引 言
我國
中空玻璃年產(chǎn)量目前已超過2.2億平方米，主要用于
建筑門窗幕墻，在提高建筑
熱阻降低能耗中具有重要地位。
中空玻璃是相間隔的兩片玻璃經(jīng)周邊
粘接密封裝配的單元
構(gòu)件，它由數(shù)種材料構(gòu)成（如圖1所示），應(yīng)用于建筑時，其中的玻璃規(guī)格、
密封膠品牌、粘結(jié)寬度和厚度等均由建筑
結(jié)構(gòu)設(shè)計者給定。邊緣粘接是該單元構(gòu)件的唯一結(jié)構(gòu)性連接，受建筑
風(fēng)壓和氣壓作用，玻璃
撓曲變形使該連接產(chǎn)生復(fù)雜的受力效應(yīng)。建筑中空玻璃出現(xiàn)的過早
結(jié)露、
滲水、邊緣開膠甚至外層玻璃墜落事故，多與邊緣粘接
耐久性和
承載力不足有關(guān)。結(jié)構(gòu)設(shè)計對風(fēng)壓
荷載已有充分考慮，本文著重分析氣壓
荷載效應(yīng)及與中空玻璃邊緣粘結(jié)尺寸、密封膠
模量的相關(guān)性，并對其承載安全問題提出了建議。
1.中空玻璃腔內(nèi)氣體壓力效應(yīng)
1)中空玻璃的腔內(nèi)氣體狀態(tài)
密封腔內(nèi)外氣體壓差引起中空玻璃撓曲變形（圖1）。中空玻璃內(nèi)氣體主要是空氣（或氬氣），其性質(zhì)接近理想氣體。眾所周知氣體的體積、壓力、溫度遵循理想氣體狀態(tài)方程(克拉伯龍方程）：
pV = nRT
（1）式中：p——氣體壓強，kPa
V——氣體體積，m3
T——體系溫度，K
n——氣體物質(zhì)的量，單位mol
R——理想氣體常數(shù)
被邊緣密封膠封閉在腔內(nèi)氣體的摩爾質(zhì)量 n 為恒定值，氣體初始狀態(tài)決定于粘結(jié)密封裝配溫度T0、大氣壓力P0 和初始容積V0，狀態(tài)改變后其線性關(guān)系遵循式（2）方程：
(2)
2)高海拔產(chǎn)生的氣壓差和穩(wěn)壓措施
沿海地區(qū)生產(chǎn)的中空玻璃在高海拔城市使用時，由于單元件內(nèi)氣體氣壓力高于當(dāng)?shù)氐拇髿鈮毫ΓＡ锨冃危踔猎谶\輸安裝過程中
爆裂，其壓力大小取決于海拔高度，表1列出典型城市的氣壓差，如西安為4.08kpa, 貴州為11.21kpa, 拉薩高達(dá)34.77kpa。為平衡中空玻璃內(nèi)外氣壓差的破壞作用，跨區(qū)間運行的鐵路車輛
門窗中空玻璃多設(shè)置平衡氣壓的裝置（如氣囊）。建筑
門窗幕墻行業(yè)的穩(wěn)壓措施較為簡單，企業(yè)對上海、深圳、秦皇島、天津等沿海城市生產(chǎn)的中空玻璃應(yīng)用于高海拔城市建筑時，多會要求單元件安裝
不銹鋼呼吸管（內(nèi)徑1.6mm），以保持內(nèi)外氣壓平衡，直至建筑安裝后再行彎折，這一穩(wěn)壓措施已為業(yè)內(nèi)熟知。
3)高溫產(chǎn)生的氣壓差和穩(wěn)壓措施
建筑安裝的中空玻璃有可見的光學(xué)畸變現(xiàn)象，在
隱框幕墻上尤為明顯，這種現(xiàn)象與溫度變化引起中空玻璃內(nèi)氣體增壓（減壓）導(dǎo)致
面板產(chǎn)生的相對
撓度有關(guān)。當(dāng)中空玻璃內(nèi)氣體溫度Tt,（k）高于封裝溫度T0,（k）時，若視氣體容積(V)不變，環(huán)境大氣壓力為p0(如100kpa)條件下，使玻璃撓曲的氣壓差ΔPt 可按下式（3）驗算：
（3）式中：pt——Tt t溫度時氣體壓力(kpa)。
防止高溫下氣體膨脹增壓使中空玻璃撓曲變形，已知措施是設(shè)置連通大氣的呼吸管，高溫時呼出部分氣體，低溫時吸入氣體。美國莫頓公司進行了相應(yīng)的條件試驗 ，試件規(guī)格為(6＋12＋6), 尺寸為356mm×508mm的中空玻璃，測定試件在溫度50℃～80℃下的撓度見表2，圖2。該試件分別用兩種密封膠粘接，其中5#～6#不填充
干燥劑，1#、3#有呼吸管（
