负风压下结构密封胶对隐框幕墙力学行为的影响

　　隐框玻璃幕墙在服役过程中需要承受来自外界的许多方面的载荷，其中风荷载和温度荷载是最为重要的两部分[1]｡风载荷可以分为正风载荷和负风载荷，即正风压和负风压｡负风压是指建筑物在风力作用下形成的室内压力大于室外压力的力学状态，通常出现在建筑物的背风面或转角部分｡当幕墙承受正风压时，各传力载体所受应力为压应力，而负风压时，各传力载体承受应力为拉应力，对材料的力学性能和结构构造要求高[2，3]｡因此，实际的隐框幕墙工程由于负风压导致玻璃面板脱落的事件屡见不鲜｡但是，在正负两种不同的风压加载条件下，幕墙本身的承载能力是否有所区别，却鲜有人进行研究｡对于密集的建筑群所形成的特定风场来说，负风压已成为隐框幕墙使用过程中的一项重要载荷，而目前的幕墙设计规范[4]中采用的静力等效原则，未考虑负风压对幕墙系统承载能力的影响，这将影响幕墙系统在今后的正常使用｡

　　本文将负风压下隐框幕墙的力学行为作为研究对象，研究了隐框幕墙玻璃面板在不同的结构密封胶粘接宽度下的应力和挠度变化规律，分析了结构密封胶粘接宽度对玻璃面板承载能力和抗弯能力的影响｡通过正风压和负风压实验数据的比较，得出隐框幕墙在负风压条件下更容易破坏的根本原因｡本文作为隐框玻璃幕墙力学行为的基础研究，必将为日后的幕墙规范修订提供参考依据｡

　　隐框玻璃幕墙试件（玻璃-结构胶-铝合金副框）中玻璃面板尺寸为1000mm×1000mm，厚度为6mm，为单片钢化玻璃｡硅酮结构胶几何尺寸分为9mm×8mm､12mm×8mm和15mm×8mm三种，对应的幕墙试件编号分别为1#､2#､3#｡试验采用正压加载（负风压）方式，将隐框玻璃幕墙试件放在一个方形的实验架子上，通过不锈钢六角螺栓将试件用压块紧固｡实验架子的一侧连接空压机，同时还安装有微压表，通过对空压机的调节对试件施加均布载荷｡应变的测量采用在玻璃上粘贴应变片得到｡挠度的测量采用量程为10mm的百分表得到｡隐框幕墙玻璃应变测量位置如图1所示｡

　　图1中测点1~5为应变片粘贴位置，各测点均位于隐框幕墙玻璃面板的对角线上｡

　　图2为负风压均布荷载施加历程曲线｡加载历程分0.5kPa､1.0kPa､1.5kPa和2.0kPa四个过程｡

　　在各加载历程，分别采集玻璃面板表面测点1~5的应变数据及中心测点5和边缘测点6的挠度数据｡测点6位于玻璃面板中心对称轴的最边缘位置，用于测量结构密封胶的挠度变化，测点6的位置在图1中未标出｡通过所测得的应变数据计算相应测点的最大主应力｡

　　3.1 数据处理

　　在负风压加载的条件下，分别测量了结构密封胶几何尺寸分为9mm×8mm､12mm×8mm和15mm×8mm三个隐框幕墙试件在各加载历程下的应变和挠度，测试环境温度为25e｡根据相关公式和测点1~5的应变数据，计算相应测点的主应力数值[5]｡

　　3.2 测试结果

　　图3~5分别是三个隐框幕墙试件中玻璃面板各测点的最大主应力曲线和最大挠度曲线｡

　　从图3可以看出，隐框幕墙试件在承受负风压时，无论结构密封胶的粘接宽度为何值，玻璃面板对角线上最大主应力的分布均呈线性分布｡在对角线方向的测点1~5中，边缘测点1始终为最小主应力测点，中心测点5始终为主应力最大值测点｡对比图3a，3b和3c，发现图3b和图3c更为类似，图3a的应力分布与图3b和图3c差异较大｡图3a中各测点的应力差值较大，不存在应力近似测点｡观察图3b和3c，发现虽然测点5的主应力值最大，但其主应力值与测点4的主应力值相差很小｡

　　图4表明，三个隐框幕墙试件在承受负风压时，对角线方向各测点的最大主应力值均随风压值的增加呈线性增加｡观察图4a，4b和4c，发现越是靠近板中心的测点，其应力值受风压变化的影响越大，也就是说，靠近板中心测点的应力增长梯度高于边缘测点｡但是，图4b和图4c中的测点4和测点5的最大主应力值非常接近｡考虑玻璃面板的尺寸为1000mm×1000mm，玻璃面板本身为轴对称性质，那么在其他的三条玻璃面板对角线上也会有相同的现象存在｡那么，当隐框幕墙试件2#和试件3#承受负风压时，玻璃面板对角线上的测点4和测点5之间的环形区域为整个玻璃面板上应力梯度最小的区域，同时也是整个玻璃面板上的最大应力区域｡虽然图4a中测点4和测点5的应力相差较大，但是测点4和测点5之间的环形区域仍是整个玻璃面板最大应力区域｡

