建筑幕墻用硅酮結構密封膠結構設計與應用研究
——以蛇口片區頤養康復醫療中心項目為例

晏正根 高新來 張杰

1.創羿（上海）建筑工程咨詢有限公司 上海 201100

2.廣州集泰化工股份有限公司 廣東 廣州 510670

玻璃幕墻作為一種廣泛使用的建筑維護結構墻，其通透性高、節能效果好，能更好的展示建筑形象等優點被應用在各種高層建筑中，特別是其中的無框玻璃幕墻，由于沒有金屬龍骨等非透材質的干擾，其視覺效果非常好。無框玻璃幕墻主要采用建筑幕墻用硅酮結構密封膠（簡稱硅酮結構膠）粘接傳力，大部分工程師對硅酮結構膠的理解還是建立在《玻璃幕墻工程技術規范》JG102-2003條文中硅酮結構膠傳力公式的理解上，缺乏更對硅酮結構膠更深入的理解。

1 硅酮結構膠的應用問題

1.1 問題1

關于硅酮結構膠拉伸變形承受能力通常有兩種測試方法，依據《建筑用硅酮結構密封膠》JG/T475中的“工字”型測試，依據《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應力應變性能的測定》GB/T528-2009中的“啞鈴”測試。對于同一種膠，兩種測試方法結果差異很大，當硅酮結構膠的應力為0.14MPa時，“工字”型測試的拉伸變形約為5～7%，“啞鈴”測試可能超過10%。《玻璃幕墻工程技術規范》中的變位承受能力是依據怎樣的測試條件，規范沒有明確。因此廠家在其提供的硅酮結構膠變位數據時，各自有各自的解釋。

1.2 問題2

《玻璃幕墻工程技術規范》報批稿條文說明：5.6.5在低應力水平下，硅酮結構膠的拉伸彈性模量E與其剪切模量G存在關系[1]。在低應力水平狀態下，膠體的剪切應變值約等于3倍的膠體拉伸應變值。此時膠體的剪切變形值是不是也約等于膠體拉伸變形值的3倍？硅酮結構膠的變形與拉伸、剪切模量有關，還與什么有關？

1.3 問題3

工程師往往可以把硅酮結構膠的連接等效成彈性連接，常用公式有：

σ——為硅酮結構膠應力；Es——為硅酮結構膠“工字”計算模量；

ε——為硅酮結構密封膠拉伸粘接性能試驗中受拉時的伸長率；K——為彈簧彈性系數；Δι——為硅酮結構密封膠拉伸粘接性能試驗中受拉應力時的伸長量[2]。

“工字”型硅酮結構膠受力模式中，膠用彈性連接代替時，剪切彈簧剛度是否為拉伸彈簧剛度的1/3，彈簧剛度怎么取值才合理？

1.4 問題4

硅酮結構膠受純拉或者純剪時，結構形式比較單一，當同時受到拉力和剪力共同作用時，硅酮結構膠的變形及應力比較復雜，此時，如何用軟件中簡單的辦法來代替實體硅酮結構膠與玻璃一起整體計算？

為了解決上述問題，筆者做了如下實驗及研究，具體詳見下文。

2 硅酮結構膠彈性模量

現階段通常有兩種測試方法：“工字”型測試，“啞鈴”型測試，根據力與變形的關系及材料力學公式：，此兩種測試方法可算出硅酮結構膠的“工字”計算模量Es及本體彈性模量E。“工字”計算模量Es代表的具體含義是什么？“工字”計算模量Es與硅酮結構膠本體彈性模量E差異會大嗎？

2.1 “工字”型分析

硅酮結構膠粘接尺寸b×h×L，如圖1，分別為20mm×12mm×50mm，“工字”型樣件拉應力為0.14MPa時，試驗測試的應變為5.48%，如圖2，根據力與變形的關系可得“工字”計算模量Es=2.55N/mm2。有限元分析輸入硅酮結構膠彈性模量E=2.55N/mm2，泊松比0.49，應變為3.01%，如圖3，實驗結果的應變值與有限元分析兩者應變不一樣。

