紫外與熱耦合環境下的隱框玻璃幕墻結構膠加速老化設備*

郝夢瑤，何京波，余忠輝，謝宇芳，張道修

(1 深圳市房屋安全和工程質量檢測鑒定中心，廣東深圳 518051；2 廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州 510665)

1 引言

隱框玻璃幕墻是建筑幕墻的一種，其面板材料為鋼化玻璃，橫向和豎向框架構件不顯露于面板室外側，在高層和超高層結構中廣泛使用［1］。隱框玻璃幕墻的面板通過硅酮結構膠與副框連接，硅酮結構膠承擔幕墻面板的自重荷載以及面板受風壓、溫度等因素影響產生的荷載，隨著玻璃幕墻使用年限的增長，幕墻的整體性能劣化，隱框玻璃幕墻安全事故時有發生。以實際工程應用的隱框玻璃幕墻為對象，研究隱框玻璃幕墻的玻璃面板與副框之間硅酮結構膠的性能，己成為隱框玻璃幕墻安全性評價的聚焦點。

針對硅酮結構膠老化性能研究的常用做法是將硅酮結構膠制成工字件或啞鈴型試件，試件的尺寸和形狀符合JG/T 475-2015《建筑幕墻用硅酮結構密封膠》的要求，并將養護完成的試件置于標準的老化箱中進行人工加速老化或者室外自然曝曬［2-3］，老化后將試件取出，在常溫條件下放置特定時間后，按GB 16776-2005進行相關參數測定［4］。己有研究表明，通過人工加速老化試驗，紫外老化和高溫老化均會對硅酮結構膠的性能產生不同程度的影響［5-6］。

現有的研究設備難以用于足尺幕墻單元的研究，主要原因為：一是研究對象不同，將硅酮結構膠作為幕墻面板邊界約束研究面板的振動特性時，需將足尺的幕墻單元作為整體為對象進行研究；二是現有的老化設備功能具有單一性，用于工字件和啞鈴型試件的標準老化箱不能滿足幕墻單元的老化需求。為了研究整體幕墻單元性能隨老化時間的變化規律，本文設計了一種紫外與熱耦合的隱框玻璃幕墻結構膠加速老化設備。

2 設備構成與技術參數

2.1 設備系統構成

紫外與熱耦合的隱框玻璃幕墻結構膠加速老化設備，包括試驗測試工作箱、紫外控制系統、溫度控制系統以及主控系統。紫外控制系統、溫度控制系統和主控系統布置于試驗測試工作箱的側面，試驗測試工作箱用于放置隱框玻璃幕墻單元，紫外控制系統、溫度控制系統受控于主控系統；紫外控制系統和溫度控制系統產生紫外線和溫度以用于加速試驗測試工作箱中玻璃幕墻的老化，并將試驗測試工作箱中的輻照度和溫度信息反饋至主控系統。設備還包括報警保護系統和加載系統，報警保護系統實時監控試驗測試工作箱、紫外控制系統和溫度控制系統，同時將試驗測試工作箱內的輻照度和溫度狀態反饋至主控系統。老化裝置的結構框圖如圖1所示。

圖1 老化裝置的結構框圖Fig.1 The structure diagram of the aging equipment

2.2 設備模塊功能

2.2.1 試驗測試工作箱

試驗測試工作箱包括頂板、底板以及中間層。中間層焊接于頂板和底板之間；中間層包括角鋼形立柱以及承托架；角鋼形立柱沿其長度方向間隔焊接有鋼片，承托架與鋼片焊接，隱框玻璃幕墻單元水平放置于承托架上。頂板和底板內置有保溫材料，保溫材料為硬質阻燃聚氨酯發泡材質制成，頂板的下表面和底板的上表面均設置反射鏡，承托架設有用于將隱框玻璃幕墻單元吊起的掛鉤。圖2為試驗測試工作箱的內部構造圖。

圖2 老化裝置內部構造圖Fig.2 The internal structure drawing of the aging equipment

2.2.2 紫外控制系統

紫外控制系統包括輻照度探測器、鎮流器以及紫外光源。輻照度探測器用于采集紫外光源信號，鎮流器對紫外光源進行功率調節。輻照度探測器用于采集紫外光源信號，并傳遞至可編程邏輯控制器（PLC）處理，再利用鎮流器對紫外光源進行功率調節，使紫外光源的輻照度達到設定值。圖3為隱框玻璃幕墻的老化裝置中紫外控制系統的結構框圖。

