幕墻系統中結構膠計算方法和設計概念

　　摘要 ：在整個歷史發展過程中，玻璃結構裝配引入外墻和幕墻行業已經有超過30年的歷史了。玻璃的結構裝配中，通常使用具有高強度，高持久性的結構密封膠把玻璃黏接在幕墻框架上。這種玻璃結構裝配的概念的引入，在外墻框架玻璃結構的設計上給予了設計師和建筑師更多的自由， 而且在全球范圍內改變了對建筑的審美觀念。

　　在整個歷史發展過程中，玻璃結構裝配引入外墻和幕墻行業已經有超過30年的歷史了。玻璃的結構裝配中，通常使用具有高強度，高持久性的結構密封膠把玻璃黏接在幕墻框架上。這種玻璃結構裝配的概念的引入，在外墻框架玻璃結構的設計上給予了設計師和建筑師更多的自由， 而且在全球范圍內改變了對建筑的審美觀念。

　　在設計和計算結構膠的數值時，它需要能夠承受在玻璃上所受到的各種載荷。在結構裝配被引入以后，形成了一些基本的經驗計算公式，這些公式已經被幕墻和結構裝配行業的設計師和核算師所信賴。

　　這種公式其實是從工程學上的概念得來的，即在幕墻框架上的玻璃所受到的各種載荷等于黏接玻璃的結構膠所產生的抵抗強度。

　　因此，假如施加的載荷取風壓在玻璃表面上壓力，抵抗強度取施工長度方向上的結構膠所承受的強度，那根據施加的載荷等于抵抗的強度這個工程學概念，結構膠的施工寬度可以從下面的公式得出：

　　注： BITE=結構膠寬度 DWL=設計風壓 W=玻璃板塊短邊長度
　　SDS=結構膠設計強度 L=玻璃板塊長邊長度

　　這個基本的經驗公式在玻璃結構裝配開始的時候就被用來估計或者計算結構膠的注膠寬度， 而且在這個行業里面已經被廣泛接受。由于這個經驗公式已經在大量國內外項目上使用，有這樣的支持，這個提供結構膠設計的經驗公式一直沒有改變過，成功地在各種環境條件下使用了10多年。另外一方面，這個公式計算出來的結構膠寬度擁有非常高的安全系數，在這個行業里面也是無庸置疑的。

　　在現在的建筑設計中，為了減少浪費并且提供具有親和力的設計和建筑材料，合理設計和價值工程的概念已經被廣泛應用。設計師和各種材料供應商現在有責任采取行動來平衡合理設計安全系數，提高材料質量，而并不是建筑質量跟隨項目預算那么不確定。

　　當然結構膠的設計和使用也沒有例外。為了取得這個平衡，結構膠寬度的設計也需要經歷價值工程概念的審核。因此，假如結構膠寬度的設計公式帶來了材料過份的，不必要的浪費，那我們就必須對于這個公式進行重新審核。

　　為了進行重新審核，我們必須分析一下現在的經驗公式。結構膠的寬度計算是由一個函數組成， 這個函數包括建筑設計風壓（DWL）,最長短邊長度（W）和結構膠的設計強度（SDS）。這3個參數的數值，已經成為提供合理安全設計的障礙物。讓我們一個一個地來分析。

　　建筑設計風壓（DWL）,是根據建筑物的相應地理位置上所受到的風壓力，同時也根據建筑能夠抗拒多少年一遇的災害性氣候，比如10年，50年，甚至100年。設計風壓是跟應用在該項目上所選擇的使用期限有聯系。大多數的設計是在歷史數據的基礎上選取的。

　　在公式中的最長短邊長度（W），是選取該項目上最大玻璃板塊的短邊長度。這個模式是假設在項目上所使用的玻璃板塊的尺寸都是最大的，這個假設也是最苛刻的。除非所有最大尺寸的玻璃都使用，否則這個假設的安全系數已經遠遠超過了實際上需要的設計了。

　　結構膠的設計強度（SDS），代表結構膠在施加載荷的情況下允許的最大強度。在結構裝配已開始，20psi 或者140Kpa已經被廣泛地應用和接受。但在建筑膠行業里面，大多數的結構膠都能夠大大超越這個數值，一般來說都能夠達到4-8倍的安全系數。

　　為了滿足不標準化的施工條件，質量控制，施工工藝和控制產品差異的需求，提供一個合理的安全系數是非常基本和必要的。然而，建立在3個參數基礎上的安全系數， 往往超過了結構膠寬度真實的需求。

　　具有諷刺意義的是，很多人認為更大的結構膠寬度能夠帶來更多的安全系數，相反，當結構膠寬度過大的時候反而會引起一些操作上的失誤。一般來講，對于單組份結構膠，寬度超過15mm已經是比較大的了。

　　較小厚度的結構膠節點， 在大寬度的時候是很難注入節點里面的，即使是有經驗的工人和使用較好的打膠機也不例外。另外，一個較大寬度帶來可能或不可避免的疑慮是當注膠的時候可能會有大量氣泡帶入或者空氣不能排除，這些氣泡或空氣的進入，明顯的較少了結構膠之間或結構膠和玻璃，型材間的接觸，從而導致強度的減弱。

