引 言
　　我國中空玻璃年產(chǎn)量目前已超過2.2億平方米，主要用于建筑門窗幕墻，在提高建筑熱阻降低能耗中具有重要地位。中空玻璃是相間隔的兩片玻璃經(jīng)周邊粘接密封裝配的單元構件，它由數(shù)種材料構成（如圖1所示），應用于建筑時，其中的玻璃規(guī)格、密封膠品牌、粘結寬度和厚度等均由建筑結構設計者給定。邊緣粘接是該單元構件的唯一結構性連接，受建筑風壓和氣壓作用，玻璃撓曲變形使該連接產(chǎn)生復雜的受力效應。建筑中空玻璃出現(xiàn)的過早結露、滲水、邊緣開膠甚至外層玻璃墜落事故，多與邊緣粘接耐久性和承載力不足有關。結構設計對風壓荷載已有充分考慮，本文著重分析氣壓荷載效應及與中空玻璃邊緣粘結尺寸、密封膠模量的相關性，并對其承載安全問題提出了建議。

　　1.中空玻璃腔內(nèi)氣體壓力效應
　　1)中空玻璃的腔內(nèi)氣體狀態(tài)
　　密封腔內(nèi)外氣體壓差引起中空玻璃撓曲變形（圖1）。中空玻璃內(nèi)氣體主要是空氣（或氬氣），其性質接近理想氣體。眾所周知氣體的體積、壓力、溫度遵循理想氣體狀態(tài)方程(克拉伯龍方程）：

　　pV = nRT
　　（1）式中：p——氣體壓強，kPa
　　V——氣體體積，m3
　　T——體系溫度，K
　　n——氣體物質的量，單位mol
　　R——理想氣體常數(shù) 　　

　　被邊緣密封膠封閉在腔內(nèi)氣體的摩爾質量 n 為恒定值，氣體初始狀態(tài)決定于粘結密封裝配溫度T0、大氣壓力P0 和初始容積V0，狀態(tài)改變后其線性關系遵循式（2）方程： 　　

(2)

　　2)高海拔產(chǎn)生的氣壓差和穩(wěn)壓措施
　　沿海地區(qū)生產(chǎn)的中空玻璃在高海拔城市使用時，由于單元件內(nèi)氣體氣壓力高于當?shù)氐拇髿鈮毫�，玻璃將撓曲變形，甚至在運輸安裝過程中爆裂，其壓力大小取決于海拔高度，表1列出典型城市的氣壓差，如西安為4.08kpa, 貴州為11.21kpa, 拉薩高達34.77kpa。為平衡中空玻璃內(nèi)外氣壓差的破壞作用，跨區(qū)間運行的鐵路車輛門窗中空玻璃多設置平衡氣壓的裝置（如氣囊）。建筑門窗幕墻行業(yè)的穩(wěn)壓措施較為簡單，企業(yè)對上海、深圳、秦皇島、天津等沿海城市生產(chǎn)的中空玻璃應用于高海拔城市建筑時，多會要求單元件安裝不銹鋼呼吸管（內(nèi)徑1.6mm），以保持內(nèi)外氣壓平衡，直至建筑安裝后再行彎折，這一穩(wěn)壓措施已為業(yè)內(nèi)熟知。 　　

　　3)高溫產(chǎn)生的氣壓差和穩(wěn)壓措施
建筑安裝的中空玻璃有可見的光學畸變現(xiàn)象，在隱框幕墻上尤為明顯，這種現(xiàn)象與溫度變化引起中空玻璃內(nèi)氣體增壓（減壓）導致面板產(chǎn)生的相對撓度有關。當中空玻璃內(nèi)氣體溫度Tt,（k）高于封裝溫度T0,（k）時，若視氣體容積(V)不變，環(huán)境大氣壓力為p0(如100kpa)條件下，使玻璃撓曲的氣壓差ΔPt 可按下式（3）驗算： 　　

