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在整個歷史發(fā)展過程中，玻璃結(jié)構(gòu)裝配引入外墻和幕墻行業(yè)已經(jīng)有超過 30 年的歷史了。玻璃的結(jié)構(gòu)裝配中，通常使用具有高強度，高持久性的結(jié)構(gòu)密封膠把玻璃黏接在幕墻框架上。這種玻璃結(jié)構(gòu)裝配的概念的引入，在外墻框架玻璃結(jié)構(gòu)的設(shè)計上給予了設(shè)計師和建筑師更多的自由， 而且在全球范圍內(nèi)改變了對建筑的審美觀念。
在設(shè)計和計算結(jié)構(gòu)膠的數(shù)值時，它需要能夠承受在玻璃上所受到的各種載荷。在結(jié)構(gòu)裝配被引入以后，形成了一些基本的經(jīng)驗計算公式，這些公式已經(jīng)被幕墻和結(jié)構(gòu)裝配行業(yè)的設(shè)計師和核算師所信賴。
這種公式其實是從工程學(xué)上的概念得來的，即在幕墻框架上的玻璃所受到的各種載荷等于黏接玻璃的結(jié)構(gòu)膠所產(chǎn)生的抵抗強度。因此，假如施加的載荷取風(fēng)壓在玻璃表面上壓力，抵抗強度取施工長度方向上的結(jié)構(gòu)膠所承受的強度，那根據(jù)施加的載荷等于抵抗的強度這個工程學(xué)概念，結(jié)構(gòu)膠的施工寬度可以從下面的公式得出：
這個基本的經(jīng)驗公式在玻璃結(jié)構(gòu)裝配開始的時候就被用來估計或者計算結(jié)構(gòu)膠的注膠寬度， 而且在這個行業(yè)里面已經(jīng)被廣泛接受。由于這個經(jīng)驗公式已經(jīng)在大量國內(nèi)外項目上使用，有這樣的支持，這個提供結(jié)構(gòu)膠設(shè)計的經(jīng)驗公式一直沒有改變過，成功地在各種環(huán)境條件下使用了 10 多年。另外一方面，這個公式計算出來的結(jié)構(gòu)膠寬度擁有非常高的安全系數(shù)，在這個行業(yè)里面也是無庸置疑的。
在現(xiàn)在的建筑設(shè)計中，為了減少浪費并且提供具有親和力的設(shè)計和建筑材料，合理設(shè)計和價值工程的概念已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。設(shè)計師和各種材料供應(yīng)商現(xiàn)在有責(zé)任采取行動來平衡合理設(shè)計安全系數(shù)，提高材料質(zhì)量，而并不是建筑質(zhì)量跟隨項目預(yù)算那么不確定。
當(dāng)然結(jié)構(gòu)膠的設(shè)計和使用也沒有例外。為了取得這個平衡，結(jié)構(gòu)膠寬度的設(shè)計也需要經(jīng)歷價值工程概念的審核。因此，假如結(jié)構(gòu)膠寬度的設(shè)計公式帶來了材料過份的，不必要的浪費，那我們就必須對于這個公式進(jìn)行重新審核。為了進(jìn)行重新審核，我們必須分析一下現(xiàn)在的經(jīng)驗公式。結(jié)構(gòu)膠的寬度計算是由一個函數(shù)組成， 這個函數(shù)包括建筑設(shè)計風(fēng)壓(DWL)，最長短邊長度(W)和結(jié)構(gòu)膠的設(shè)計強度(SDS)。這 3 個參數(shù)的數(shù)值，已經(jīng)成為提供合理安全設(shè)計的障礙物。讓我們一個一個地來分析。
建筑設(shè)計風(fēng)壓(DWL)，是根據(jù)建筑物的相應(yīng)地理位置上所受到的風(fēng)壓力，同時也根據(jù)建筑能夠抗拒多少年一遇的災(zāi)害性氣候，比如10年，50年，甚至100年。設(shè)計風(fēng)壓是跟應(yīng)用在該項目上所選擇的使用期限有聯(lián)系。大多數(shù)的設(shè)計是在歷史數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上選取的。
