建筑幕墻用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)設(shè)計(jì)要求的分析探討

　　1.前言

　　我國(guó)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003對(duì)建筑幕墻用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的設(shè)計(jì)和選用做出相應(yīng)規(guī)定，同時(shí)國(guó)內(nèi)外有關(guān)建筑用硅酮結(jié)構(gòu)膠的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)也提出技術(shù)指標(biāo)要求，目前主要有我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB16776-2005《建筑用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》、建工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T475-2015《建筑幕墻用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》、美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1184-2005《硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》、歐洲標(biāo)準(zhǔn)ETAG 002-2012《結(jié)構(gòu)密封膠裝配套件(SSGK)歐洲技術(shù)認(rèn)證指南》、EN15434-2010《建筑用玻璃-結(jié)構(gòu)用或抗紫外線密封膠產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)(用于結(jié)構(gòu)密封裝配或外露密封中空玻璃單元)》。硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的設(shè)計(jì)和選擇涉及建筑幕墻安全，選用合理的標(biāo)準(zhǔn)以便做出規(guī)范的設(shè)計(jì)對(duì)幕墻安全起著關(guān)鍵作用，本文通過(guò)分析國(guó)內(nèi)外相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)幕墻設(shè)計(jì)采用標(biāo)準(zhǔn)的合理性做出探討。

　　2.產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)與設(shè)計(jì)相關(guān)的要求

　　2.1 ASTM C1184

　　美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1184中對(duì)結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)強(qiáng)度的試樣方法為取5個(gè)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，記錄5個(gè)試樣的最大拉伸強(qiáng)度（詞條“拉伸強(qiáng)度”由行業(yè)大百科提供）并計(jì)算其平均值，要求23℃強(qiáng)度平均值≥0.345MPa[3]。按照強(qiáng)度設(shè)計(jì)值0.14 MPa計(jì)算，其最小設(shè)計(jì)安全系數(shù)約為2.5。雖然最小設(shè)計(jì)安全系數(shù)不大，但是標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1184中要求結(jié)構(gòu)膠在高溫88℃、低溫-29℃、浸水、水紫外光照老化后的強(qiáng)度平均值均≥0.345MPa，即結(jié)構(gòu)膠老化后的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度性能和初始的要求一致，且經(jīng)過(guò)老化后設(shè)計(jì)安全系數(shù)仍保持在2.5以上，意在保證結(jié)構(gòu)膠的耐久穩(wěn)定性。但實(shí)際上，有些結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)品為通過(guò)該標(biāo)準(zhǔn)要求，將初始強(qiáng)度提高至很大，即使老化后有大幅度的衰減，仍然能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。例如：產(chǎn)品初始強(qiáng)度1.5MPa，經(jīng)老化試驗(yàn)后強(qiáng)度衰減70%，僅僅保留30%，則老化后強(qiáng)度值為0.45MPa，仍然滿足標(biāo)準(zhǔn)中≥0.345MPa的要求。

　　2.2 GB16776

　　GB 16776-2005主要參照美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1184編制，23℃拉伸粘結(jié)性的考察也是取5個(gè)試樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，要求5個(gè)試樣的拉伸粘結(jié)強(qiáng)度平均值≥0.60MPa[4]。按照強(qiáng)度設(shè)計(jì)值0.14 MPa計(jì)算，其最小設(shè)計(jì)安全系數(shù)約為4。標(biāo)準(zhǔn)GB 16776對(duì)結(jié)構(gòu)膠的耐老化性（詞條“耐老化性”由行業(yè)大百科提供）能要求結(jié)構(gòu)膠在高溫90℃、低溫-30℃、浸水、水紫外光照老化后的強(qiáng)度平均值均≥0.45MPa，較初始強(qiáng)度的要求有所降低，但老化后的設(shè)計(jì)安全系數(shù)保持在3以上，意在控制結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)品仍然具有一定的耐久性。但該要求與美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1184有同樣的弊端，一些結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)品將初始強(qiáng)度提高至很大，即使老化后有大幅度的衰減，仍然能夠滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。但這類產(chǎn)品老化后性能衰減明顯，易出現(xiàn)過(guò)早失效現(xiàn)象，使用壽命很短。