圖1 “工字”型樣件

圖2 試驗變形

圖3 變形圖

觀察分析原因，“工字”型硅酮結構膠h高度較短，受拉時縮頸等非線性變化明顯，截面面積A也發生明顯變化，如圖2、圖3，而材料力學公式E=σ/ε是彈性階段的線性變形公式，實驗過程及有限元分析中均發現“工字”型樣件有明顯的幾何非線性變形[3]。

反復假定硅酮結構膠的彈性模量，當輸入的數據E=1.4N/mm2，泊松比μ=0.49，有限元分析得出硅酮結構膠應力為0.14MPa，硅酮結構膠應變為5.48%，由此可推斷出硅酮結構膠的彈性模量E=1.4N/mm2[4]。此時實驗變形值與有限元分析結果接近。此時可得出結論“工字”計算模量Es并不一定是硅酮結構膠本體彈性模量，“工字”計算模量Es是根據力與變形的關系得出的計算系數，且在實驗過程中，由于硅酮結構膠的非線性變形明顯，“工字”計算模量Es大于硅酮結構膠本體彈性模量E，此處前者是后者的1.82倍。

2.2 “啞鈴”型分析

《硫化橡膠或熱塑性橡膠拉伸應力應變性能的測定》中的“啞鈴”狀I型試樣截面尺寸為2×6mm，長度是25mm。通過有限元分析，輸入彈性模量E=1.4N/mm2，泊松比μ=0.49，硅酮結構膠應力為0.14MPa，扁長型硅酮結構膠變形值為2.4238mm，應變為9.695%（如圖4），有限元分析應變接近10%。根據力與變形關系Es=σ/ε，計算得出的硅酮結構膠的“工字”計算模量Es=1.444N/mm2與本體彈性模量的比值為1.031倍，兩者差異在5%以內。測試的硅酮結構膠計算模量Es受外形影響，此處硅酮結構膠的長寬比為12.5，長高比為3.333[5]。

圖4 變形圖

通過上述的對比分析，硅酮結構膠的“工字”型樣件計算模量Es并不是材料本體彈性模量，“啞鈴”型樣件計算得出的計算模量Es可近似等效成材料本體彈性模量。據筆者調研，國內大部分硅酮結構膠廠家提供檢測報告為“工字”型樣件的應力應變關系報告。同時筆者調研發現大部分硅酮結構膠廠家提到“啞鈴”狀樣件實驗存在問題：其一制樣厚度不穩定，其二實驗結果離散性大等。可采用“工字”型樣件測試，在通過“工字”型計算模量Es與本體彈性模量換算關系計算材料本體彈性模量，換算關系如下表1。

表1 硅酮結構膠的“工字”型拉伸計算模量Es與本體彈性模量E換算

3 硅酮結構膠彈性拉伸變形與剪切變形

根據材料力學公式理論分析，切變模量G=E/2(1+μ)，G=E/2.98=0.470MPa。根據切變模量與彈性模量的關系，剪切應變約為拉伸應變的3倍，此是理論應變關系。然而，在實際工程中硅酮結構膠是“工字”型樣件結構形式，拉伸變形為非線性變形，是否也可推導出剪切變形約為拉伸變形的3倍？如不是，差異會很大嗎？

3.1 硅酮結構膠實驗方法

按照《建筑幕墻用硅酮結構密封膠》實驗方法，硅酮結構膠“工字”樣件尺寸b×h×L分別為20mm×12mm×50mm。分別做拉伸、剪切實驗[6]。記錄每次加載荷載時的伸長量，并繪制出應力應變的曲線圖（如圖5），實驗分析應力應變關系如表2。