圖3 老化裝置中紫外控制系統的結構框圖Fig.3 The UV control system structure diagram of the aging equipment

2.2.3 溫度控制系統

溫度控制系統包括溫度傳感器、加熱器、抽風機以及循環風道。抽風機的進風口與加熱器連接，抽風機的出風口與循環風道連接，循環風道的通風口位于試驗測試工作箱內；加熱器產生的熱量后，通過抽風機將加熱空氣輸送至循環風道，溫度傳感器監測試驗測試工作箱內溫度并將溫度數據發送至主控系統，主控系統分析溫度數據后反饋調節加熱器的加熱功率。圖4為隱框玻璃幕墻的老化裝置中溫度控制系統的結構框圖。

圖4 老化裝置中溫度控制系統的結構框圖Fig.4 The temperature control system structure diagram of the aging equipment

2.3 設備技術參數

設備的工作箱承托架的尺寸為1200mm×1200mm，試驗工作室設置10層，每層凈空100mm。紫外光源采用T12型UVB 313紫外光源，單只功率40W，每個工作箱采用80根紫外燈源。鎮流器采用德國HEP可調節鎮流器，最大可調節功率為55W，能夠驅動40W紫外光源，實現輻照度強度0.95W/m2UVB。加熱器采用750W的鼓風風機，由循環風道產生空氣流動將加熱器產生的熱量均勻分布在試驗測試工作箱。試驗測試工作箱的溫度設定為80℃。

（1）試驗測定工作箱

① 以高層和超高層常用的中空玻璃幕墻為研究對象，中空玻璃的規格選用常見的“6+12A+6”，即：內層玻璃和外層玻璃的厚度為12mm，中空玻璃中間的間隔層（空氣層）厚度為9mm。本文中隱框玻璃幕墻單元的尺寸設定為1200mm×1200mm。根據待測隱框玻璃幕墻單元的尺寸，實驗測試工作箱承托架的尺寸為1200mm×1200mm。為了放置更多數量的幕墻單元，試驗工作室設置10層，每層凈空100mm。

② 為滿足隱框玻璃幕墻單元S和試驗測試工作箱的尺寸，選擇尺寸偏小的傳感器和千斤頂。千斤頂一端頂于試驗測試工作箱的立柱，另一端與測力傳感器相連，測力傳感器的另一端頂于隱框玻璃幕墻單元S側面，其中試驗測試工作箱的立柱、千斤頂、力傳感器和隱框玻璃幕墻單元S側面之間均放置墊片。其中一個千斤頂布置在隱框玻璃幕墻單元S的一側，另一個千斤頂布置在隱框玻璃幕墻單元S的面板上，能夠模擬硅酮結構膠受剪切力的情況。

（2）紫外控制系統

紫外燈源的放置如圖5所示。紫外系統中的輻照度探測器的作用是監測輻照度光信號強度，優選用光譜響應區間在200～400 nm的光敏二級管作為輻照度探頭，可以有效覆蓋UVA（315～400 nm）和UVB（285～390nm）兩種紫外光源的發光光譜范圍，且具有良好的溫度穩定性。UVB313所采用的短波長比目前地球表面上通常找到的UV光波波長更短，破壞性更強，可模擬波長為285～390 nm的太陽光紫外線光譜，因此選用UVB313型燈作為待測隱框玻璃幕墻單元S人工加速老化的光源，UVB313型燈采用德國HEP可調節鎮流器驅動，實現0.95W/m2UVB輻照度強度。

圖5 紫外燈源的布置Fig.5 Arrangement of UV lamp source

（3）溫度控制系統

采用加熱器對整個實驗測試工作箱進行加熱，加熱器采用750W的鼓風機，加熱器產生熱量后，通過抽風機將加熱空氣輸送至循環風道，循環風道產生空氣流動使熱量均勻分布在試驗測試工作箱內，使得工作箱內的所有試件受熱均勻。試驗測試工作箱內溫度設定為80℃且可控，溫度傳感器監測試驗測試工作箱內溫度并將溫度數據發送至主控系統，主控系統分析溫度數據后反饋調節加熱器的加熱功率；采用PT100溫度單元芯片作為溫度傳感器，用來實時檢測試驗工作室內的溫度。循環風道產生空氣流動的示意圖如圖6所示。