　　在不同风压加载历程以及不同的结构胶粘接宽度条件下，观察幕墙试件玻璃面板上的挠度变化，发现中心测点5始终为挠度最大值测点｡将三种不同结构胶粘接宽度条件下的玻璃面板中心测点5的挠度值绘制成图如图5所示｡观察图5，发现三个挠度曲线比较接近｡当负风压为0.5kPa时，幕墙试件1#的玻璃面板挠度值为三个幕墙试件中的最大挠度值｡当风压高于0.5kPa时，幕墙试件3#的玻璃面板挠度值高于幕墙试件1#的挠度值，成为三个幕墙试件中的最大挠度值｡这说明，通过增加结构密封胶的粘接宽度，并不能够提高隐框玻璃幕墙在负风压下的抗弯性能｡此外，在一定的风压条件下，减小粘接宽度对于隐框玻璃幕墙的影响有可能会小于增加粘接宽度的影响｡

　　3.3.1 负风压加载对隐框幕墙力学行为的影响

　　通过本文中实验数据与隐框幕墙试件在正风压加载条件下的数据比较[6]，发现隐框玻璃幕墙的核心结构玻璃面板-结构密封胶-铝合金副框决定了其在承受负风压时，承载能力和抗弯能力的下降｡这在以往的研究中，被人们所忽略｡当然，隐框幕墙整体在承受负风压时，要求各构件具备更好的力学性能和结构构造，也是隐框幕墙在负风压下容易破坏的一个原因｡但是，如何通过提高玻璃面板-结构密封胶-铝合金副框这种结构本身的力学性能，才是提高负风压下隐框幕墙质量的根本所在｡

　　3.3.2 结构密封胶对负风压下隐框幕墙受力状态的影响分析

　　通过对三个幕墙试件的测试，发现玻璃面板边缘测点1始终为主应力最小值，且三个幕墙试件的五个测点中，测点1的应力值相差较小，这说明结构密封胶粘接宽度的变化对隐框幕墙玻璃面板的边缘部分影响较小｡此外，中心测点5始终为主应力最大值测点，这说明结构密封胶粘接宽度的变化不能影响隐框幕墙玻璃面板的最大应力分布｡但是，结构密封胶粘接宽度的不同造成了三个幕墙试件玻璃面板上各测点的最大主应力值的差异｡通过以上分析，可以说明结构密封胶作为隐框幕墙的一种支承条件，不能影响隐框玻璃幕墙在负风压条件下的根本力学行为，支承条件的不同决定了隐框玻璃幕墙的承载能力和抗弯性能的差异｡

　　3.3.3 粘接宽度对隐框幕墙承载能力的影响分析

　　对比图3中a､b､c三图，发现幕墙试件1#在各风压加载历程下的最大主应力值均为三个幕墙试件中的最大值，而幕墙试件3#的最大主应力值次之｡这说明，一味的追求结构胶粘接宽度的增大，并不一定会提高隐框幕墙在负风压下的承载能力｡

　　三个幕墙试件在不同加载历程下的主应力最大值如表1所示｡比较幕墙试件1#和试件2#，发现两者之间最大主应力的差值随着风压的变化先增大后减小｡在风压值为1.0kPa时，两幕墙试件的应力差值最大｡幕墙试件2#和幕墙试件3#的应力差值的变化亦是如此｡

　　从图3和表1中可以看到随着结构密封胶粘接宽度的增大，幕墙试件玻璃面板的主应力先减小后增大，5kPa除外｡这说明，对于既定尺寸的隐框玻璃幕墙，结构密封胶粘接宽度存在一个最优值｡幕墙试件2#的粘接宽度12mm也只是根据JGJ102-2003的经验公式计算得到，并没有人通过理论计算或模型模拟来验证其是否为最优值｡

　　3.3.4 粘接宽度对隐框幕墙抗弯能力的影响分析

　　根据JGJ102-2003，计算尺寸为1000mm×1000

mm的玻璃面板能够到达的最大应力和挠度｡三个幕墙试件测试中测量到的各加载历程的最大挠度值与根据JGJ102-2003计算的挠度值如表2所示｡

　　从表2可以看出，幕墙试件2#在各加载历程的挠度值相对试件1#均有所降低，而幕墙试件3#的各挠度值反而比试件1的挠度还要大，0.5kPa时除外｡这说明，结构密封胶对于玻璃面板抗弯性能的影响并非是随着尺寸的增加而性能更加良好，而是有一个粘接宽度最优值的存在｡

　　通过幕墙试件在负风压下所测量到的最大挠度与根据JGJ102-2003所计算的最大挠度对比，发现玻璃面板在负风压加载方式下所测量到的挠度均大于计算所得的挠度值｡JGJ102-2003采用静力等效的原则来计算玻璃面板的应力值和挠度值，忽略了负风压对于隐框幕墙力学行为的影响，这必将对隐框玻璃幕墙在实际中使用造成巨大影响｡

　　本文从负风压加载的角度出发，考察了不同结构胶粘接宽度对于隐框玻璃幕墙力学行为的影响，通过实验数据的分析比较，得出了以下几点结论：

　　（1）核心结构玻璃面板-结构密封胶-铝合金副框决定了隐框玻璃幕墙在承受负风压时承载能力和抗弯能力的下降；

　　（2）结构密封胶作为隐框幕墙的一种支承条件，不能影响隐框幕墙在负风压条件下的根本力学行为，但是，支承条件的不同决定了隐框幕墙的承载能力和抗弯性能的差异；

　　（3）隐框幕墙的力学性能同结构密封胶粘接宽度之间的关系并非简单的线性关系，粘接宽度存在一个最优值；

　　（4）隐框幕墙试件在负风压下测量得到的挠度值，均大于根据JGJ102-2003计算所得的挠度值，JGJ102-2003在挠度和应力计算中忽略了负风压的影响，造成了隐框幕墙先天的不足，亟需修订｡