　　當時用經驗公式計算出的結構膠寬度大于15mm時，我們有3種方法來對工程項目進行重新核對，在不影響設計安全的情況下，檢查這么大寬度的結構膠是否真的需要。


　　1. 梯形承載的計算方法
　　這種方法被認為比較準確的反映了在玻璃上的受力情況。使用這種方法計算時，建筑設計風壓(DWL), 最長短邊長度（W）,結構膠設計強度(SDS)都沒有改變，同時也不會減少他們的安全系數。這種方法就是比經驗公式更加合理的分配施加在玻璃上的載荷。

　　為了更加簡便的分析，我們假設施加在玻璃上的載荷是由兩個對邊的結構膠來承受（比方說A和C），見下圖。另外兩個對邊(B和D) 沒有任何限制并且對于風壓不提供任何支撐。在大多數兩邊結構的裝配中，B和D部分或者使用鋁框格，或者壓平修整，這樣一來兩邊結構的裝配就變成了四邊結構。另外兩邊(B和D) 受到的強度需要在使用鋁框格的時候計算強度是否滿足。

　　同時，在工程學上面使用梯形承載計算方法是比較常用的，這種現實的承載方式能夠具體分配在玻璃上的載荷。一般這種方法比較適合長寬比在2：1的時候。見下圖。

　　下面的一個案例是傳統設計方法和梯形設計方法的比較，分別得出不同的結構膠寬度。使用這種合理的設計方法，可以在不變的設計安全情況下減少結構膠的寬度。

　　2. 增加結構膠設計強度, SDS
　　在第二種可選擇的方案中，把基本的計算方法中結構膠設計強度SDS提高，增加到整個行業可以接受的范圍里面，而不是以往的20psi或140kpa。

　　ASTM C-1135 是測試結構膠在各種環境條件下的試驗方法，其中規定在各種條件測試下得出的最小拉伸強度為50psi或者是345kpa，所有的結構膠測試出來的數據都大大超過這個范圍。相比結構膠的設計強度（20psi或140kpa），都可以達到至少2.5倍的安全系數。

　　當測試ASTM C1135的時候，大多數的結構膠都能夠給出超過100psi或者690kpa的最大拉伸強度，從而給出了一個更加安全的設計結構。

　　對于個別案例，在需要的時候結構膠的生產廠家可以給出一個相比傳統公式更加高的設計強度。在這種案例中，需要有大量的實驗數據來證明結構膠產品的實際最大拉伸強度，提供一個可靠的，可以接受的安全數據來滿足項目的要求。

　　中國的幕墻標準JC/T102-2003中，允許的結構膠設計強度已經更改為28.5psi 或者是200kpa，現在已經在所有國內幕墻項目上應用。

　　下面的一個案例是使用中國新的規范和傳統設計方法的比較。當使用這種合理的設計方法時，是用減少的安全系數來增加結構膠的設計強度SDS，這種方法必須得到相關設計師，業主，結構膠生產廠家的認可。

　　3. 綜合拉伸和剪切強度的作用
　　這種結構，注入結構膠不單單應用在玻璃板片的背后，而且在玻璃的四周也同時注入，固化以后形成L型的節點，那結構膠所產生的作用實際上是綜合了拉伸和剪切的強度，為A和B兩個部分，如圖所示。

　　基本的結構膠計算方式可以用來計算A和B共同作用下結構膠的寬度。

　　對于A部分來說，結構膠所承受的強度已經在前面介紹過了。而對于B部分來講，是在玻璃受到風壓的時候表現出來的剪切力，ASTM C-961是用來測量結構膠剪切力的強度，可以用來確定結構膠表現出來的強度。

　　假如結構膠的剪切強度能夠達到或大于100psi或690kpa, 我們可以討論得出對于B部分，同樣可以使用20psi(140kpa)作為剪切強度的設計強度，也擁有至少5倍的安全設計。

　　從下面的計算案例可以看到，單單使用A部分強度的計算結果和同時使用A和B部分共同作用下的計算方法。當結構膠剪切力存在的時候，同樣可以看作結構膠產生的一種抗拒力，這樣結構膠寬度就能夠明顯的減少。 但要注意，不管什么情況下，A部分結構膠的最小寬度要達到6mm。

　　在開始的時候，最理想的還是選用基本的經驗公式來計算結構膠的寬度， 當然可以利用上面任何一種計算方式對結構進行重新審核。比較適合的規則當然是在寬度小于15mm的時候選用基本的計算方法，當出現大于15mm的寬度是，可以請教設計師，技術工程是，甚至是硅膠生產廠膠來評估選用比較合適的計算方式。

　　幕墻工程的安全責任依靠設計師，幕墻公司和硅膠的生產廠家加入到節點設計和施工操作上。同時保證安全還是首要的任務。

　　以上提出的幾種重復計算方法都能夠有效的減少結構膠的寬度。現在需要大家共同認識到這種合理的設計理念，既有效的減少材料的浪費，同時又維護公共安全的責任。

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