　�。�3）式中：pt——Tt t溫度時氣體壓力(kpa)。 　　

　　防止高溫下氣體膨脹增壓使中空玻璃撓曲變形，已知措施是設置連通大氣的呼吸管，高溫時呼出部分氣體，低溫時吸入氣體。美國莫頓公司進行了相應的條件試驗 ，試件規(guī)格為(6＋12＋6), 尺寸為356mm×508mm的中空玻璃，測定試件在溫度50℃～80℃下的撓度見表2，圖2。該試件分別用兩種密封膠粘接，其中5#～6#不填充干燥劑，1#、3#有呼吸管（不銹鋼管徑0.5mm，長300mm）。試驗結果表明：無呼吸管的試件出現(xiàn)撓曲變形，最大撓度為0.17mm；不同密封膠粘接的試件撓度不同；有干燥劑試件的撓度略大于無干燥劑試件。可見呼吸管能有效平衡氣壓。 　　

　　2.呼吸管對中空玻璃功能壽命的影響
　　呼吸管可降低中空玻璃內(nèi)氣體在海拔高度變化中產(chǎn)生的氣壓，但彎折后無法避免封閉氣體隨溫度波動產(chǎn)生的氣壓作用。連通大氣的呼吸管可使中空玻璃內(nèi)氣壓與環(huán)境氣壓平衡，但呼吸管成為呼吸大氣濕氣的通道，加速干燥劑飽和吸濕速度，影響中空玻璃的耐久隔熱壽命。莫頓公司提出設置呼吸管的中空玻璃預測壽命模型1： 　　

　　(4)式中：L——有呼吸管中空玻璃的壽命，a
　　E——無呼吸管中空玻璃壽命，a
　　C——氣候系數(shù)（mg/a.m3)
　　D——間隔框中干燥劑的飽和吸濕能力（mg/cm）
　　P——間隔框填充干燥劑的長度（cm）
　　V——中空玻璃內(nèi)氣體容積（cm3）
　　以洛杉磯地區(qū)（C=0.86 mg/a.m3)為例，建筑中空玻璃壽命20年（規(guī)格600mm×1200mm×19mm），設置呼吸管后預測壽命僅為13.34年。主要影響因素是中空玻璃內(nèi)氣體容積和氣候系數(shù)。氣候系數(shù)與地理位置、玻璃朝向、空氣含濕量及日溫差幅度有關，資料給出美國城市背陰/向陽位置氣候系數(shù)，南部邁阿密和布朗斯維爾地區(qū)最大，分別為1.67/2.27和1.76/2.45（mg/a.m3）。

　　3.中空玻璃邊緣粘接設計和密封膠的選材分析
　　建筑環(huán)境溫度每天都有一個峰值，每年有一個極大值，中空玻璃內(nèi)氣壓將相應循環(huán)變化。若初始體積（V0）保持不變，Tt 溫度下內(nèi)外氣壓差（ΔPt）可按式（3）計算，該壓力作用于玻璃，邊緣粘接體產(chǎn)生拉應力（F）并伸長變形（ε，%），將改變中空玻璃腔體厚度使容積等比例擴張（ΔV，%）、氣體壓力等比例下降（ΔPv，％）(圖3)。泊松比0.5的密封膠初始變形階段（25％內(nèi)）可視為彈性體，拉應力（f）、伸長應變（ε，%）與初始彈性模量（E0）呈線性關系 ，則：

　　ΔPv＝ΔV＝ε＝ f / E0 （%）
　　(5)密封膠伸長后中空玻璃內(nèi)氣體與大氣壓力差可按下式計算： 　　

　　（6）若設定足夠的粘接寬度，保證Tt 溫度下邊緣密封膠的應力為強度設計值f1s，中空玻璃粘結寬度 Cs 按極限承載力狀態(tài)驗算應符合下式： 　　

　　(7)式中：a——矩形中空玻璃的短邊尺寸，mm 　　

　　示例：沿海城市（P0=100kpa）密封粘接的中空玻璃，尺寸為1000mm×1500mm，間隔厚度12mm，封裝溫度15℃，在當?shù)亟ㄖ�使用期間，腔內(nèi)氣體溫度可達到50℃，若密封膠完全剛性，保持內(nèi)腔容積不變（ΔV≈0），按式（3）計算腔內(nèi)外氣壓差ΔPt 可達12.2kpa，遠大于已知建筑的風荷載： 　　

