结构胶粘接厚度对建筑幕墙抗形变能力影响分析

2020-09-11邢红梅

化学与粘合 2020年4期

邢红梅

（新疆农业职业技术学院，新疆昌吉 831100）

引言

隐框式建筑幕墙设计过程中结构胶粘接厚度设计是一个十分重要的设计过程[4]，结构胶粘接厚度决定幕墙面板对于平面外风荷载、地震作用与重力荷载的抵抗能力[5,6]，并直接影响隐框式建筑幕墙受主体结构层间变形造成的变形程度[7]，其对于建筑幕墙安全性能尤为关键。因此研究结构胶粘接厚度对建筑幕墙抗形变能力影响具有重要意义。

1 结构胶粘接厚度对建筑幕墙抗形变能力影响

1.1 结构胶粘接厚度计算

用表示结构胶粘接厚度，在建筑主体结构出现偏移时，结构胶受其影响依方向出现剪切变形，用表示。此时可用下式描述结构胶的剪切应变：

计算结构胶粘接厚度过程中，可选取结构胶剪切应变小于或等于剪应力设计许可条件下的剪切应变值3β 的控制方式[9]，也就是其中 β 表示结构胶的变位承受能力。

1.2 建筑幕墙结构胶的变形性能

相关研究学者依照两侧结构胶建筑幕墙主体侧移实验得到，建筑幕墙主体结构出现侧偏变形时，幕墙面板形成转动，导致结构胶在粘接厚度与长度的平面内形成剪切变形[10,11]，如图1所示。

图1 建筑幕墙变形下结构胶变形示意图Fig.1 The deformation schematic diagram of structural adhesive under the deformation of building curtain wall

相关学者利用下式描述受拉伸与剪切变形一致影响下结构胶荷载同变形间的相关性：

上式内，Z表示同结构胶拉伸变形相关的参数，V表示同结构胶剪切变形相关的参数。两者的取值情况如表1所示。

表1 参数Z、V的取值Table 1 The values of parameters Z and V

1.3 制备试件

根据结构胶相关拉伸剪切强度测试相关标准指标构建建筑幕墙结构试件。选取四根30mm×120mm的钢质立柱，采用工业酒精清洁钢片表层，并用粗砂纸去除锈垢等污渍使钢片表层清洁光泽[12]。幕墙面板选取玻璃面板，选取两种不同结构胶（丙烯酸酯AB胶和环氧树脂胶）[13]，分别用结构胶A和结构胶B表示。将选取的结构胶均匀涂抹在被粘接试件上，粘接面积均设定为15mm×25mm。利用相关工具将结构胶粘接厚度分别控制在0.2mm、0.4mm、0.6mm、1.0mm、2.0mm和3.0mm。将接触压设定为固化压力，试件数量设置成6个，图2和图3所示分别为试件尺寸与试件结构图。

图2 试件尺寸图Fig.2 The dimension drawing of test piece

图3 试件结构图Fig.3 The structure of test piece

1.4 测试方案

（1）结构胶粘接厚度对结构胶变形能力的影响测试实验过程：选取海达HD-B609B-S型号电子万能测试机[14]，将恒定加载速度设定为2.5mm/min，分别获取试件破坏变形的负荷上限和结构胶粘接破坏类型。

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（2）结构胶变形对建筑幕墙抗变形能力的影响测试实验过程：在幕墙面板的四个角落分别设置测点，用A1—A4和B1—B4描述。其中A1（B1）、A4（B4）和 A2（B2）、A3（B3）分别描述水平、垂直结构胶角点区域的拉伸变形和水平、垂直结构胶角点区域的剪切变形[15]。将加载方式与加载控制分别设定为单向加载和位移加载控制方式，实验过程中分别获取水平推力、建筑幕墙侧向变形位移、结构胶（拉伸、剪切）变形。

2 实验分析

2.1 结构胶粘接厚度对结构胶变形能力的影响

结构胶粘接厚度是指被粘接构件之间的胶粘剂的厚度，结构胶在受外力影响条件下，因粘接强度与内聚强度有所差异，因此结构胶粘接厚度对于建筑幕墙抗变形能力的影响主要体现在结构胶变形、被粘接构件变形、粘接界面变形与综合变形等四种形式。