不銹鋼管徑0.5mm，長300mm）。試驗結(jié)果表明：無呼吸管的試件出現(xiàn)撓曲變形，最大撓度為0.17mm；不同密封膠粘接的試件撓度不同；有
干燥劑試件的撓度略大于無干燥劑試件。可見呼吸管能有效平衡氣壓。
2.呼吸管對中空玻璃功能壽命的影響
呼吸管可降低中空玻璃內(nèi)氣體在海拔高度變化中產(chǎn)生的氣壓，但彎折后無法避免封閉氣體隨溫度波動產(chǎn)生的氣壓作用。連通大氣的呼吸管可使中空玻璃內(nèi)氣壓與環(huán)境氣壓平衡，但呼吸管成為呼吸大氣濕氣的通道，加速干燥劑飽和吸濕速度，影響中空玻璃的耐久
隔熱壽命。莫頓公司提出設(shè)置呼吸管的中空玻璃預(yù)測壽命模型1：
(4)式中：L——有呼吸管中空玻璃的壽命，a
E——無呼吸管中空玻璃壽命，a
C——氣候系數(shù)（mg/a.m3)
D——間隔框中干燥劑的飽和吸濕能力（mg/cm）
P——間隔框填充干燥劑的長度（cm）
V——中空玻璃內(nèi)氣體容積（cm3）
以洛杉磯地區(qū)（C=0.86 mg/a.m3)為例，建筑中空玻璃壽命20年（規(guī)格600mm×1200mm×19mm），設(shè)置呼吸管后預(yù)測壽命僅為13.34年。主要影響因素是中空玻璃內(nèi)氣體容積和氣候系數(shù)。氣候系數(shù)與地理位置、玻璃朝向、空氣含濕量及日溫差幅度有關(guān)，資料給出美國城市背陰/向陽位置氣候系數(shù)，南部邁阿密和布朗斯維爾地區(qū)最大，分別為1.67/2.27和1.76/2.45（mg/a.m3）。
3.中空玻璃邊緣粘接設(shè)計和密封膠的選材分析
建筑環(huán)境溫度每天都有一個峰值，每年有一個極大值，中空玻璃內(nèi)氣壓將相應(yīng)循環(huán)變化。若初始體積（V0）保持不變，Tt 溫度下內(nèi)外氣壓差（ΔPt）可按式（3）計算，該壓力作用于玻璃，邊緣粘接體產(chǎn)生
拉應(yīng)力（F）并伸長變形（ε，%），將改變中空玻璃
腔體厚度使容積等比例擴張（ΔV，%）、氣體壓力等比例下降（ΔPv，％）(圖3)。
泊松比0.5的密封膠初始變形階段（25％內(nèi)）可視為
彈性體，拉
應(yīng)力（f）、伸長應(yīng)變（ε，%）與初始
彈性模量（E0）呈線性關(guān)系 ，則：
ΔPv＝ΔV＝ε＝ f / E0 （%）
(5)密封膠伸長后中空玻璃內(nèi)氣體與大氣壓力差可按下式計算：
（6）若設(shè)定足夠的粘接寬度，保證Tt 溫度下邊緣密封膠的應(yīng)力為
強度設(shè)計值f1s，中空玻璃粘結(jié)寬度 Cs 按極限承載力狀態(tài)驗算應(yīng)符合下式：
(7)式中：a——矩形中空玻璃的短邊尺寸，mm
示例：沿海城市（P0=100kpa）密封粘接的中空玻璃，尺寸為1000mm×1500mm，間隔厚度12mm，封裝溫度15℃，在當(dāng)?shù)亟ㄖ褂闷陂g，腔內(nèi)氣體溫度可達(dá)到50℃，若密封膠完全
剛性，保持內(nèi)腔容積不變（ΔV≈0），按式（3）計算腔內(nèi)外氣壓差ΔPt 可達(dá)12.2kpa，遠(yuǎn)大于已知建筑的
風(fēng)荷載：
若有三個牌號的密封膠可供選擇，其
彈性模量E0分別為7Mpa（
拉伸10%應(yīng)力0.70Mpa）、2.3Mpa（拉伸10%應(yīng)力0.23Mpa）、1.4Mpa（拉伸10%應(yīng)力0.14 Mpa），密封膠的
強度設(shè)計值f1s＝0.14Mpa，分別驗算氣體50℃溫度時中空玻璃內(nèi)空間的容積變化率ΔV、與環(huán)境的氣壓差ΔPv、中空玻璃彈性密封膠粘結(jié)寬度最低限值Cs，驗算結(jié)果列于表3。
示例驗算結(jié)果可見：中空玻璃內(nèi)氣壓隨密封膠彈性模量的提高而增大，為保證足夠的粘接
承載能力，必須加大粘接寬度；低模量可降低內(nèi)氣壓，減小粘接寬度，減少密封用膠量。示例的驗算條件尚未考慮循環(huán)荷載的疲勞效應(yīng)，亦未考慮建筑瞬時變動風(fēng)荷載的組合效應(yīng)。