　　若有三個牌號的密封膠可供選擇，其彈性模量E0分別為7Mpa（拉伸10%應力0.70Mpa）、2.3Mpa（拉伸10%應力0.23Mpa）、1.4Mpa（拉伸10%應力0.14 Mpa），密封膠的強度設計值f1s＝0.14Mpa，分別驗算氣體50℃溫度時中空玻璃內(nèi)空間的容積變化率ΔV、與環(huán)境的氣壓差ΔPv、中空玻璃彈性密封膠粘結寬度最低限值Cs，驗算結果列于表3。 　　

　　示例驗算結果可見：中空玻璃內(nèi)氣壓隨密封膠彈性模量的提高而增大，為保證足夠的粘接承載能力，必須加大粘接寬度；低模量可降低內(nèi)氣壓，減小粘接寬度，減少密封用膠量。示例的驗算條件尚未考慮循環(huán)荷載的疲勞效應，亦未考慮建筑瞬時變動風荷載的組合效應。

　　4.無框支撐中空玻璃粘接寬度設定及選材
　　建筑無框支撐的中空玻璃如圖4，除受內(nèi)氣壓作用外，負風壓吸拉玻璃面板對邊緣密封膠產(chǎn)生拉力，在間隔框尺寸給定的膠層厚度條件下，中空玻璃邊緣的粘接寬度設定和硅酮密封膠適用模量的選擇成為粘接設計重要內(nèi)容。

　　1)邊緣密封膠粘接強度標準值和設計值
歐洲建筑玻璃結構粘接體系認證規(guī)范依據(jù)應用經(jīng)驗，規(guī)定邊緣粘接拉伸強度標準值按試驗結果統(tǒng)計取值，認為這一取值最為可靠 ，該取值方法與GB 50068建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準規(guī)定的統(tǒng)計方法一致 ，即以試驗數(shù)據(jù)為基礎，按75%置信度取概率95%拉伸粘結強度為強度標準值式（8），產(chǎn)品大于該值的概率為95%。該取值方法利于不同產(chǎn)品的性能表征和應用。

     σR,5 =σX,23℃ －ταβ. S
　　(8)式中：

　　σX,23℃ ——23℃粘接拉伸試驗的強度平均值;

　　S ——n個試件試驗結果統(tǒng)計的標準偏差：

　　ταβ  ——75%置信度5%偏差因子，取值決定于試件數(shù)n，如：

　　n=5，ταβ ＝2.46         σR,5=σX －2.46×S
　　n=10, ταβ =2.10         σR,5=σX －2.10×S 　　

　　不同品牌密封膠的粘接拉伸強度設計值，歐洲建筑玻璃結構粘接體系認證規(guī)范（CE）按式（9）驗算并設定：

     f1s ≤σR,5 /6
　�。�9）同美國、日本采用經(jīng)驗值（140 kpa）相比較, 這種取值方法有利于粘接設計合理選用密封膠。

　　2)中空玻璃粘接寬度Cs設計驗算
　　a) 瞬時風壓作用下粘接寬度
瞬時風荷載（W）作用下矩形中空玻璃應力分布近似梯形，單元件邊緣粘結承載能力按極限承載力狀態(tài)驗算，應符合式(10），驗算結果應與式(7)比較，取可靠值： 　　

　　Cs≥ 6 mm
　�。�10）式中:   β——風荷載分項系數(shù)
　　當d1≦ d2時，β≈1/2    則β≡1/2
　　當d1> d2時， β> 1/2     則β=1
　　b)  無自重支撐單元件邊緣粘接寬度的設定
　　當?shù)撞繜o自重支撐時，邊緣粘接體將承受外片玻璃的永久荷載，其寬度Cs應符合下式（11）： 　　

