構(gòu)件式隱框玻璃幕墻設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)研究★

趙艷敏 馬洪旭

(1.北京京北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 101400； 2.北京江河創(chuàng)建集團(tuán)股份有限公司，北京 101300)

構(gòu)件式隱框玻璃幕墻設(shè)計(jì)與性能試驗(yàn)研究★

趙艷敏1馬洪旭2

(1.北京京北職業(yè)技術(shù)學(xué)院，北京 101400； 2.北京江河創(chuàng)建集團(tuán)股份有限公司，北京 101300)

以某實(shí)際工程幕墻設(shè)計(jì)為背景，介紹了幕墻節(jié)點(diǎn)細(xì)部構(gòu)造及設(shè)計(jì)原理，并采用1∶1比例的板塊,建立了試驗(yàn)?zāi)Ｐ?，?duì)其進(jìn)行氣密性、水密性、風(fēng)荷載和地震作用下的變形性能及安全性能試驗(yàn)，最后結(jié)合設(shè)計(jì)與試驗(yàn)分析結(jié)果，給出了構(gòu)件式隱框玻璃幕墻的設(shè)計(jì)建議。

玻璃幕墻，幕墻設(shè)計(jì)，副框，等壓腔

0 引言

構(gòu)件式隱框玻璃幕墻是支撐玻璃幕墻的框架完全不顯露在玻璃外部，并且在工廠采用結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)鋁合金副框和玻璃面板，現(xiàn)場(chǎng)安裝框架及玻璃的一種幕墻形式。由于幕墻外表面沒(méi)有任何鋁合金框架，熱工性能較明框幕墻與單元式幕墻好，即節(jié)能性好。其玻璃與副框?yàn)楣S組裝，現(xiàn)場(chǎng)安裝速度快。在建筑裝飾功能方面，隱框玻璃幕墻從色調(diào)、通透度、光彩度等動(dòng)態(tài)的條件來(lái)體現(xiàn)建筑外觀和輪廓，因此20世紀(jì)80年代在我國(guó)便開(kāi)始得到廣泛的應(yīng)用。我國(guó)規(guī)范規(guī)定，幕墻的使用年限為25年，這意味著早期建設(shè)的構(gòu)件式玻璃幕墻的使用年限將逐漸到來(lái)，勢(shì)必進(jìn)行大修或者改造，作為易于更換且節(jié)能的隱框幕墻將成為業(yè)主或者建筑師的主要選擇。但到現(xiàn)在為止隱框幕墻的論述較多，而涉及幕墻節(jié)點(diǎn)細(xì)部構(gòu)造的研究較少。本文以某實(shí)際工程為背景，對(duì)采用構(gòu)件式隱框幕墻的設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)和設(shè)計(jì)原理進(jìn)行介紹，并對(duì)其進(jìn)行性能試驗(yàn)，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，最后對(duì)實(shí)際工程細(xì)部節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)提出建議。

1 幕墻方案設(shè)計(jì)

某大型公共建筑工程首層層高5.5 m，底部標(biāo)高18.0 m，頂部標(biāo)高23.5 m，為梁柱混凝土結(jié)構(gòu)，幕墻建筑面積2 320 m2。建筑功能要求大空間、通透，節(jié)能(U值為1.9 W/(m2·K))且維修更換方便，經(jīng)方案對(duì)比，采用構(gòu)件式隱框玻璃幕墻。

1.1 構(gòu)件式隱框幕墻節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

建筑幕墻水平分格為2.6 m，豎向分格為3.98 m，幕墻標(biāo)準(zhǔn)立柱高度4.55 m，兩端分別支撐于下部混凝土梁頂部及上部混凝土梁側(cè)面。由于幕墻分格較大，支撐框架采用鋼框架，立柱為三角形鋼立柱，橫梁采用槽鋼。幕墻玻璃配置為FT8(鋼化玻璃帶低反射鍍膜)+16 mm 空氣層+HS8(半鋼化)+1.52PVB+HS8，邊部采用29.5 mm黑色彩釉，中部帶有直徑為30 mm間距為200 mm的灰色防撞點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)平剖見(jiàn)圖1，縱剖見(jiàn)圖2。

鋁合金副框采用組角碼組框，通過(guò)結(jié)構(gòu)膠和硅橡膠膠條2與玻璃相連成一個(gè)整體。鋁合金壓塊長(zhǎng)度為50 mm，采用間距為300 mm的M8×20螺栓把玻璃副框和鋼立柱連接在一起，為防止溫度作用下玻璃板塊移動(dòng)在壓塊與副框，壓塊與鋼結(jié)構(gòu)之間產(chǎn)生摩擦噪聲及不同材料之間的電化學(xué)腐蝕，接觸位置設(shè)置EPDM膠條。玻璃副框與鋼結(jié)構(gòu)橫梁立柱間設(shè)置周圈封閉式U型EPDM膠條。