4.無框支撐中空玻璃粘接寬度設(shè)定及選材
建筑無框支撐的中空玻璃如圖4，除受內(nèi)氣壓作用外，負(fù)風(fēng)壓吸拉
玻璃面板對邊緣密封膠產(chǎn)生拉力，在間隔框尺寸給定的膠層厚度條件下，中空玻璃邊緣的粘接寬度設(shè)定和
硅酮密封膠適用模量的選擇成為粘接設(shè)計重要內(nèi)容。
1)邊緣密封膠粘接
強度標(biāo)準(zhǔn)值和設(shè)計值
歐洲
建筑玻璃結(jié)構(gòu)粘接體系認(rèn)證規(guī)范依據(jù)應(yīng)用經(jīng)驗，規(guī)定邊緣粘接
拉伸強度標(biāo)準(zhǔn)值按試驗結(jié)果統(tǒng)計取值，認(rèn)為這一取值最為可靠 ，該取值方法與GB 50068建筑結(jié)構(gòu)
可靠度設(shè)計統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的統(tǒng)計方法一致 ，即以試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，按75%置信度取概率95%拉伸
粘結(jié)強度為強度標(biāo)準(zhǔn)值式（8），產(chǎn)品大于該值的概率為95%。該取值方法利于不同產(chǎn)品的性能表征和應(yīng)用。
σR,5 =σX,23℃ －ταβ. S
(8)式中：
σX,23℃ ——23℃粘接拉伸試驗的強度平均值;
S ——n個試件試驗結(jié)果統(tǒng)計的標(biāo)準(zhǔn)偏差：
ταβ ——75%置信度5%偏差因子，取值決定于試件數(shù)n，如：
n=5，ταβ ＝2.46 σR,5=σX －2.46×S
n=10, ταβ =2.10 σR,5=σX －2.10×S
不同品牌密封膠的粘接拉伸強度設(shè)計值，歐洲建筑玻璃結(jié)構(gòu)粘接體系認(rèn)證規(guī)范（CE）按式（9）驗算并設(shè)定：
f1s ≤σR,5 /6
（9）同美國、日本采用經(jīng)驗值（140 kpa）相比較, 這種取值方法有利于粘接設(shè)計合理選用密封膠。
2)中空玻璃粘接寬度Cs設(shè)計驗算
a) 瞬時風(fēng)壓作用下粘接寬度
瞬時風(fēng)荷載（W）作用下矩形中空玻璃應(yīng)力分布近似梯形，單元件邊緣粘結(jié)承載能力按極限承載力狀態(tài)驗算，應(yīng)符合式(10），驗算結(jié)果應(yīng)與式(7)比較，取可靠值：
Cs≥ 6 mm
（10）式中: β——風(fēng)荷載
分項系數(shù)
當(dāng)d1≦ d2時，β≈1/2 則β≡1/2
當(dāng)d1> d2時， β> 1/2 則β=1
b) 無自重支撐單元件邊緣粘接寬度的設(shè)定
當(dāng)?shù)撞繜o自重支撐時，邊緣粘接體將承受外片玻璃的
永久荷載，其寬度Cs應(yīng)符合下式（11）：
(11)式中： Wg——外片玻璃的自重；
fws——永久荷載下密封膠粘接
剪切強度設(shè)計值（取持久荷載下無蠕變的試驗值）；
h ——外片玻璃寬度或長度尺寸。
c) 彈性模量適用的密封膠選擇
考慮環(huán)境溫度循環(huán)變化，中空玻璃內(nèi)部氣壓循環(huán)作用于玻璃，綜合作用于密封膠的循環(huán)拉應(yīng)力效應(yīng)，由式（7）可推導(dǎo)驗算模量適用的密封膠的初始彈性模量:
（12）
5.邊緣粘接構(gòu)造形式
本文有關(guān)氣壓荷載對邊緣粘接效應(yīng)的分析是以兩面粘接為基礎(chǔ)，而目前中空玻璃邊緣構(gòu)造形式主要是三面粘接（圖1）。研究表明三面粘接的變形要小于兩面粘接，粘接體變形受到（對間隔框的）第三面粘接約束并改變其應(yīng)力分布，因此控制結(jié)構(gòu)應(yīng)力水平的有效方法是采用更加柔性的密封膠而不是相反 。
