負(fù)風(fēng)壓下結(jié)構(gòu)密封膠對(duì)隱框幕墻力學(xué)行為的影響

　　隱框玻璃幕墻在服役過程中需要承受來自外界的許多方面的載荷，其中風(fēng)荷載和溫度荷載是最為重要的兩部分[1]｡風(fēng)載荷可以分為正風(fēng)載荷和負(fù)風(fēng)載荷，即正風(fēng)壓和負(fù)風(fēng)壓｡負(fù)風(fēng)壓是指建筑物在風(fēng)力作用下形成的室內(nèi)壓力大于室外壓力的力學(xué)狀態(tài)，通常出現(xiàn)在建筑物的背風(fēng)面或轉(zhuǎn)角部分｡當(dāng)幕墻承受正風(fēng)壓時(shí)，各傳力載體所受應(yīng)力為壓應(yīng)力，而負(fù)風(fēng)壓時(shí)，各傳力載體承受應(yīng)力為拉應(yīng)力，對(duì)材料的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)構(gòu)造要求高[2，3]｡因此，實(shí)際的隱框幕墻工程由于負(fù)風(fēng)壓導(dǎo)致玻璃面板脫落的事件屢見不鮮｡但是，在正負(fù)兩種不同的風(fēng)壓加載條件下，幕墻本身的承載能力是否有所區(qū)別，卻鮮有人進(jìn)行研究｡對(duì)于密集的建筑群所形成的特定風(fēng)場(chǎng)來說，負(fù)風(fēng)壓已成為隱框幕墻使用過程中的一項(xiàng)重要載荷，而目前的幕墻設(shè)計(jì)規(guī)范[4]中采用的靜力等效原則，未考慮負(fù)風(fēng)壓對(duì)幕墻系統(tǒng)承載能力的影響，這將影響幕墻系統(tǒng)在今后的正常使用｡

　　本文將負(fù)風(fēng)壓下隱框幕墻的力學(xué)行為作為研究對(duì)象，研究了隱框幕墻玻璃面板在不同的結(jié)構(gòu)密封膠粘接寬度下的應(yīng)力和撓度變化規(guī)律，分析了結(jié)構(gòu)密封膠粘接寬度對(duì)玻璃面板承載能力和抗彎能力的影響｡通過正風(fēng)壓和負(fù)風(fēng)壓實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較，得出隱框幕墻在負(fù)風(fēng)壓條件下更容易破壞的根本原因｡本文作為隱框玻璃幕墻力學(xué)行為的基礎(chǔ)研究，必將為日后的幕墻規(guī)范修訂提供參考依據(jù)｡

　　隱框玻璃幕墻試件（玻璃-結(jié)構(gòu)膠-鋁合金副框）中玻璃面板尺寸為1000mm×1000mm，厚度為6mm，為單片鋼化玻璃｡硅酮結(jié)構(gòu)膠幾何尺寸分為9mm×8mm､12mm×8mm和15mm×8mm三種，對(duì)應(yīng)的幕墻試件編號(hào)分別為1#､2#､3#｡試驗(yàn)采用正壓加載（負(fù)風(fēng)壓）方式，將隱框玻璃幕墻試件放在一個(gè)方形的實(shí)驗(yàn)架子上，通過不銹鋼六角螺栓將試件用壓塊緊固｡實(shí)驗(yàn)架子的一側(cè)連接空壓機(jī)，同時(shí)還安裝有微壓表，通過對(duì)空壓機(jī)的調(diào)節(jié)對(duì)試件施加均布載荷｡應(yīng)變的測(cè)量采用在玻璃上粘貼應(yīng)變片得到｡撓度的測(cè)量采用量程為10mm的百分表得到｡隱框幕墻玻璃應(yīng)變測(cè)量位置如圖1所示｡