表2 實驗分析應力應變關系

圖5 應力應變曲線

硅酮結構膠伸長率：ε=Δι/h；硅酮結構膠“工字”型計算模量Es=σ/ε。

根據“工字”型試樣實驗可知：試驗剪切變形約為試驗拉伸變形的6.85倍。分析原因如下，“工字”型樣件拉伸變形由于縮頸非線性的影響，實際變形比線性變形要小。

3.2 硅酮結構膠有限元分析

采用midasFEANX有限元軟件模擬硅酮結構膠應力應變關系，硅酮結構膠兩側采用剛性板，垂直于剛性板表面加載面荷載，使硅酮結構膠的表面應力為0.14MPa，硅酮結構膠彈性模量取1.4N/mm2，泊松比0.49，記錄荷載作用下硅酮結構膠發生的位移如圖6所示。有限元分析可知剪切變形約為試驗拉伸變形的6.35倍，應力應變關系如表3，有限元分析能得出同樣的結論。

表3 有限元分析應力應變關系

圖6 變形圖

3.3 硅酮結構膠變形在規范中的運用

上海市工程建設規范DG/TJ08-56-2019《建筑幕墻工程技術規范》10.6.5條文及《玻璃幕墻工程技術規范》報批稿5.6.5中公式如下：

δ——硅酮結構密封膠拉伸粘接性能試驗中受拉應力為0.14N/mm2時的伸長率

δ在此公式中的運用存在歧義，現階段大部分硅酮結構膠廠家提供的是“工”字樣件應力應變報告。根據公式剪切變形為3δ，而實際上剪切變形可達到拉伸變形的6.35δ。很多工程師容易把“工”字樣件的拉伸狀態下伸長率帶入此公式中計算，此是不準確的計算方法。

4 硅酮結構膠拉伸彈簧剛度與剪切彈簧剛度

上述已分析剪切變形與拉伸變形的比例系數受硅酮結構膠膠外形的影響，“工”字型樣件的硅酮結構膠剪切變形不是拉伸變形的3倍，同理可知拉伸彈簧剛度不是剪切彈簧剛度的3倍，具體的拉伸剛度及剪切剛度可參照如下步驟：

（1）首先需要得到“工”字件試樣的應力應變曲線報告；（2）根據該報告可通過有限元方法計算反算得出硅酮結構膠的本體彈性模量；（3）然后根據實際工程項目中的硅酮結構膠尺寸，采用實體有限元方法計算出“工”字計算模量，再代入上述公式，此方法可計算出拉伸彈簧剛度；（4）同理可計算剪切彈簧剛度，注意硅酮結構膠應該建模成純剪切結構，避免發生彎曲變形。

5 硅酮結構膠在玻璃互為支撐結構中的運用

以蛇口片區頤養康復醫療中心項目為例，分析硅酮結構膠在玻璃互為支撐結構中的應用，在玻璃互為支撐的結構中，硅酮結構膠既承受拉應力又承受剪應力。項目位于廣東深圳，計算區域為首層大堂全玻璃幕墻，幕墻左側玻璃寬為1800mm，右側玻璃寬為1800mm，玻璃高為10500mm，面板玻璃采用12+2.28SGP+12+2.28SGP+12雙夾膠鋼化玻璃，玻璃結構承受一正一負風壓工況，負風壓標準值2.45KN/m2，負風壓荷載組合設計值3.7KN/m2，正風壓標準值1.73KN/m2，正風壓荷載組合設計值2.6KN/m2。

5.1 玻璃及硅酮結構膠采用實體建模分析

玻璃及硅酮結構膠采用都實體建模計算，玻璃與玻璃在陽角位置采用45°斜切，采用midasFEANX有限元軟件分析，計算簡圖及模型如圖7所示。

圖7 計算模型簡圖

硅酮結構膠實體建模計算，跨中位置S-VON-MISES應力區間為0～0.1675MPa占用總硅酮結構膠體積的比例為98.9%（如圖8），硅酮結構膠應力滿足要求。跨中位置硅酮結果膠位移圖及根據位移圖得出變形軌跡（如圖9），由變形軌跡可知硅酮結構膠的會發生拉伸變形及剪切變形，拉伸位移為0.40mm，硅酮結構膠與玻璃面發生剪切變形之后的剪切角度為90°-79.8°=10.2°。

