玻璃之家讯：引 言
我国中空玻璃年产量目前已超过2.2亿平方米，主要用于建筑门窗幕墙，在提高建筑热阻降低能耗中具有重要地位。中空玻璃是相间隔的两片玻璃经周边粘接密封装配的单元构件，它由数种材料构成（如图1所示），应用于建筑时，其中的玻璃规格、密封胶品牌、粘结宽度和厚度等均由建筑结构设计者给定。边缘粘接是该单元构件的唯一结构性连接，受建筑风压和气压作用，玻璃挠曲变形使该连接产生复杂的受力效应。建筑中空玻璃出现的过早结露、渗水、边缘开胶甚至外层玻璃坠落事故，多与边缘粘接耐久性和承载力不足有关。结构设计对风压荷载已有充分考虑，本文着重分析气压荷载效应及与中空玻璃边缘粘结尺寸、密封胶模量的相关性，并对其承载安全问题提出了建议。
1.中空玻璃腔内气体压力效应
1)中空玻璃的腔内气体状态
密封腔内外气体压差引起中空玻璃挠曲变形（图1）。中空玻璃内气体主要是空气（或氩气），其性质接近理想气体。众所周知气体的体积、压力、温度遵循理想气体状态方程(克拉伯龙方程）：
pV = nRT
（1）式中：p——气体压强，kPa
V——气体体积，m3
T——体系温度，K
n——气体物质的量，单位mol
R——理想气体常数
被边缘密封胶封闭在腔内气体的摩尔质量 n 为恒定值，气体初始状态决定于粘结密封装配温度T0、大气压力P0 和初始容积V0，状态改变后其线性关系遵循式（2）方程： (2)
2)高海拔产生的气压差和稳压措施
沿海地区生产的中空玻璃在高海拔城市使用时，由于单元件内气体气压力高于当地的大气压力，玻璃将挠曲变形，甚至在运输安装过程中爆裂，其压力大小取决于海拔高度，表1列出典型城市的气压差，如西安为4.08kpa, 贵州为11.21kpa, 拉萨高达34.77kpa。为平衡中空玻璃内外气压差的破坏作用，跨区间运行的铁路车辆门窗中空玻璃多设置平衡气压的装置（如气囊）。建筑门窗幕墙行业的稳压措施较为简单，企业对上海、深圳、秦皇岛、天津等沿海城市生产的中空玻璃应用于高海拔城市建筑时，多会要求单元件安装不锈钢呼吸管（内径1.6mm），以保持内外气压平衡，直至建筑安装后再行弯折，这一稳压措施已为业内熟知。
3)高温产生的气压差和稳压措施
建筑安装的中空玻璃有可见的光学畸变现象，在隐框幕墙上尤为明显，这种现象与温度变化引起中空玻璃内气体增压（减压）导致面板产生的相对挠度有关。当中空玻璃内气体温度Tt,（k）高于封装温度T0,（k）时，若视气体容积(V)不变，环境大气压力为p0(如100kpa)条件下，使玻璃挠曲的气压差ΔPt 可按下式（3）验算：
（3）式中：pt——Tt t温度时气体压力(kpa)。
防止高温下气体膨胀增压使中空玻璃挠曲变形，已知措施是设置连通大气的呼吸管，高温时呼出部分气体，低温时吸入气体。美国莫顿公司进行了相应的条件试验 ，试件规格为(6＋12＋6), 尺寸为356mm×508mm的中空玻璃，测定试件在温度50℃～80℃下的挠度见表2，图2。该试件分别用两种密封胶粘接，其中5#～6#不填充干燥剂，1#、3#有呼吸管（不锈钢管径0.5mm，长300mm）。试验结果表明：无呼吸管的试件出现挠曲变形，最大挠度为0.17mm；不同密封胶粘接的试件挠度不同；有干燥剂试件的挠度略大于无干燥剂试件。可见呼吸管能有效平衡气压。
2.呼吸管对中空玻璃功能寿命的影响
呼吸管可降低中空玻璃内气体在海拔高度变化中产生的气压，但弯折后无法避免封闭气体随温度波动产生的气压作用。连通大气的呼吸管可使中空玻璃内气压与环境气压平衡，但呼吸管成为呼吸大气湿气的通道，加速干燥剂饱和吸湿速度，影响中空玻璃的耐久隔热寿命。莫顿公司提出设置呼吸管的中空玻璃预测寿命模型1：
(4)式中：L——有呼吸管中空玻璃的寿命，a
E——无呼吸管中空玻璃寿命，a
C——气候系数（mg/a.m3)