玻璃下部鋼橫梁焊接80×25×5的角鋼，角鋼上放置寬35 mm，長(zhǎng)度為150 mm，邵氏硬度為85±5硅橡膠墊塊承受玻璃重力(見(jiàn)圖2)，墊塊數(shù)量為2個(gè)，中心距離幕墻分格200 mm。在下部橫豎向膠縫交接處設(shè)置直徑為10 mm硅橡膠排水管。其中，硅橡膠墊塊長(zhǎng)度可由式(1)計(jì)算得出。

L≥(W×H)×27.5/n，Lmin=100 mm

(1)

其中，L為硅橡膠墊塊長(zhǎng)度,mm；W為玻璃分格寬度,m；H為玻璃分格高度,m；n為每塊玻璃承重墊塊的個(gè)數(shù)，個(gè)。

式(1)是本文作者根據(jù)國(guó)外相關(guān)資料[1]整理得出，只適用于材質(zhì)為氯丁橡膠，EPDM或者硅橡膠墊塊，且要求邵氏硬度為85±5的情況。

1.2 構(gòu)件式隱框幕墻等壓腔設(shè)計(jì)

隱框玻璃幕墻等壓腔位置如圖3所示。氣密線為與立柱相連的U形膠條，水密線為玻璃及玻璃縫之間的密封膠。在橫梁立柱前部U形膠條與玻璃及密封膠空腔位置即構(gòu)成等壓腔。幕墻橫豎縫交接處設(shè)置硅橡膠管連通室外與等壓腔。由于玻璃分格密封膠為現(xiàn)場(chǎng)施工，注膠質(zhì)量難以做到完全密閉，隨著幕墻使用時(shí)間的增加，膠縫薄弱部位會(huì)逐漸暴露。在風(fēng)壓作用下，通過(guò)膠縫引起等壓腔與室外風(fēng)壓不相等有以下兩個(gè)因素，一是氣密線的氣密性能；二是脈動(dòng)風(fēng)壓，等壓腔與室外壓力平衡與脈動(dòng)風(fēng)壓不同步。設(shè)置水密線排水管可同時(shí)解決以上兩個(gè)問(wèn)題，一是使等壓腔內(nèi)外空氣流動(dòng)保持與室外壓力平衡；二是脈動(dòng)風(fēng)壓引起少量進(jìn)入等壓腔的水，通過(guò)下部排水管排出室外。幕墻節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)，實(shí)現(xiàn)等壓腔等壓的關(guān)鍵是保證氣密線的連續(xù)封閉以及排水管的直徑。本工程氣密U形膠條橫豎密閉搭接做法見(jiàn)圖4。

1.3 排水路線設(shè)計(jì)

構(gòu)件式隱框幕墻排水路線為等壓腔內(nèi)少量水通過(guò)橫豎縫交接位置的排水管排到室外，本工程節(jié)點(diǎn)設(shè)置排水坡度引導(dǎo)水排出。

1.4 熱工性能設(shè)計(jì)分析

本工程采用勞倫斯伯克利國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的therm 軟件根據(jù)ISO 15099—2003[2]及 NFRC系列規(guī)范對(duì)隱框幕墻節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析。玻璃性能由供應(yīng)商提供，U值為1.299 2 W/(m2·K)。室內(nèi)溫度為19 ℃，對(duì)流系數(shù)為2.5 W/(m2·K)，有效室內(nèi)輻射取1.0。室外溫度取46 ℃，對(duì)流系數(shù)為15 W/(m2·K)，有效室外輻射取1.0。經(jīng)建立熱工模型計(jì)算，立柱節(jié)點(diǎn)中心U值為1.845 6 W/(m2·K)，邊部U值為2.457 1 W/(m2·K)。橫梁節(jié)點(diǎn)中心2.349 1 W/(m2·K)，邊部U值為1.133 4 W/(m2·K)。隱框幕墻綜合加權(quán)平均U值為1.39 W/(m2·K)。另在設(shè)計(jì)條件下，室內(nèi)氣溫22 ℃，濕度為70%，室外氣溫為12 ℃時(shí)，幕墻內(nèi)表面最低溫度為21.5 ℃，高于結(jié)露溫度18.8 ℃，不會(huì)結(jié)露。因此，幕墻設(shè)計(jì)節(jié)點(diǎn)熱工性能遠(yuǎn)高于工程要求，節(jié)能性良好。