圖8 跨中應力圖

圖9 位移軌跡圖

5.2 玻璃采用板單元，硅酮結構膠采用彈簧連接模擬分析

由于硅酮結構膠及玻璃采用實體單元建模及計算較為復雜，玻璃采用板單元，硅酮結構膠采用彈性連接，可簡化計算模型。

(1)此項目硅酮結構膠的長度為50mm，寬度為51mm，厚度為20mm，根實體建模計算應力為0.14MPa時位移為1.0427mm，如圖10，由此可算出拉伸彈簧剛度：

圖10 拉伸及剪切位移

(2)根實體建模計算應力為0.14MPa時位移為6.4476mm，如圖10，由此可算出剪切彈簧剛度：

(3)彈簧剛度代入整體模型計算硅酮結構膠的內力、玻璃應力及變形等。

計算得出跨中位置硅酮結構膠位移及根據位移得出的變形軌跡圖11，由變形軌跡可知，拉伸位移為0.42mm，剪切角度為90°-79.8°=10.2°。通過與實體建模計算對比可知，硅酮結構膠的變形誤差在5%以內。

圖11 變形軌跡圖

(4)導出硅酮結構膠內力，代入第一步驟建立的實體模型。計算得出硅酮結構膠的S-VON-MISES應力區間為0～1.776MPa占用總硅酮結構膠體積的比例為99%（圖12），與實體建模計算對比可知，應力誤差在5%以內。

圖12 跨中應力圖

5.3 對比分析結論

由上述對比分析可知：（1）玻璃采用板單元，硅酮結構膠采用彈簧支座模擬計算，硅酮結構膠的變形與實體模型誤差5%以內，能滿足計算要求；（2）提取出彈簧支座內力，用此內力導入到“工”字型硅酮結構膠的實體模型中計算應力，誤差在5%以內，能滿足設計要求。

6 結論與建議

綜上所述，國內大部分硅酮結構膠廠家提供的都是“工字”型樣件的應力應變曲線，用硅酮結構膠做復雜的結構時，應清楚硅酮結構膠的本體彈性模量，同時在用彈性連接代替硅酮結構膠與玻璃連接時，首先用有限元方法計算硅酮結構膠位移，再根據位移計算拉伸及剪切彈簧剛度。同時根據上述分析，有以下結論：

（1）當硅酮結構膠的應力為0.14MPa時，“工字”型樣件的拉伸變形與“啞鈴”樣件的拉伸變形相差較大，后者變形更大，拉伸變形率可以達到10%及以上。但“啞鈴”型硅酮結構膠樣件制樣厚度不穩定，有實驗結果離散型大等問題。

（2）根據力與變形的關系及材料力學公式：Es=σ/ε，硅酮結構膠的“工字”型計算模量Es并不是硅酮結構膠的本體彈性模量，“啞鈴”型計算得出計算模量Es可近似等效成材料本體彈性模量。

（3）硅酮結構膠的剪切變形與拉伸變形的關系與切變模量及彈性模量有關，還與硅酮結構膠的初始形態有關。其中“工字”型樣件拉伸變形由于縮頸非線性的影響，實際變形比線性變形小，“工字”型樣件剪切變形約為拉伸變形的6～7倍，并不是大部分工程師理解的3倍。

（4）上海市工程建設規范DG/TJ08-56-2019《建筑幕墻工程技術規范》10.6.5條文及《玻璃幕墻工程技術規范》報批稿5.6.5公式中，δ系數的運用存在歧義，現階段大部分硅酮結構膠廠家提供的是“工”字樣件應力應變報告。根據公式剪切變形為3δ，而實際上“工”字樣件剪切變形可達到拉伸變形的6.35δ。

（5）硅酮結構膠假定成彈性連接時，拉伸彈簧剛度不是近似剪切彈簧剛度的3倍，兩者之間的比例關系還與硅酮結構膠的初始形態有關，需要通過硅酮結構膠實體建模計算彈簧剛度。

（6）玻璃通過硅酮結構膠連接成互為支撐結構時，玻璃采用板單元，玻璃之間的硅酮結構膠采用彈簧剛度代替模擬計算與整個結構實體建模計算對比，硅酮結構膠變形及應力誤差在5%以內，此方法能滿足計算要求。