　　圖1中測(cè)點(diǎn)1~5為應(yīng)變片粘貼位置，各測(cè)點(diǎn)均位于隱框幕墻玻璃面板的對(duì)角線上｡

　　圖2為負(fù)風(fēng)壓均布荷載施加歷程曲線｡加載歷程分0.5kPa､1.0kPa､1.5kPa和2.0kPa四個(gè)過程｡

　　在各加載歷程，分別采集玻璃面板表面測(cè)點(diǎn)1~5的應(yīng)變數(shù)據(jù)及中心測(cè)點(diǎn)5和邊緣測(cè)點(diǎn)6的撓度數(shù)據(jù)｡測(cè)點(diǎn)6位于玻璃面板中心對(duì)稱軸的最邊緣位置，用于測(cè)量結(jié)構(gòu)密封膠的撓度變化，測(cè)點(diǎn)6的位置在圖1中未標(biāo)出｡通過所測(cè)得的應(yīng)變數(shù)據(jù)計(jì)算相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力｡

　　3.1 數(shù)據(jù)處理

　　在負(fù)風(fēng)壓加載的條件下，分別測(cè)量了結(jié)構(gòu)密封膠幾何尺寸分為9mm×8mm､12mm×8mm和15mm×8mm三個(gè)隱框幕墻試件在各加載歷程下的應(yīng)變和撓度，測(cè)試環(huán)境溫度為25e｡根據(jù)相關(guān)公式和測(cè)點(diǎn)1~5的應(yīng)變數(shù)據(jù)，計(jì)算相應(yīng)測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力數(shù)值[5]｡

　　3.2 測(cè)試結(jié)果

　　圖3~5分別是三個(gè)隱框幕墻試件中玻璃面板各測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力曲線和最大撓度曲線｡

　　從圖3可以看出，隱框幕墻試件在承受負(fù)風(fēng)壓時(shí)，無論結(jié)構(gòu)密封膠的粘接寬度為何值，玻璃面板對(duì)角線上最大主應(yīng)力的分布均呈線性分布｡在對(duì)角線方向的測(cè)點(diǎn)1~5中，邊緣測(cè)點(diǎn)1始終為最小主應(yīng)力測(cè)點(diǎn)，中心測(cè)點(diǎn)5始終為主應(yīng)力最大值測(cè)點(diǎn)｡對(duì)比圖3a，3b和3c，發(fā)現(xiàn)圖3b和圖3c更為類似，圖3a的應(yīng)力分布與圖3b和圖3c差異較大｡圖3a中各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力差值較大，不存在應(yīng)力近似測(cè)點(diǎn)｡觀察圖3b和3c，發(fā)現(xiàn)雖然測(cè)點(diǎn)5的主應(yīng)力值最大，但其主應(yīng)力值與測(cè)點(diǎn)4的主應(yīng)力值相差很小｡

　　圖4表明，三個(gè)隱框幕墻試件在承受負(fù)風(fēng)壓時(shí)，對(duì)角線方向各測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力值均隨風(fēng)壓值的增加呈線性增加｡觀察圖4a，4b和4c，發(fā)現(xiàn)越是靠近板中心的測(cè)點(diǎn)，其應(yīng)力值受風(fēng)壓變化的影響越大，也就是說，靠近板中心測(cè)點(diǎn)的應(yīng)力增長梯度高于邊緣測(cè)點(diǎn)｡但是，圖4b和圖4c中的測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)5的最大主應(yīng)力值非常接近｡考慮玻璃面板的尺寸為1000mm×1000mm，玻璃面板本身為軸對(duì)稱性質(zhì)，那么在其他的三條玻璃面板對(duì)角線上也會(huì)有相同的現(xiàn)象存在｡那么，當(dāng)隱框幕墻試件2#和試件3#承受負(fù)風(fēng)壓時(shí)，玻璃面板對(duì)角線上的測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)5之間的環(huán)形區(qū)域?yàn)檎麄�(gè)玻璃面板上應(yīng)力梯度最小的區(qū)域，同時(shí)也是整個(gè)玻璃面板上的最大應(yīng)力區(qū)域｡雖然圖4a中測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)5的應(yīng)力相差較大，但是測(cè)點(diǎn)4和測(cè)點(diǎn)5之間的環(huán)形區(qū)域仍是整個(gè)玻璃面板最大應(yīng)力區(qū)域｡

