建筑幕墻用硅酮結構密封膠標準有關設計要求的分析探討

　　1.前言

　　我國現(xiàn)行標準《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》JGJ102-2003對建筑幕墻用硅酮結構密封膠的設計和選用做出相應規(guī)定，同時國內外有關建筑用硅酮結構膠的多個標準也提出技術指標要求，目前主要有我國國家標準GB16776-2005《建筑用硅酮結構密封膠》、建工行業(yè)標準JG/T475-2015《建筑幕墻用硅酮結構密封膠》、美國標準ASTM C1184-2005《硅酮結構密封膠》、歐洲標準ETAG 002-2012《結構密封膠裝配套件(SSGK)歐洲技術認證指南》、EN15434-2010《建筑用玻璃-結構用或抗紫外線密封膠產(chǎn)品標準(用于結構密封裝配或外露密封中空玻璃單元)》。硅酮結構密封膠的設計和選擇涉及建筑幕墻安全，選用合理的標準以便做出規(guī)范的設計對幕墻安全起著關鍵作用，本文通過分析國內外相關標準，對幕墻設計采用標準的合理性做出探討。

　　2.產(chǎn)品標準與設計相關的要求

　　2.1 ASTM C1184

　　美國標準ASTM C1184中對結構膠粘結強度的試樣方法為取5個試樣進行拉伸試驗，記錄5個試樣的最大拉伸強度并計算其平均值，要求23℃強度平均值≥0.345MPa[3]。按照強度設計值0.14 MPa計算，其最小設計安全系數(shù)約為2.5。雖然最小設計安全系數(shù)不大，但是標準ASTM C1184中要求結構膠在高溫88℃、低溫-29℃、浸水、水紫外光照老化（詞條“老化”由行業(yè)大百科提供）后的強度平均值均≥0.345MPa，即結構膠老化后的拉伸粘結強度性能和初始的要求一致，且經(jīng)過老化后設計安全系數(shù)仍保持在2.5以上，意在保證結構膠的耐久穩(wěn)定性（詞條“穩(wěn)定性”由行業(yè)大百科提供）。但實際上，有些結構膠產(chǎn)品為通過該標準要求，將初始強度提高至很大，即使老化后有大幅度的衰減，仍然能夠滿足標準要求。例如：產(chǎn)品初始強度1.5MPa，經(jīng)老化試驗后強度衰減70%，僅僅保留30%，則老化后強度值為0.45MPa，仍然滿足標準中≥0.345MPa的要求。

　　2.2 GB16776

　　GB 16776-2005主要參照美國標準ASTM C1184編制，23℃拉伸粘結性的考察也是取5個試樣進行拉伸試驗，要求5個試樣的拉伸粘結強度平均值≥0.60MPa[4]。按照強度設計值0.14 MPa計算，其最小設計安全系數(shù)約為4。標準GB 16776對結構膠的耐老化性能要求結構膠在高溫90℃、低溫-30℃、浸水、水紫外光照老化后的強度平均值均≥0.45MPa，較初始強度的要求有所降低，但老化后的設計安全系數(shù)保持在3以上，意在控制結構膠產(chǎn)品仍然具有一定的耐久性。但該要求與美國標準ASTM C1184有同樣的弊端，一些結構膠產(chǎn)品將初始強度提高至很大，即使老化后有大幅度的衰減，仍然能夠滿足標準要求。但這類產(chǎn)品老化后性能衰減明顯，易出現(xiàn)過早失效現(xiàn)象，使用壽命很短。

　　2.3 JG/T475(ETAG002、EN15434)

　　JG/T475適用于設計使用年限不低于25年的建筑幕墻工程使用的硅酮結構密封膠，其相關指標參考了歐洲ETAG002、EN15434標準[5~7]。關于硅酮結構膠23℃拉伸粘結的強度，JG/T475要求強度標準值Ru,5≥0.50MPa，標準取值方法參照歐洲標準ETAG002、EN15434，與我國GB 50068《建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準》規(guī)定一致，即材料強度的概率分布宜采用正態(tài)分布或對數(shù)正態(tài)分布，材料強度的標準值取其概率分布的0.05分位值確定[8]。強度標準值計算方法為10個平行試樣的強度平均值扣除其標準偏差影響后得出的數(shù)值，計算公式如下：

　　由上述公式可以看出，“標準值”和“平均值”兩者概念不同，不宜將JG/T475和GB16776標準中強度值技術指標的大小進行直接比較。JG/T475標準規(guī)定拉伸粘結強度標準值≥0.5MPa，一般是高于GB16776中強度平均值≥0.6 MPa的要求。