2 構(gòu)件式隱框幕墻試驗(yàn)研究

為驗(yàn)證工程設(shè)計(jì)可行性，保證幕墻的各項(xiàng)性能，按照1∶1比例選取水平三個(gè)板塊進(jìn)行試驗(yàn)研究。平面長(zhǎng)度為8.64 m,高度為4.5 m，總表面積為38.88 m2，試驗(yàn)?zāi)Ｐ腿鐖D5所示。

2.1 氣密性能試驗(yàn)[3]

試驗(yàn)氣密性能要求在300 Pa壓強(qiáng)下，幕墻的漏氣量Q<0.5 m3/(hr·m-2)[3]。在幕墻試驗(yàn)過(guò)程中，氣密性能測(cè)試分別在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，地震位移試驗(yàn)后共進(jìn)行兩次，兩次試驗(yàn)結(jié)果均為0.554 m3/(hr·m-2)，滿足要求。另一方面，從兩次氣密試驗(yàn)結(jié)果可以看出本工程幕墻氣密膠條的設(shè)計(jì)對(duì)位移適應(yīng)性能很好，沒(méi)有由于位移而引起氣密性能的變化。

表1為其他工程單元幕墻在300 Pa壓強(qiáng)下的試驗(yàn)結(jié)果與本工程的對(duì)比。對(duì)比結(jié)果表明，正常使用條件下，構(gòu)件式隱框玻璃幕墻氣密性要好于單元式幕墻。

表1 300 Pa幕墻氣密試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比 m3/(hr·m-2)

2.2 水密性能試驗(yàn)[6]

水密性能試驗(yàn)要求幕墻在600 Pa的壓強(qiáng)，水速3.4 L/(min·m2)的噴水作用下持續(xù)15 min室內(nèi)無(wú)任何漏水現(xiàn)象。水密性試驗(yàn)在氣密性試驗(yàn)之后進(jìn)行，分別在試驗(yàn)開(kāi)始時(shí)，地震位移試驗(yàn)后共進(jìn)行兩次。其中，地震位移試驗(yàn)后未進(jìn)行任何修復(fù)。

經(jīng)過(guò)上述水密試驗(yàn)，試驗(yàn)?zāi)Ｐ桶鍓K未發(fā)現(xiàn)任何漏水，滲水現(xiàn)象，試驗(yàn)完畢后對(duì)板塊進(jìn)行拆解，在等壓腔內(nèi)沒(méi)有發(fā)現(xiàn)任何積水，說(shuō)明本工程隱框幕墻采用的等壓構(gòu)造設(shè)計(jì)是合理可行的。

需要指出的是，在構(gòu)件式隱框幕墻大量使用的初期，并沒(méi)有考慮等壓腔的設(shè)計(jì)，而是采用玻璃及其之間的密封膠膠縫直接防水。實(shí)踐表明，隨著幕墻使用時(shí)間的增加，由于現(xiàn)場(chǎng)施工的密封膠縫存在種種缺陷的逐漸暴露，在不利的風(fēng)雨條件下，構(gòu)件式隱框幕墻的滲漏時(shí)有發(fā)生。因此把等壓腔的設(shè)計(jì)引進(jìn)到隱框玻璃幕墻是保證其實(shí)現(xiàn)良好的使用性能的關(guān)鍵方法。

當(dāng)構(gòu)件式隱框幕墻應(yīng)用在高層建筑時(shí)，本文建議在建筑每層設(shè)置集水裝置并在本層或者下層及時(shí)排出，以免水由于層數(shù)過(guò)多導(dǎo)致累積水量過(guò)大而導(dǎo)致滲漏。

2.3 標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓性能試驗(yàn)[7]

在設(shè)計(jì)階段，玻璃面板的重力由硅膠墊塊直接傳遞給橫梁，風(fēng)荷載由玻璃面板通過(guò)結(jié)構(gòu)膠傳遞給鋁合金副框，并通過(guò)間距為300 mm的鋁合金壓塊傳遞給鋼立柱。為驗(yàn)證設(shè)計(jì)方法的正確性，試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓采用工程正風(fēng)1.42 kPa和負(fù)風(fēng)1.21 kPa，測(cè)試單元幕墻立柱，橫梁和玻璃的撓度。結(jié)果如表2所示。經(jīng)驗(yàn)算，幕墻結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形滿足規(guī)范要求。

表2 標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓下結(jié)構(gòu)構(gòu)件變形

2.4 地震位移試驗(yàn)與安全性能試驗(yàn)[8]

本工程水平地震位移標(biāo)準(zhǔn)值8.72 mm，面內(nèi)、面外位移值相同，各三個(gè)循環(huán)。試驗(yàn)結(jié)束不經(jīng)修復(fù)隨即進(jìn)行氣密、水密性能試驗(yàn)。如前所述，試驗(yàn)結(jié)果均表明幕墻氣密，水密性能良好。