D——间隔框中干燥剂的饱和吸湿能力（mg/cm）
P——间隔框填充干燥剂的长度（cm）
V——中空玻璃内气体容积（cm3）
以洛杉矶地区（C=0.86 mg/a.m3)为例，建筑中空玻璃寿命20年（规格600mm×1200mm×19mm），设置呼吸管后预测寿命仅为13.34年。主要影响因素是中空玻璃内气体容积和气候系数。气候系数与地理位置、玻璃朝向、空气含湿量及日温差幅度有关，资料给出美国城市背阴/向阳位置气候系数，南部迈阿密和布朗斯维尔地区最大，分别为1.67/2.27和1.76/2.45（mg/a.m3）。
3.中空玻璃边缘粘接设计和密封胶的选材分析
建筑环境温度每天都有一个峰值，每年有一个极大值，中空玻璃内气压将相应循环变化。若初始体积（V0）保持不变，Tt 温度下内外气压差（ΔPt）可按式（3）计算，该压力作用于玻璃，边缘粘接体产生拉应力（F）并伸长变形（ε，%），将改变中空玻璃腔体厚度使容积等比例扩张（ΔV，%）、气体压力等比例下降（ΔPv，％）(图3)。泊松比0.5的密封胶初始变形阶段（25％内）可视为弹性体，拉应力（f）、伸长应变（ε，%）与初始弹性模量（E0）呈线性关系 ，则：
ΔPv＝ΔV＝ε＝ f / E0 （%）
(5)密封胶伸长后中空玻璃内气体与大气压力差可按下式计算：
（6）若设定足够的粘接宽度，保证Tt 温度下边缘密封胶的应力为强度设计值f1s，中空玻璃粘结宽度 Cs 按极限承载力状态验算应符合下式：
(7)式中：a——矩形中空玻璃的短边尺寸，mm
示例：沿海城市（P0=100kpa）密封粘接的中空玻璃，尺寸为1000mm×1500mm，间隔厚度12mm，封装温度15℃，在当地建筑使用期间，腔内气体温度可达到50℃，若密封胶完全刚性，保持内腔容积不变（ΔV≈0），按式（3）计算腔内外气压差ΔPt 可达12.2kpa，远大于已知建筑的风荷载：
若有三个牌号的密封胶可供选择，其弹性模量E0分别为7Mpa（拉伸10%应力0.70Mpa）、2.3Mpa（拉伸10%应力0.23Mpa）、1.4Mpa（拉伸10%应力0.14 Mpa），密封胶的强度设计值f1s＝0.14Mpa，分别验算气体50℃温度时中空玻璃内空间的容积变化率ΔV、与环境的气压差ΔPv、中空玻璃弹性密封胶粘结宽度最低限值Cs，验算结果列于表3。
示例验算结果可见：中空玻璃内气压随密封胶弹性模量的提高而增大，为保证足够的粘接承载能力，必须加大粘接宽度；低模量可降低内气压，减小粘接宽度，减少密封用胶量。示例的验算条件尚未考虑循环荷载的疲劳效应，亦未考虑建筑瞬时变动风荷载的组合效应。
4.无框支撑中空玻璃粘接宽度设定及选材
建筑无框支撑的中空玻璃如图4，除受内气压作用外，负风压吸拉玻璃面板对边缘密封胶产生拉力，在间隔框尺寸给定的胶层厚度条件下，中空玻璃边缘的粘接宽度设定和硅酮密封胶适用模量的选择成为粘接设计重要内容。
1)边缘密封胶粘接强度标准值和设计值
欧洲建筑玻璃结构粘接体系认证规范依据应用经验，规定边缘粘接拉伸强度标准值按试验结果统计取值，认为这一取值最为可靠 ，该取值方法与GB 50068建筑结构可靠度设计统一标准规定的统计方法一致 ，即以试验数据为基础，按75%置信度取概率95%拉伸粘结强度为强度标准值式（8），产品大于该值的概率为95%。该取值方法利于不同产品的性能表征和应用。
σR,5 =σX,23℃ －ταβ. S
(8)式中：
σX,23℃ ——23℃粘接拉伸试验的强度平均值;
S ——n个试件试验结果统计的标准偏差：
ταβ——75%置信度5%偏差因子，取值决定于试件数n，如：
n=5，ταβ ＝2.46σR,5=σX －2.46×S
n=10, ταβ =2.10σR,5=σX －2.10×S