在公式中的最長短邊長度(W)，是選取該項目上最大玻璃板塊的短邊長度。這個模式是假設(shè)在項目上所使用的玻璃板塊的尺寸都是最大的，這個假設(shè)也是最苛刻的。除非所有最大尺寸的玻璃都使用，否則這個假設(shè)的安全系數(shù)已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了實際上需要的設(shè)計了。
結(jié)構(gòu)膠的設(shè)計強度(SDS)，代表結(jié)構(gòu)膠在施加載荷的情況下允許的最大強度。在結(jié)構(gòu)裝配已開始，20psi 或者 140Kpa 已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用和接受。但在建筑膠行業(yè)里面，大多數(shù)的結(jié)構(gòu)膠都能夠大大超越這個數(shù)值，一般來說都能夠達(dá)到 4-8倍的安全系數(shù)。為了滿足不標(biāo)準(zhǔn)化的施工條件，質(zhì)量控制，施工工藝和控制產(chǎn)品差異的需求，提供一個合理的安全系數(shù)是非?；竞捅匾?。然而，建立在 3 個參數(shù)基礎(chǔ)上的安全系數(shù)， 往往超過了結(jié)構(gòu)膠寬度真實的需求。具有諷刺意義的是，很多人認(rèn)為更大的結(jié)構(gòu)膠寬度能夠帶來更多的安全系數(shù)，相反，當(dāng)結(jié)構(gòu)膠寬度過大的時候反而會引起一些操作上的失誤。一般來講，對于單組份結(jié)構(gòu)膠，寬度超過 15mm 已經(jīng)是比較大的了。較小厚度的結(jié)構(gòu)膠節(jié)點， 在大寬度的時候是很難注入節(jié)點里面的，即使是有經(jīng)驗的工人和使用較好的打膠機也不例外。另外，一個較大寬度帶來可能或不可避免的疑慮是當(dāng)注膠的時候可能會有大量氣泡帶入或者空氣不能排除，這些氣泡或空氣的進(jìn)入，明顯的較少了結(jié)構(gòu)膠之間或結(jié)構(gòu)膠和玻璃，型材間的接觸，從而導(dǎo)致強度的減弱。
當(dāng)時用經(jīng)驗公式計算出的結(jié)構(gòu)膠寬度大于 15mm 時，我們有 3 種方法來對工程項目進(jìn)行重新核對，在不影響設(shè)計安全的情況下，檢查這么大寬度的結(jié)構(gòu)膠是否真的需要。
1. 梯形承載的計算方法
這種方法被認(rèn)為比較準(zhǔn)確地反映了在玻璃上的受力情況。使用這種方法計算時，建筑設(shè)計風(fēng)壓(DWL)， 最長短邊長度(W)，結(jié)構(gòu)膠設(shè)計強度(SDS)都沒有改變，同時也不會減少他們的安全系數(shù)。這種方法就是比經(jīng)驗公式更加合理的分配施加在玻璃上的載荷。
為了更加簡便的分析，我們假設(shè)施加在玻璃上的載荷是由兩個對邊的結(jié)構(gòu)膠來承受(比方說 A 和 C)，見下圖。另外兩個對邊(B 和 D) 沒有任何限制并且對于風(fēng)壓不提供任何支撐。在大多數(shù)兩邊結(jié)構(gòu)的裝配中，B 和 D 部分或者使用鋁框格，或者壓平修整，這樣一來兩邊結(jié)構(gòu)的裝配就變成了四邊結(jié)構(gòu)。另外兩邊(B 和 D) 受到的強度需要在使用鋁框格的時候計算強度是否滿足。
同時，在工程學(xué)上面使用梯形承載計算方法是比較常用的，這種現(xiàn)實的承載方式能夠具體分配在玻璃上的載荷。一般這種方法比較適合長寬比在 2：1 的時候。見下圖。
下面的一個案例是傳統(tǒng)設(shè)計方法和梯形設(shè)計方法的比較，分別得出不同的結(jié)構(gòu)膠寬度。使用這種合理的設(shè)計方法，可以在不變的設(shè)計安全情況下減少結(jié)構(gòu)膠的寬度。
2. 增加結(jié)構(gòu)膠設(shè)計強度， SDS