（4）其他

主控制系統由主控程序和人機界面組成。人機界面采用昆侖通態觸摸屏中文彩色液晶觸摸式人機界面，主控程序使用可編程控制器（PLC）編譯控制程序。主控程序包含紫外控制、溫度控制、預警保護控制等子系統程序，通過可編程控制器（PLC）編譯的控制邏輯程序，可直接輸入、顯示、控制試驗工作室的溫度和輻照度強度，并通過人機界面顯示試驗測試工作箱內的溫度、濕度和系統的安裝狀態。當系統產生故障時，顯示報警信息，并自動啟動停機狀態，確保無人監控時的安全性。

預警保護系統是針對試驗過程中的溫度、輻照度和系統故障進行報警和停機保護。其中，溫度、輻照度和系統故障預警分別獨立。若試驗工作箱內溫度超過閾值，溫度預警保護系統啟動報警，同時切斷電源；若輻照度超過閾值或強度過低時，輻照度預警保護系統啟動報警，同時切斷電源；當出現接地保護裝置失效、漏電/斷電保護失效、鼓風電機過載等故障時，系統故障預警保護系統啟動報警，同時切斷電源。

2.4 設備特征

隱框玻璃幕墻結構膠加速老化設備可以同時放置特定尺寸的工字件和啞鈴型試件和足尺的隱框玻璃幕墻單元，對玻璃幕墻單元和標準試件進行同條件的老化試驗；設備內輻照度強度能達到0.95W/m2UVB，溫度穩定在80℃且可控；老化設備的試驗測試工作箱、紫外控制系統、溫度控制系統、報警保護系統以及主控系統是5個相互獨立的模塊，具有易裝配性，便于測試過程中隱框玻璃幕墻單元的搬運。

（1）易裝配

老化設備的試驗測試工作箱、紫外控制系統、溫度控制系統、報警保護系統以及主控系統是5個相互獨立的模塊。試驗測試工作箱和紫外控制系統、溫度控制系統、報警保護系統和主控系統可依靠下方鎖死的滾輪與地面的摩擦力保持一個整體，也可采用角鋼與螺栓相互連接。當試驗測試工作箱中放置或者移動隱框玻璃幕墻單元S時，紫外控制系統、溫度控制系統、報警保護系統和主控系統這幾個模塊可以移動至其它位置，從而方便工作人員的操作。

（2）試件布置

試驗測試工作箱承托架的尺寸為1200mm×1200mm。試驗工作室設置10層，每層放置一塊1200mm×1200mm的隱框玻璃幕墻單元，一個工作箱可放置10塊隱框幕墻單元。由于隱框玻璃幕墻單元水平放置于承托架上，因此隱框玻璃幕墻單元側邊的玻璃、硅酮結構膠、副框不會被遮擋，老化效果也不會受到影響。同時在每層隱框玻璃幕墻單元的面板上均勻放置一定數量的標準試件，與玻璃幕墻單元同時進行老化試驗。隱框幕墻玻璃與標準試件的放置如圖7所示。

圖7 隱框幕墻玻璃與標準試件的放置圖Fig.7 Exhibition of concealed frame glass and standard specimen

（3）輻照度及溫度

輻照度探測器用于采集紫外光源信號，并傳遞至可編程邏輯控制器（PLC）處理后，利用鎮流器對紫外光源進行功率調節，使紫外光源的輻照度達到設定值。鎮流器最大調節功率55W，可以驅動紫外光源40W至最大輸出效率，實現輻照度強度0.95W/m2UVB。采用加熱器對整個試驗測試工作箱進行加熱，通過抽風機將加熱空氣輸送至循環風道，循環風道產生空氣流動使熱量均勻分布在試驗測試工作箱內，使得工作箱內的所有試件受熱均勻。試驗測試工作箱內溫度設定為80℃且可控。

3 結論

（1）本文設計了一種紫外與熱耦合的隱框玻璃幕墻結構膠加速老化設備，老化設備具有易裝配的特征，由試驗測試工作箱、紫外控制系統、溫度控制系統、主控系統、報警保護系統等模塊有機構成。

（2）老化設備可實現對足尺幕墻單元副框與玻璃之間硅酮結構膠的環繞型等量紫外輻照，在保證幕墻四邊接受的紫外輻照達到最大均勻性和最大輻照度的同時，試驗工作室可容納足夠多的足尺幕墻單元樣品，這為研究隱框玻璃幕墻面板與副框間硅酮結構膠的性能提供了可能。