　　在不同風(fēng)壓加載歷程以及不同的結(jié)構(gòu)膠粘接寬度條件下，觀察幕墻試件玻璃面板上的撓度變化，發(fā)現(xiàn)中心測(cè)點(diǎn)5始終為撓度最大值測(cè)點(diǎn)｡將三種不同結(jié)構(gòu)膠粘接寬度條件下的玻璃面板中心測(cè)點(diǎn)5的撓度值繪制成圖如圖5所示｡觀察圖5，發(fā)現(xiàn)三個(gè)撓度曲線比較接近｡當(dāng)負(fù)風(fēng)壓為0.5kPa時(shí)，幕墻試件1#的玻璃面板撓度值為三個(gè)幕墻試件中的最大撓度值｡當(dāng)風(fēng)壓高于0.5kPa時(shí)，幕墻試件3#的玻璃面板撓度值高于幕墻試件1#的撓度值，成為三個(gè)幕墻試件中的最大撓度值｡這說明，通過增加結(jié)構(gòu)密封膠的粘接寬度，并不能夠提高隱框玻璃幕墻在負(fù)風(fēng)壓下的抗彎性能｡此外，在一定的風(fēng)壓條件下，減小粘接寬度對(duì)于隱框玻璃幕墻的影響有可能會(huì)小于增加粘接寬度的影響｡

　　3.3.1 負(fù)風(fēng)壓加載對(duì)隱框幕墻力學(xué)行為的影響

　　通過本文中實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與隱框幕墻試件在正風(fēng)壓加載條件下的數(shù)據(jù)比較[6]，發(fā)現(xiàn)隱框玻璃幕墻的核心結(jié)構(gòu)玻璃面板-結(jié)構(gòu)密封膠-鋁合金副框決定了其在承受負(fù)風(fēng)壓時(shí)，承載能力和抗彎能力的下降｡這在以往的研究中，被人們所忽略｡當(dāng)然，隱框幕墻整體在承受負(fù)風(fēng)壓時(shí)，要求各構(gòu)件具備更好的力學(xué)性能和結(jié)構(gòu)構(gòu)造，也是隱框幕墻在負(fù)風(fēng)壓下容易破壞的一個(gè)原因｡但是，如何通過提高玻璃面板-結(jié)構(gòu)密封膠-鋁合金副框這種結(jié)構(gòu)本身的力學(xué)性能，才是提高負(fù)風(fēng)壓下隱框幕墻質(zhì)量的根本所在｡

　　3.3.2 結(jié)構(gòu)密封膠對(duì)負(fù)風(fēng)壓下隱框幕墻受力狀態(tài)的影響分析

　　通過對(duì)三個(gè)幕墻試件的測(cè)試，發(fā)現(xiàn)玻璃面板邊緣測(cè)點(diǎn)1始終為主應(yīng)力最小值，且三個(gè)幕墻試件的五個(gè)測(cè)點(diǎn)中，測(cè)點(diǎn)1的應(yīng)力值相差較小，這說明結(jié)構(gòu)密封膠粘接寬度的變化對(duì)隱框幕墻玻璃面板的邊緣部分影響較小｡此外，中心測(cè)點(diǎn)5始終為主應(yīng)力最大值測(cè)點(diǎn)，這說明結(jié)構(gòu)密封膠粘接寬度的變化不能影響隱框幕墻玻璃面板的最大應(yīng)力分布｡但是，結(jié)構(gòu)密封膠粘接寬度的不同造成了三個(gè)幕墻試件玻璃面板上各測(cè)點(diǎn)的最大主應(yīng)力值的差異｡通過以上分析，可以說明結(jié)構(gòu)密封膠作為隱框幕墻的一種支承條件，不能影響隱框玻璃幕墻在負(fù)風(fēng)壓條件下的根本力學(xué)行為，支承條件的不同決定了隱框玻璃幕墻的承載能力和抗彎性能的差異｡

　　3.3.3 粘接寬度對(duì)隱框幕墻承載能力的影響分析

　　對(duì)比圖3中a､b､c三圖，發(fā)現(xiàn)幕墻試件1#在各風(fēng)壓加載歷程下的最大主應(yīng)力值均為三個(gè)幕墻試件中的最大值，而幕墻試件3#的最大主應(yīng)力值次之｡這說明，一味的追求結(jié)構(gòu)膠粘接寬度的增大，并不一定會(huì)提高隱框幕墻在負(fù)風(fēng)壓下的承載能力｡