在第二種可選擇的方案中，把基本的計算方法中結(jié)構(gòu)膠設(shè)計強度 SDS 提高，增加到整個行業(yè)可以接受的范圍里面，而不是以往的 20psi 或 140kpa。ASTM C-1135 是測試結(jié)構(gòu)膠在各種環(huán)境條件下的試驗方法，其中規(guī)定在各種條件測試下得出的最小拉伸強度為 50psi 或者是 345kpa，所有的結(jié)構(gòu)膠測試出來的數(shù)據(jù)都大大超過這個范圍。相比結(jié)構(gòu)膠的設(shè)計強度(20psi 或 140kpa)，都可以達(dá)到至少 2.5 倍的安全系數(shù)。當(dāng)測試 ASTM C1135 的時候，大多數(shù)的結(jié)構(gòu)膠都能夠給出超過 100psi 或者690kpa 的最大拉伸強度，從而給出了一個更加安全的設(shè)計結(jié)構(gòu)。對于個別案例，在需要的時候結(jié)構(gòu)膠的生產(chǎn)廠家可以給出一個相比傳統(tǒng)公式更加高的設(shè)計強度。在這種案例中，需要有大量的實驗數(shù)據(jù)來證明結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)品的實際最大拉伸強度，提供一個可靠的，可以接受的安全數(shù)據(jù)來滿足項目的要求。
中國的幕墻標(biāo)準(zhǔn) JC/T102-2003 中，允許的結(jié)構(gòu)膠設(shè)計強度已經(jīng)更改為28.5psi 或者是 200kpa，現(xiàn)在已經(jīng)在所有國內(nèi)幕墻項目上應(yīng)用。下面的一個案例是使用中國新的規(guī)范和傳統(tǒng)設(shè)計方法的比較。當(dāng)使用這種合理的設(shè)計方法時，是用減少的安全系數(shù)來增加結(jié)構(gòu)膠的設(shè)計強度 SDS，這種方法必須得到相關(guān)設(shè)計師，業(yè)主，結(jié)構(gòu)膠生產(chǎn)廠家的認(rèn)可。
3. 綜合拉伸和剪切強度的作用
這種結(jié)構(gòu)，注入結(jié)構(gòu)膠不單單應(yīng)用在玻璃板片的背后，而且在玻璃的四周也同時注入，固化以后形成 L 型的節(jié)點，那結(jié)構(gòu)膠所產(chǎn)生的作用實際上是綜合了拉伸和剪切的強度，為A和B兩個部分，如圖所示。
基本的結(jié)構(gòu)膠計算方式可以用來計算 A 和 B 共同作用下結(jié)構(gòu)膠的寬度。對于 A 部分來說，結(jié)構(gòu)膠所承受的強度已經(jīng)在前面介紹過了。而對于 B 部分來講，是在玻璃受到風(fēng)壓的時候表現(xiàn)出來的剪切力，ASTM C-961 是用來測量結(jié)構(gòu)膠剪切力的強度，可以用來確定結(jié)構(gòu)膠表現(xiàn)出來的強度。
假如結(jié)構(gòu)膠的剪切強度能夠達(dá)到或大于 100psi 或 690kpa， 我們可以討論得出對于 B 部分，同樣可以使用 20psi(140kpa)作為剪切強度的設(shè)計強度，也擁有至少5 倍的安全設(shè)計。從下面的計算案例可以看到，單單使用 A 部分強度的計算結(jié)果和同時使用 A和 B 部分共同作用下的計算方法。當(dāng)結(jié)構(gòu)膠剪切力存在的時候，同樣可以看作結(jié)構(gòu)膠產(chǎn)生的一種抗拒力，這樣結(jié)構(gòu)膠寬度就能夠明顯的減少。 但要注意，不管什么情況下，A 部分結(jié)構(gòu)膠的最小寬度要達(dá)到 6mm。
在開始的時候，最理想的還是選用基本的經(jīng)驗公式來計算結(jié)構(gòu)膠的寬度， 當(dāng)然可以利用上面任何一種計算方式對結(jié)構(gòu)進(jìn)行重新審核。比較適合的規(guī)則當(dāng)然是在寬度小于 15mm 的時候選用基本的計算方法，當(dāng)出現(xiàn)大于 15mm 的寬度是，可以請教設(shè)計師，技術(shù)工程師，甚至是結(jié)構(gòu)膠生產(chǎn)廠膠來評估選用比較合適的計算方式。幕墻工程的安全責(zé)任依靠設(shè)計師，幕墻公司和結(jié)構(gòu)膠的生產(chǎn)廠家加入到節(jié)點設(shè)計和施工操作上。同時保證安全還是首要的任務(wù)。
以上提出的幾種重復(fù)計算方法都能夠有效的減少結(jié)構(gòu)膠的寬度?，F(xiàn)在需要大家共同認(rèn)識到這種合理的設(shè)計理念，既有效的減少材料的浪費，同時又維護(hù)公共安全的責(zé)任。