不同品牌密封胶的粘接拉伸强度设计值，欧洲建筑玻璃结构粘接体系认证规范（CE）按式（9）验算并设定：
f1s ≤σR,5 /6
（9）同美国、日本采用经验值（140 kpa）相比较, 这种取值方法有利于粘接设计合理选用密封胶。
2)中空玻璃粘接宽度Cs设计验算
a) 瞬时风压作用下粘接宽度
瞬时风荷载（W）作用下矩形中空玻璃应力分布近似梯形，单元件边缘粘结承载能力按极限承载力状态验算，应符合式(10），验算结果应与式(7)比较，取可靠值：
Cs≥ 6 mm
（10）式中:β——风荷载分项系数
当d1≦ d2时，β≈1/2则β≡1/2
当d1> d2时， β> 1/2则β=1
b)无自重支撑单元件边缘粘接宽度的设定
当底部无自重支撑时，边缘粘接体将承受外片玻璃的永久荷载，其宽度Cs应符合下式（11）：
(11)式中： Wg——外片玻璃的自重；
fws——永久荷载下密封胶粘接剪切强度设计值（取持久荷载下无蠕变的试验值）；
h ——外片玻璃宽度或长度尺寸。
c)弹性模量适用的密封胶选择
考虑环境温度循环变化，中空玻璃内部气压循环作用于玻璃，综合作用于密封胶的循环拉应力效应，由式（7）可推导验算模量适用的密封胶的初始弹性模量:
（12）
5.边缘粘接构造形式
本文有关气压荷载对边缘粘接效应的分析是以两面粘接为基础，而目前中空玻璃边缘构造形式主要是三面粘接（图1）。研究表明三面粘接的变形要小于两面粘接，粘接体变形受到（对间隔框的）第三面粘接约束并改变其应力分布，因此控制结构应力水平的有效方法是采用更加柔性的密封胶而不是相反 。
ASTM C1249《结构密封胶粘结中空玻璃二道密封应用的标准指南》要求“中空玻璃单元件边缘粘结密封设计类似于单元件与框架系统粘结的设计方法，符合ASTM C1184标准是粘结系统结构密封胶的起码要求”，“建筑寿命期内，中空玻璃单元件二道密封体必须保持足够的柔性，以适应施加在中空玻璃单元件上的所有荷载”，“应将中空玻璃单元件二道密封胶的应力限制在140kpa以内” 。中空玻璃结构密封胶产品标准（ASTM C1369）在重要性及应用中规定“本标准不规定密封胶的模量，因为适用的模量是该密封胶被用于特定中空玻璃体系的一个函数（即玻璃粘接体系对模量的要求是随中空间隔条的规格、玻璃的尺寸、安装状态及粘接构造等条件不同而变化）” 。所以，产品标准不应规定模量的限量指标，而应要求报告初始应力-应变曲线及模量值，以满足结构设计对粘接材料的选择要求 。
粘接设计设定的粘接宽度应有足够的尺寸，密封胶的模量不宜过低，应保证荷载下玻璃的位移不超出底部支撑。一道密封为塑性粘流体，玻璃相对位移时可较好地保持密封层的连续性，为防止过量位移破坏其连续性，边部可采用随动性间隔条、含干燥剂的柔性间隔条等，如图5边部构造中可随玻璃同向运动的U型间隔条，可减少热塑性密封层的变位并减小边缘粘接体的应力。
6.建议
GB/T11944修订中提出中空玻璃产品15年寿命期，但验证试验表明送检样品的达标率尚不足70%，而实际建筑使用中的产品寿命可能更短。中空玻璃边缘的可靠粘接是其功能寿命的重要保障，欧洲门窗幕墙规范以寿命25年为基础对中空玻璃及边缘粘接材料规定了全面技术要求，消化吸收国外经验有益于提高边缘粘接的耐久性和可靠性，若能将中空玻璃寿命延长一年，其效益至少相当于全国建筑中空玻璃一年安装量的产值；建议工程技术规范充分考虑中空玻璃的内气压荷载效应，对边缘粘接设计提出要求；建议门窗幕墙中空玻璃密封胶产品标准提高抗湿气渗透性指标，规定结构设计必需的弹性模量、强度标准值、设计值等技术指标及一致性要求，保证与建筑规范相协调，促进密封胶的技术进步和质量的持续稳定。
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