　　三個(gè)幕墻試件在不同加載歷程下的主應(yīng)力最大值如表1所示｡比較幕墻試件1#和試件2#，發(fā)現(xiàn)兩者之間最大主應(yīng)力的差值隨著風(fēng)壓的變化先增大后減小｡在風(fēng)壓值為1.0kPa時(shí)，兩幕墻試件的應(yīng)力差值最大｡幕墻試件2#和幕墻試件3#的應(yīng)力差值的變化亦是如此｡

　　從圖3和表1中可以看到隨著結(jié)構(gòu)密封膠粘接寬度的增大，幕墻試件玻璃面板的主應(yīng)力先減小后增大，5kPa除外｡這說明，對(duì)于既定尺寸的隱框玻璃幕墻，結(jié)構(gòu)密封膠粘接寬度存在一個(gè)最優(yōu)值｡幕墻試件2#的粘接寬度12mm也只是根據(jù)JGJ102-2003的經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算得到，并沒有人通過理論計(jì)算或模型模擬來驗(yàn)證其是否為最優(yōu)值｡

　　3.3.4 粘接寬度對(duì)隱框幕墻抗彎能力的影響分析

　　根據(jù)JGJ102-2003，計(jì)算尺寸為1000mm×1000

mm的玻璃面板能夠到達(dá)的最大應(yīng)力和撓度｡三個(gè)幕墻試件測(cè)試中測(cè)量到的各加載歷程的最大撓度值與根據(jù)JGJ102-2003計(jì)算的撓度值如表2所示｡

　　從表2可以看出，幕墻試件2#在各加載歷程的撓度值相對(duì)試件1#均有所降低，而幕墻試件3#的各撓度值反而比試件1的撓度還要大，0.5kPa時(shí)除外｡這說明，結(jié)構(gòu)密封膠對(duì)于玻璃面板抗彎性能的影響并非是隨著尺寸的增加而性能更加良好，而是有一個(gè)粘接寬度最優(yōu)值的存在｡

　　通過幕墻試件在負(fù)風(fēng)壓下所測(cè)量到的最大撓度與根據(jù)JGJ102-2003所計(jì)算的最大撓度對(duì)比，發(fā)現(xiàn)玻璃面板在負(fù)風(fēng)壓加載方式下所測(cè)量到的撓度均大于計(jì)算所得的撓度值｡JGJ102-2003采用靜力等效的原則來計(jì)算玻璃面板的應(yīng)力值和撓度值，忽略了負(fù)風(fēng)壓對(duì)于隱框幕墻力學(xué)行為的影響，這必將對(duì)隱框玻璃幕墻在實(shí)際中使用造成巨大影響｡

　　本文從負(fù)風(fēng)壓加載的角度出發(fā)，考察了不同結(jié)構(gòu)膠粘接寬度對(duì)于隱框玻璃幕墻力學(xué)行為的影響，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析比較，得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論：

　　（1）核心結(jié)構(gòu)玻璃面板-結(jié)構(gòu)密封膠-鋁合金副框決定了隱框玻璃幕墻在承受負(fù)風(fēng)壓時(shí)承載能力和抗彎能力的下降；

　�。�2）結(jié)構(gòu)密封膠作為隱框幕墻的一種支承條件，不能影響隱框幕墻在負(fù)風(fēng)壓條件下的根本力學(xué)行為，但是，支承條件的不同決定了隱框幕墻的承載能力和抗彎性能的差異；

　�。�3）隱框幕墻的力學(xué)性能同結(jié)構(gòu)密封膠粘接寬度之間的關(guān)系并非簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，粘接寬度存在一個(gè)最優(yōu)值；

　�。�4）隱框幕墻試件在負(fù)風(fēng)壓下測(cè)量得到的撓度值，均大于根據(jù)JGJ102-2003計(jì)算所得的撓度值，JGJ102-2003在撓度和應(yīng)力計(jì)算中忽略了負(fù)風(fēng)壓的影響，造成了隱框幕墻先天的不足，亟需修訂｡