　　2.3 JG/T475(ETAG002、EN15434)

　　JG/T475適用于設(shè)計(jì)使用年限不低于25年的建筑幕墻工程使用的硅酮結(jié)構(gòu)密封膠，其相關(guān)指標(biāo)參考了歐洲ETAG002、EN15434標(biāo)準(zhǔn)[5~7]。關(guān)于硅酮結(jié)構(gòu)膠23℃拉伸粘結(jié)的強(qiáng)度，JG/T475要求強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值Ru,5≥0.50MPa，標(biāo)準(zhǔn)取值方法參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)ETAG002、EN15434，與我國(guó)GB 50068《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定一致，即材料強(qiáng)度的概率分布宜采用正態(tài)分布或?qū)��?shù)正態(tài)分布，材料強(qiáng)度的標(biāo)準(zhǔn)值取其概率分布的0.05分位值確定[8]。強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算方法為10個(gè)平行試樣的強(qiáng)度平均值扣除其標(biāo)準(zhǔn)偏差影響后得出的數(shù)值，計(jì)算公式如下：

　　由上述公式可以看出，“標(biāo)準(zhǔn)值”和“平均值”兩者概念不同，不宜將JG/T475和GB16776標(biāo)準(zhǔn)中強(qiáng)度值技術(shù)指標(biāo)的大小進(jìn)行直接比較。JG/T475標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定拉伸粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值≥0.5MPa，一般是高于GB16776中強(qiáng)度平均值≥0.6 MPa的要求。

　　JG/T475標(biāo)準(zhǔn)要求報(bào)告結(jié)構(gòu)膠的初始剛度及拉伸模量(剛度模量)，GB16776對(duì)該項(xiàng)沒(méi)有提出要求。初始剛度表征粘結(jié)材料及粘結(jié)件抵抗彈性變形的能力，以某一特定應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力表示(K12.5即表示應(yīng)變12.5%時(shí)的應(yīng)力);剛度模量是密封膠粘結(jié)構(gòu)件變形時(shí)拉應(yīng)力與對(duì)應(yīng)變形量的比值，表征粘結(jié)材料及粘結(jié)構(gòu)件抵抗彈性變形的能力，初始剛度及模量是結(jié)構(gòu)按承載能力極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的重要參數(shù)，幕墻用結(jié)構(gòu)膠的尺寸設(shè)計(jì)與剛度模量有著密切關(guān)系。

　　對(duì)結(jié)構(gòu)膠的耐老化性能要求方面，JG/T 475-2015規(guī)定80℃、-20℃、水紫外光照、高溫100℃、鹽霧、酸霧、清潔劑、機(jī)械疲勞等老化試驗(yàn)處理后拉伸粘結(jié)強(qiáng)度保持率≥75%，是一動(dòng)態(tài)指標(biāo)，并非一定值。旨在控制結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)品的耐久性，即要求結(jié)構(gòu)膠在長(zhǎng)期使用過(guò)程中經(jīng)受各種老化因素的影響，仍然能夠保持較穩(wěn)定的性能，具有較長(zhǎng)的使用壽命。這也是滿足JG/T 475-2015標(biāo)準(zhǔn)的結(jié)構(gòu)膠之所以具有預(yù)期25年使用壽命的關(guān)鍵要求。相比較標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1184和GB 16776-2005中靜態(tài)指標(biāo)要求更合理，避免一些產(chǎn)品為了滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，大幅度提高23℃條件下拉伸粘結(jié)強(qiáng)度，以達(dá)到老化處理后拉伸粘結(jié)強(qiáng)度大量衰減后仍然滿足標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1184和GB 16776-2005的要求。例如前述示例：結(jié)構(gòu)膠初始23℃條件下拉伸強(qiáng)度1.5MPa，老化后為0.45MPa，是符合標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1184和GB 16776-2005的，但是保持率只有30%(<75%)，不符合JG/T 475-2015要求。