　　JG/T475標準要求報告結構膠的初始剛度及拉伸模量(剛度模量)，GB16776對該項沒有提出要求。初始剛度表征粘結材料及粘結件抵抗彈性變形的能力，以某一特定應變時的應力表示(K12.5即表示應變12.5%時的應力);剛度模量是密封膠粘結構件變形時拉應力與對應變形量的比值，表征粘結材料及粘結構件抵抗彈性變形的能力，初始剛度及模量是結構按承載能力極限狀態(tài)設計的重要參數(shù)，幕墻用結構膠的尺寸設計與剛度模量有著密切關系。

　　對結構膠的耐老化性能要求方面，JG/T 475-2015規(guī)定80℃、-20℃、水紫外光照、高溫100℃、鹽霧、酸霧、清潔劑、機械疲勞等老化試驗處理后拉伸粘結強度保持率≥75%，是一動態(tài)指標，并非一定值。旨在控制結構膠產(chǎn)品的耐久性，即要求結構膠在長期使用過程中經(jīng)受各種老化因素的影響，仍然能夠保持較穩(wěn)定的性能，具有較長的使用壽命。這也是滿足JG/T 475-2015標準的結構膠之所以具有預期25年使用壽命的關鍵要求。相比較標準ASTM C1184和GB 16776-2005中靜態(tài)指標要求更合理，避免一些產(chǎn)品為了滿足標準要求，大幅度提高23℃條件下拉伸粘結強度，以達到老化處理后拉伸粘結強度大量衰減后仍然滿足標準ASTM C1184和GB 16776-2005的要求。例如前述示例：結構膠初始23℃條件下拉伸強度1.5MPa，老化后為0.45MPa，是符合標準ASTM C1184和GB 16776-2005的，但是保持率只有30%(<75%)，不符合JG/T 475-2015要求。

　　3.幕墻設計規(guī)范要求

　　3.1美國相關要求

　　設計強度最大取值為0.14 MPa是由許多驗證試驗及實踐得出的結果，已得到驗證和業(yè)界廣泛認可。美國標準ASTM C 1401-2014《結構密封膠裝配標準指南》中第27.4、27.5條規(guī)定，結構密封膠的最大拉伸強度應符合標準ASTM C1184中規(guī)定的≥0.345 MPa的要求，最大設計強度為0.14 MPa，最小設計安全系數(shù)為2.5，根據(jù)特定結構密封膠的最大拉伸強度和所確定設計安全系數(shù)，設計強度可小于0.14 MPa[2]。ASTM C 1401中第24.3.1條指出，雖然結構密封膠的最大拉伸強度一般是高于0.345MPa，但不能因此就將設計強度提高到0.14 MPa以上，延長結構膠使用壽命的關鍵在于經(jīng)過環(huán)境老化后還能保持良好的粘結性能。ASTM C 1401中第30.3.5條指出，結構膠承受反復拉伸疲勞的次數(shù)隨著應力幅度的增大而劇減，即提高設計強度會導致疲勞壽命明顯降低。因此，為保證幕墻安全，應當主要關注結構密封膠的耐老化性能以延長使用壽命;為降低設計風險，可提高設計安全系數(shù)，而不是提高強度設計值，設計強度值不應超過0.14MPa，否則會造成安全風險。

　　3.1國內相關要求

　　關于硅酮結構密封膠粘結強度設計值取值，我國參照美國相關規(guī)范，將強度設計值0.14MPa納入相應規(guī)范要求，用于結構膠的粘結尺寸設計。

　　3.1.1幕墻用硅酮結構密封膠粘結寬度設計

　　3.1.2幕墻用硅酮結構密封膠厚度設計

　　JGJ102-2003第5.6.5條規(guī)定，硅酮結構密封膠的粘接厚度 按照下面公式(2)、(3)計算：

　　ts—硅酮結構密封膠的粘接厚度(mm)

　　us—幕墻玻璃的相對于鋁合金框的位移(mm)，必要時還應考慮溫度變化產(chǎn)生的相對位移;

　　θ—風荷載標準值作用下主體結構（詞條“主體結構”由行業(yè)大百科提供）的樓層彈性層間位移角限值(rad);

　　hg—玻璃面板高度(mm)，取其邊長a或b;

　　δ—硅酮結構密封膠的變位承受能力，取對應于其受拉應力為0.14N/mm2時的伸長率。

　　JGJ102-2003中結構膠強度設計值取值0.2N/mm2，條文說明指出這是套用概率極限狀態(tài)設計方法，風荷載分項系數(shù)取1.4，將標準值0.14 N/mm2乘以分項系數(shù)1.4約等于0.2 N/mm2，定為風荷載作用下的強度設計值，可見結構膠的粘結強度設計值仍為0.14 N/mm2[1]。硅酮結構密封膠的變位承受能力δ是取極限設計強度0.14 N/mm2對應的應變，通過JG/T475標準要求報告的初始剛度及模量可以獲取δ值的大小。經(jīng)大量工程的實踐證明，采用0.14 MPa設計值進行設計選材為建筑幕墻結構安全提供了基本的保證。