ASTM C1249《結(jié)構(gòu)密封膠粘結(jié)中空玻璃二道密封應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)指南》要求“中空玻璃單元件邊緣粘結(jié)密封設(shè)計類似于單元件與
框架系統(tǒng)粘結(jié)的設(shè)計方法，符合ASTM C1184標(biāo)準(zhǔn)是粘結(jié)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)密封膠的起碼要求”，“建筑壽命期內(nèi)，中空玻璃單元件二道密封體必須保持足夠的柔性，以適應(yīng)施加在中空玻璃單元件上的所有荷載”，“應(yīng)將中空玻璃單元件二道密封膠的應(yīng)力限制在140kpa以內(nèi)” 。中空玻璃結(jié)構(gòu)密封膠產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)（ASTM C1369）在重要性及應(yīng)用中規(guī)定“本標(biāo)準(zhǔn)不規(guī)定密封膠的模量，因為適用的模量是該密封膠被用于特定中空玻璃體系的一個函數(shù)（即玻璃粘接體系對模量的要求是隨中空間
隔條的規(guī)格、玻璃的尺寸、安裝狀態(tài)及粘接構(gòu)造等條件不同而變化）” 。所以，產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)不應(yīng)規(guī)定模量的限量指標(biāo)，而應(yīng)要求報告初始應(yīng)力-應(yīng)變曲線及模量值，以滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計對粘接材料的選擇要求 。
粘接設(shè)計設(shè)定的粘接寬度應(yīng)有足夠的尺寸，密封膠的模量不宜過低，應(yīng)保證荷載下玻璃的位移不超出底部支撐。一道密封為
塑性粘流體，玻璃相對位移時可較好地保持密封層的連續(xù)性，為防止過量位移破壞其連續(xù)性，邊部可采用隨動性間隔條、含干燥劑的柔性間隔條等，如圖5邊部構(gòu)造中可隨玻璃同向運動的U型間隔條，可減少
熱塑性密封層的變位并減小邊緣粘接體的應(yīng)力。
6.建議
GB/T11944修訂中提出中空玻璃產(chǎn)品15年壽命期，但驗證試驗表明送檢樣品的達(dá)標(biāo)率尚不足70%，而實際建筑使用中的產(chǎn)品壽命可能更短。中空玻璃邊緣的可靠粘接是其功能壽命的重要保障，歐洲門窗幕墻規(guī)范以壽命25年為基礎(chǔ)對中空玻璃及邊緣粘接材料規(guī)定了全面技術(shù)要求，消化吸收國外經(jīng)驗有益于提高邊緣粘接的耐久性和
可靠性，若能將中空玻璃壽命延長一年，其效益至少相當(dāng)于全國建筑中空玻璃一年安裝量的產(chǎn)值；建議工程技術(shù)規(guī)范充分考慮中空玻璃的內(nèi)氣壓荷載效應(yīng)，對邊緣粘接設(shè)計提出要求；建議門窗幕墻
中空玻璃密封膠產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)提高抗?jié)駳?a href='../../zsk/ct.asp?id=5914' target='_blank' style='font-size:1em; border-bottom:1px dotted blue;'>滲透性指標(biāo)，規(guī)定結(jié)構(gòu)設(shè)計必需的彈性模量、強度標(biāo)準(zhǔn)值、設(shè)計值等技術(shù)指標(biāo)及一致性要求，保證與建筑規(guī)范相協(xié)調(diào)，促進密封膠的技術(shù)進步和質(zhì)量的持續(xù)穩(wěn)定。
未經(jīng)許可，不得轉(zhuǎn)載！