　　3.幕墻設(shè)計(jì)規(guī)范要求

　　3.1美國(guó)相關(guān)要求

　　設(shè)計(jì)強(qiáng)度最大取值為0.14 MPa是由許多驗(yàn)證試驗(yàn)及實(shí)踐得出的結(jié)果，已得到驗(yàn)證和業(yè)界廣泛認(rèn)可。美國(guó)標(biāo)準(zhǔn)ASTM C 1401-2014《結(jié)構(gòu)密封膠裝配標(biāo)準(zhǔn)指南》中第27.4、27.5條規(guī)定，結(jié)構(gòu)密封膠的最大拉伸強(qiáng)度應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)ASTM C1184中規(guī)定的≥0.345 MPa的要求，最大設(shè)計(jì)強(qiáng)度為0.14 MPa，最小設(shè)計(jì)安全系數(shù)為2.5，根據(jù)特定結(jié)構(gòu)密封膠的最大拉伸強(qiáng)度和所確定設(shè)計(jì)安全系數(shù)，設(shè)計(jì)強(qiáng)度可小于0.14 MPa[2]。ASTM C 1401中第24.3.1條指出，雖然結(jié)構(gòu)密封膠的最大拉伸強(qiáng)度一般是高于0.345MPa，但不能因此就將設(shè)計(jì)強(qiáng)度提高到0.14 MPa以上，延長(zhǎng)結(jié)構(gòu)膠使用壽命的關(guān)鍵在于經(jīng)過(guò)環(huán)境老化后還能保持良好的粘結(jié)性能。ASTM C 1401中第30.3.5條指出，結(jié)構(gòu)膠承受反復(fù)拉伸疲勞的次數(shù)隨著應(yīng)力幅度的增大而劇減，即提高設(shè)計(jì)強(qiáng)度會(huì)導(dǎo)致疲勞壽命明顯降低。因此，為保證幕墻安全，應(yīng)當(dāng)主要關(guān)注結(jié)構(gòu)密封膠的耐老化性能以延長(zhǎng)使用壽命;為降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，可提高設(shè)計(jì)安全系數(shù)，而不是提高強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，設(shè)計(jì)強(qiáng)度值不應(yīng)超過(guò)0.14MPa，否則會(huì)造成安全風(fēng)險(xiǎn)。

　　3.1國(guó)內(nèi)相關(guān)要求

　　關(guān)于硅酮結(jié)構(gòu)密封膠粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取值，我國(guó)參照美國(guó)相關(guān)規(guī)范，將強(qiáng)度設(shè)計(jì)值0.14MPa納入相應(yīng)規(guī)范要求，用于結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)尺寸設(shè)計(jì)。

　　3.1.1幕墻用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠粘結(jié)寬度設(shè)計(jì)

　　3.1.2幕墻用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠厚度設(shè)計(jì)

　　JGJ102-2003第5.6.5條規(guī)定，硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的粘接（詞條“粘接”由行業(yè)大百科提供）厚度 按照下面公式(2)、(3)計(jì)算：

　　ts—硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的粘接厚度(mm)

　　us—幕墻玻璃的相對(duì)于鋁合金框的位移(mm)，必要時(shí)還應(yīng)考慮溫度變化產(chǎn)生的相對(duì)位移;

　　θ—風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下主體結(jié)構(gòu)的樓層彈性層間位移角限值(rad);

　　hg—玻璃面板高度(mm)，取其邊長(zhǎng)a或b;

　　δ—硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的變位承受能力，取對(duì)應(yīng)于其受拉應(yīng)力為0.14N/mm2時(shí)的伸長(zhǎng)率。

　　JGJ102-2003中結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取值0.2N/mm2，條文說(shuō)明指出這是套用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)取1.4，將標(biāo)準(zhǔn)值0.14 N/mm2乘以分項(xiàng)系數(shù)1.4約等于0.2 N/mm2，定為風(fēng)荷載作用下的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，可見(jiàn)結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)強(qiáng)度設(shè)計(jì)值仍為0.14 N/mm2[1]。硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的變位承受能力δ是取極限設(shè)計(jì)強(qiáng)度0.14 N/mm2對(duì)應(yīng)的應(yīng)變，通過(guò)JG/T475標(biāo)準(zhǔn)要求報(bào)告的初始剛度及模量可以獲取δ值的大小。經(jīng)大量工程的實(shí)踐證明，采用0.14 MPa設(shè)計(jì)值進(jìn)行設(shè)計(jì)選材為建筑幕墻結(jié)構(gòu)安全提供了基本的保證。

　　3.2歐洲相關(guān)要求

　　歐洲標(biāo)準(zhǔn)體系將強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值用于設(shè)計(jì)選材，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值是根據(jù)材料的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值可以按6倍的設(shè)計(jì)安全系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，即強(qiáng)度設(shè)計(jì)值可以取標(biāo)準(zhǔn)值的1/6。設(shè)計(jì)方法不同于我國(guó)規(guī)范要求——強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取定值0.14MPa。有觀點(diǎn)認(rèn)為按照歐洲標(biāo)準(zhǔn)要求結(jié)構(gòu)密封膠的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值應(yīng)該達(dá)到6倍的設(shè)計(jì)強(qiáng)度即0.14×6=0.84MPa以上，其實(shí)這種觀點(diǎn)是錯(cuò)誤的，原因有以下幾個(gè)方面：