　　3.2歐洲相關要求

　　歐洲標準體系將強度標準值用于設計選材，強度設計值是根據(jù)材料的強度標準值可以按6倍的設計安全系數(shù)進行計算，即強度設計值可以取標準值的1/6。設計方法不同于我國規(guī)范要求——強度設計值取定值0.14MPa。有觀點認為按照歐洲標準要求結構密封膠的強度標準值應該達到6倍的設計強度即0.14×6=0.84MPa以上，其實這種觀點是錯誤的，原因有以下幾個方面：

　　(1)該觀點將歐洲體系的設計方式與我國的相關要求斷章取義、混為一談，將我國規(guī)范要求的強度設計值0.14MPa套用歐洲標準要求的安全系數(shù)6來確定對標準值的要求。

　　(2)歐洲在產(chǎn)品標準EN15434中規(guī)定了23℃拉伸粘結強度標準值Ru,5≥0.50MPa，并不是要求結構膠產(chǎn)品的強度值一定要達到0.84MPa以上。標準ETAG 002-2012附錄A2.0中指出設計安全系數(shù)可以選用6進行計算，并非是要求必須取定值6作為安全系數(shù)。

　　(3)如果按照該觀點片面地將結構膠強度標準值要求由“≥0.50MPa”提升至“≥0.84MPa”，引導結構膠產(chǎn)品朝著較高強度發(fā)展，按照6倍的安全系數(shù)進行設計，強度設計值必然遠遠超過0.14MPa，如結構膠強度達到1.5MPa，按照6倍的安全系數(shù)計算，設計值高達0.25 MPa，大大超出業(yè)界公認的強度設計值限值0.14 MPa，勢必增大幕墻安全風險[2、9]。

　　歐洲標準設置強度保持率指標，控制結構膠在經(jīng)過各種環(huán)境及復雜受力老化后，力學性能沒有大的衰減，始終保持較穩(wěn)定的性能。標準JG/T475標準同樣采用了該要求，這也是滿足歐洲標準ETAG002及行業(yè)標準JG/T475的結構膠之所以具有預期25年使用壽命的主要原因，而并非是其設計的安全系數(shù)取值高于我國要求。

　　4.結論

　　(1)我國《玻璃幕墻工程技術規(guī)范》JGJ102中對硅酮結構密封膠的設計，強度設計值取定值0.14MPa，是采用結構膠的強度“標準值”，并非強度“平均值”，“標準值”和“平均值”兩者概念不同，標準JG/T475規(guī)定的“標準值≥0.5MPa”，一般是高于GB16776規(guī)定的“平均值≥0.6 MPa”的要求，此外，標準JG/T475還要求報告初始剛度及剛度模量，標準JG/T475與規(guī)范JGJ102、GB 50068要求相協(xié)調一致，更加適合規(guī)范要求。

　　(2)幕墻用結構膠的設計方法，國內外各國均有相應要求，不能將各國的不同要求混為一談，誤導結構膠的正確使用。為降低建筑幕墻設計風險，可提高設計安全系數(shù)，而不是提高強度設計值，設計強度值不應超過0.14 MPa，否則會造成安全風險。

　　(3)標準JG/T475-2015主要參照歐洲標準ETAG002-2012要求，符合該標準要求的硅酮結構密封膠產(chǎn)品，按照規(guī)范進行設計施工，可達到預期25年使用壽命，與我國規(guī)范JGJ 102規(guī)定“幕墻的結構設計使用年限不應少于25年”相協(xié)調。JG/T475-2015標準科學先進，應得到正確的引導宣傳和應用，以促進建筑幕墻工程質量穩(wěn)定及安全。

　　參考文獻

　　[1] JGJ 102-2003，玻璃幕墻工程技術規(guī)范[S].

　　[2] ASTM C1401-2014，Standard Guide for Structural Sealant Glazing[S].

　　[3] ASTM C1184-2014，Standard Specification for Structural Silicone Sealants [S].

　　[4]GB 16776-2005，建筑用硅酮結構密封膠[S].

　　[5]JG/T 475-2015，建筑幕墻用硅酮結構密封膠[S].

　　[6]ETAG 002-2012, Guideline for European Technical Approval for Structural Sealant Glazing kits: Part 1 Supported and Unsupported Systems [S].

　　[7]EN 15434-2010, Glass in building-Product standard for structural and/or ultra-violet resistant sealant (for use with structural sealant glazing and/or insulating glass units with exposed seals)[S].

　　[8] GB 50068-2001，建筑結構可靠度設計統(tǒng)一標準[S].

　　[9]馬啟元.倍增幕墻玻璃粘結強度設計值的風險[C].全國鋁門窗幕墻行業(yè)年會.2009.67-73