoryReport,TexasTechUniversity,Lubbock,TX,79409,April1987Haugsby,M