　　(11)式中： Wg——外片玻璃的自重；

　　fws——永久荷載下密封膠粘接剪切強度設計值（取持久荷載下無蠕變的試驗值）；

　　h ——外片玻璃寬度或長度尺寸。

　　c)  彈性模量適用的密封膠選擇
　　考慮環(huán)境溫度循環(huán)變化，中空玻璃內(nèi)部氣壓循環(huán)作用于玻璃，綜合作用于密封膠的循環(huán)拉應力效應，由式（7）可推導驗算模量適用的密封膠的初始彈性模量: 　　

　�。�12）
　　5.邊緣粘接構造形式
　　本文有關氣壓荷載對邊緣粘接效應的分析是以兩面粘接為基礎，而目前中空玻璃邊緣構造形式主要是三面粘接（圖1）。研究表明三面粘接的變形要小于兩面粘接，粘接體變形受到（對間隔框的）第三面粘接約束并改變其應力分布，因此控制結構應力水平的有效方法是采用更加柔性的密封膠而不是相反 。

　　ASTM C1249《結構密封膠粘結中空玻璃二道密封應用的標準指南》要求“中空玻璃單元件邊緣粘結密封設計類似于單元件與框架系統(tǒng)粘結的設計方法，符合ASTM C1184標準是粘結系統(tǒng)結構密封膠的起碼要求”，“建筑壽命期內(nèi)，中空玻璃單元件二道密封體必須保持足夠的柔性，以適應施加在中空玻璃單元件上的所有荷載”，“應將中空玻璃單元件二道密封膠的應力限制在140kpa以內(nèi)” 。中空玻璃結構密封膠產(chǎn)品標準（ASTM C1369）在重要性及應用中規(guī)定“本標準不規(guī)定密封膠的模量，因為適用的模量是該密封膠被用于特定中空玻璃體系的一個函數(shù)（即玻璃粘接體系對模量的要求是隨中空間隔條的規(guī)格、玻璃的尺寸、安裝狀態(tài)及粘接構造等條件不同而變化）” 。所以，產(chǎn)品標準不應規(guī)定模量的限量指標，而應要求報告初始應力-應變曲線及模量值，以滿足結構設計對粘接材料的選擇要求 。

　　粘接設計設定的粘接寬度應有足夠的尺寸，密封膠的模量不宜過低，應保證荷載下玻璃的位移不超出底部支撐。一道密封為塑性粘流體，玻璃相對位移時可較好地保持密封層的連續(xù)性，為防止過量位移破壞其連續(xù)性，邊部可采用隨動性間隔條、含干燥劑的柔性間隔條等，如圖5邊部構造中可隨玻璃同向運動的U型間隔條，可減少熱塑性密封層的變位并減小邊緣粘接體的應力。 　　

　　6.建議
　　GB/T11944修訂中提出中空玻璃產(chǎn)品15年壽命期，但驗證試驗表明送檢樣品的達標率尚不足70%，而實際建筑使用中的產(chǎn)品壽命可能更短。中空玻璃邊緣的可靠粘接是其功能壽命的重要保障，歐洲門窗幕墻規(guī)范以壽命25年為基礎對中空玻璃及邊緣粘接材料規(guī)定了全面技術要求，消化吸收國外經(jīng)驗有益于提高邊緣粘接的耐久性和可靠性，若能將中空玻璃壽命延長一年，其效益至少相當于全國建筑中空玻璃一年安裝量的產(chǎn)值；建議工程技術規(guī)范充分考慮中空玻璃的內(nèi)氣壓荷載效應，對邊緣粘接設計提出要求；建議門窗幕墻中空玻璃密封膠產(chǎn)品標準提高抗?jié)駳?a href='../../zsk/ct.asp?id=5914' target='_blank' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;'>滲透性指標，規(guī)定結構設計必需的彈性模量、強度標準值、設計值等技術指標及一致性要求，保證與建筑規(guī)范相協(xié)調(diào)，促進密封膠的技術進步和質量的持續(xù)穩(wěn)定。

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