实际计算过程中，在确保结构胶粘接厚度足够的条件下可防止结构胶粘接厚度层中出现内聚变形的现象，并在确保结构胶与被粘接构件之间粘接质量较高的条件下，可防止粘接界面变形现象发生。

分析拉伸剪切与粘接抗拉实验后结构胶粘接厚度有所差异的条件下不同试件变形情况，结果如图4所示。

图4 结构胶粘接厚度对结构胶形变能力影响Fig.4 The effect of structural adhesive thickness on the deformation ability of structural adhesive

分析图4可知，结构胶不同粘接厚度条件下试件上都存在结构胶，同时结构胶较为光滑，被粘接构件无结构胶区域不存在结构胶变形后产生的毛刺，由此可知实验过程中不同粘接厚度下的结构胶变形以粘接界面变形为主要变形形式。

图4（a）内的剪切强度实验数据表明，在结构胶粘接厚度较小的条件下，当结构胶粘接厚度逐渐增加时，不同类型结构胶（结构胶A和结构胶B）剪切强度都呈现上升趋势。在结构胶A粘接厚度为0.6mm时，结构胶B粘接厚度为0.4mm时，两类结构胶粘接的剪切强度均达到上限值，此时建筑幕墙变形程度受结构胶粘接变形影响最小。随着结构胶粘接厚度增加，不同类型结构胶的剪切强度都表现为不同的降低趋势，结构胶粘接厚度越大，剪切强度降低情况越显著，此时建筑幕墙变形程度受结构胶粘变形影响逐渐提升。以上实验结果同文献[9]内实验结论基本相同，在结构胶粘接厚度提升至2mm以上后，结构胶粘接厚度对于剪切强度的影响更大，也就是结构胶粘接厚度越大，其剪切强度越低，此时建筑幕墙变形程度受结构胶粘变形影响越大。

图4（b）内的拉伸强度实验数据表明，在结构胶A的粘接厚度为0.6mm，结构胶B的粘接厚度为0.4mm的条件下，不同类型结构胶的拉伸强度均达到上限值，此时建筑幕墙变形程度受结构胶粘接变形影响最小。随着结构胶粘接厚度增加，不同类型结构胶的拉伸强度都表现出不同程度的降低趋势，此时结构胶粘接厚度越大其拉伸强度越低，此时建筑幕墙变形程度受结构胶粘变形影响最大。

在研究结构胶剪切与拉伸强度受结构胶厚度的影响过程中，结构胶粘接试件环节里受不同因素影响，胶粘剂自身的结构或粘接界面大多包含部分如微孔与裂缝等缺陷。由此将造成结构胶局部应力较为聚集的情况，使部分结构胶位置承载的应力显著大于应力均值。在这种情况达到设定条件后，结构胶微孔与裂缝失稳并进行扩展，导致结构胶整体大面积变形。

针对大多数胶粘剂材料来说，建筑幕墙结构胶的尺寸、体积同其结构胶内部微孔与裂缝等缺陷存在的概率之间成正比例关系，即建筑幕墙结构胶的尺寸、体积越大，微孔与裂缝等缺陷越多。但结构胶厚度也不是越小越好，在结构胶厚度小于一定值的条件下，拉伸剪切强度因其厚度值太小而有所下降，易出现因缺胶而导致胶层界面较弱与应力聚集问题。

2.2 结构胶变形对建筑幕墙抗变形能力的影响

表2和图5所示分别为结构胶A在结构胶粘接厚度为0.4mm条件下，不同测点变形测试结果和结构胶剪切变形同建筑幕墙变形位移间的相关性。

分析表2与图5能够得到以下结论：结构胶内随机区域的变形位移均由两部分组成，即剪切变形和拉伸变形。结构胶的剪切拉伸变形同建筑幕墙结构变形之间存在线性相关性；初始加载阶段，结构胶四个测点区域的拉伸变形大致统一，且当建筑幕墙结构变形位移提升时，不同测点区域数值均表现出不同程度的离散性，这是由幕墙面板底部托条对于其竖向自由转动变形产生一定制约导致的；结构胶不同测点区域剪切变形值之间波动幅度较小，同时各值的离散性不显著。