　　(1)該觀點(diǎn)將歐洲體系的設(shè)計(jì)方式與我國(guó)的相關(guān)要求斷章取義、混為一談，將我國(guó)規(guī)范要求的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值0.14MPa套用歐洲標(biāo)準(zhǔn)要求的安全系數(shù)6來(lái)確定對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值的要求。

　　(2)歐洲在產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)EN15434中規(guī)定了23℃拉伸粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值Ru,5≥0.50MPa，并不是要求結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)品的強(qiáng)度值一定要達(dá)到0.84MPa以上。標(biāo)準(zhǔn)ETAG 002-2012附錄A2.0中指出設(shè)計(jì)安全系數(shù)可以選用6進(jìn)行計(jì)算，并非是要求必須取定值6作為安全系數(shù)。

　　(3)如果按照該觀點(diǎn)片面地將結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值要求由“≥0.50MPa”提升至“≥0.84MPa”，引導(dǎo)結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)品朝著較高強(qiáng)度發(fā)展，按照6倍的安全系數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值必然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)0.14MPa，如結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)度達(dá)到1.5MPa，按照6倍的安全系數(shù)計(jì)算，設(shè)計(jì)值高達(dá)0.25 MPa，大大超出業(yè)界公認(rèn)的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值限值0.14 MPa，勢(shì)必增大幕墻安全風(fēng)險(xiǎn)[2、9]。

　　歐洲標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置強(qiáng)度保持率指標(biāo)，控制結(jié)構(gòu)膠在經(jīng)過(guò)各種環(huán)境及復(fù)雜受力老化后，力學(xué)性能沒(méi)有大的衰減，始終保持較穩(wěn)定的性能。標(biāo)準(zhǔn)JG/T475標(biāo)準(zhǔn)同樣采用了該要求，這也是滿足歐洲標(biāo)準(zhǔn)ETAG002及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JG/T475的結(jié)構(gòu)膠之所以具有預(yù)期25年使用壽命的主要原因，而并非是其設(shè)計(jì)的安全系數(shù)取值高于我國(guó)要求。

　　4.結(jié)論

　　(1)我國(guó)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102中對(duì)硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的設(shè)計(jì)，強(qiáng)度設(shè)計(jì)值取定值0.14MPa，是采用結(jié)構(gòu)膠的強(qiáng)度“標(biāo)準(zhǔn)值”，并非強(qiáng)度“平均值”，“標(biāo)準(zhǔn)值”和“平均值”兩者概念不同，標(biāo)準(zhǔn)JG/T475規(guī)定的“標(biāo)準(zhǔn)值≥0.5MPa”，一般是高于GB16776規(guī)定的“平均值≥0.6 MPa”的要求，此外，標(biāo)準(zhǔn)JG/T475還要求報(bào)告初始剛度及剛度模量，標(biāo)準(zhǔn)JG/T475與規(guī)范JGJ102、GB 50068要求相協(xié)調(diào)一致，更加適合規(guī)范要求。

　　(2)幕墻用結(jié)構(gòu)膠的設(shè)計(jì)方法，國(guó)內(nèi)外各國(guó)均有相應(yīng)要求，不能將各國(guó)的不同要求混為一談，誤導(dǎo)結(jié)構(gòu)膠的正確使用。為降低建筑幕墻設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，可提高設(shè)計(jì)安全系數(shù)，而不是提高強(qiáng)度設(shè)計(jì)值，設(shè)計(jì)強(qiáng)度值不應(yīng)超過(guò)0.14 MPa，否則會(huì)造成安全風(fēng)險(xiǎn)。

　　(3)標(biāo)準(zhǔn)JG/T475-2015主要參照歐洲標(biāo)準(zhǔn)ETAG002-2012要求，符合該標(biāo)準(zhǔn)要求的硅酮結(jié)構(gòu)密封膠產(chǎn)品，按照規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)施工，可達(dá)到預(yù)期25年使用壽命，與我國(guó)規(guī)范JGJ 102規(guī)定“幕墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)使用年限不應(yīng)少于25年”相協(xié)調(diào)。JG/T475-2015標(biāo)準(zhǔn)科學(xué)先進(jìn)，應(yīng)得到正確的引導(dǎo)宣傳和應(yīng)用，以促進(jìn)建筑幕墻工程質(zhì)量穩(wěn)定及安全。

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