安全性能試驗(yàn)采用1.5倍的標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)壓通過(guò)測(cè)量幕墻受力構(gòu)件的殘余變形來(lái)衡量幕墻是否符合安全標(biāo)準(zhǔn)。此外本工程還進(jìn)行了1.5倍地震標(biāo)準(zhǔn)值作為罕遇地震值對(duì)幕墻進(jìn)行面內(nèi)，面外各一個(gè)循環(huán)的測(cè)試，檢驗(yàn)?zāi)粔m應(yīng)變形的能力。其中立柱的殘余變形為0.15 mm，橫梁的殘余變形為0.2 mm，均符合要求。幕墻在罕遇地震位移作用下，密封膠縫，玻璃與壓塊之間的連接及幕墻構(gòu)件均無(wú)損壞，試驗(yàn)結(jié)果表明，隱框幕墻對(duì)地震位移是適應(yīng)性良好。

2.5 軟體撞擊試驗(yàn)[9]

撞擊物體總質(zhì)量為50 kg±0.2 kg，撞擊能量分別為120 J和500 J，折算撞擊高度分別為245 mm和1 020 mm，撞擊點(diǎn)分布于玻璃中部，邊部和角部。圖6為120 J撞擊現(xiàn)場(chǎng)。撞擊試驗(yàn)結(jié)果表明無(wú)任何構(gòu)件損壞，特別是與玻璃副框相連的壓塊無(wú)損壞。

3 結(jié)論與設(shè)計(jì)建議

1)試驗(yàn)結(jié)果表明，本工程采用的構(gòu)件式隱框玻璃幕墻的節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是可行的，隱框幕墻也應(yīng)與其他形式的幕墻一樣設(shè)置等壓腔及合理的排水路線，分層排水。2)分析表明，構(gòu)件式隱框玻璃幕墻的重要部分為工廠組裝，易于現(xiàn)場(chǎng)拆換，且其熱工性能良好，氣密性能好，節(jié)能性好。3)玻璃承重墊塊的長(zhǎng)度計(jì)算方法在我國(guó)規(guī)范中沒(méi)有詳細(xì)規(guī)定，設(shè)計(jì)時(shí)可采用本文推薦的式(1)進(jìn)行計(jì)算確定。4)實(shí)踐結(jié)果表明，構(gòu)件式隱框玻璃幕墻加強(qiáng)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)密封膠縫的質(zhì)量控制是保證隱框幕墻使用性能的重要手段。

[1] Glass Association of North America,Glazing Manual[Z].2004.

[2] TC41,ISO ISO 15099,Thermal performance of windows,doors and shading devices-Detailed calculations[Z].2003.

[3] ASTM Committee,ASTM E283 Curtain walling-Air Permeability-Test method[Z].2004.

[4] 國(guó)家建筑工程質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心.Unitized Glass Curtain Wall Test Report[R].2010.

[5] Thomas Bell Wright,Construction of Adnoc New Corporate Headquarters Curtain Wall Testing Report[Z].2012.

[6] ASTM Committee, ASTM E331 Curtain walling-Static Water Resistance[Z].2000.

[7] ASTM Committee, ASTM E330 Curtain Walling-Resistance to wind load-Test Method[Z].2002.

[8] AAMA,AAMA 501.4-00 Recommended Static Test Method For Evaluating Curtain Wall(Seismic Interstory Drift)[Z].2001.

[9] CWCT,CWCT technical notes 75 Impact Performance of Building envelopes: method for impact testing of cladding panels[Z].2012.

Design and performance experimental study on stick glass curtain wall with hidden-frame★

Zhao Yanmin1Ma Hongxu2

(1.NorthernBeijingVocationalEducationInstitute，Beijing101400，China； 2.JanghoGroupCo.，Ltd，Beijing101300，China)

The configuration detail and the design principle are analyzed together based on actual curtain wall design in one project. The 1∶1 scale test model was also made as per the design, the air permeability, water tightness, deformation performance under wind load, earthquake, and soft body impact were tested. Finally, the design proposal for the stick glass wall with hidden frame based on the study of test results and original design scheme.

stick glass curtain wall, curtain wall design, sub-frame, pressure equalization cavity

1009-6825(2017)02-0045-03

2016-11-07★：國(guó)家“十一五”科技支撐項(xiàng)目“建筑節(jié)能改造關(guān)鍵技術(shù)研究”(項(xiàng)目編號(hào)：2006BAJ01A03)；北京市高等學(xué)校青年英才計(jì)劃項(xiàng)目(項(xiàng)目編號(hào)：YETP1819)

趙艷敏(1979- ),女,碩士，副教授

TU398

A