結(jié)構(gòu)膠粘接厚度對(duì)建筑幕墻抗形變能力影響分析

邢紅梅

（新疆農(nóng)業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 昌吉 831100）

引 言

隱框式建筑幕墻設(shè)計(jì)過程中結(jié)構(gòu)膠粘接厚度設(shè)計(jì)是一個(gè)十分重要的設(shè)計(jì)過程[4]，結(jié)構(gòu)膠粘接厚度決定幕墻面板對(duì)于平面外風(fēng)荷載、地震作用與重力荷載的抵抗能力[5,6]，并直接影響隱框式建筑幕墻受主體結(jié)構(gòu)層間變形造成的變形程度[7]，其對(duì)于建筑幕墻安全性能尤為關(guān)鍵。因此研究結(jié)構(gòu)膠粘接厚度對(duì)建筑幕墻抗形變能力影響具有重要意義。

1 結(jié)構(gòu)膠粘接厚度對(duì)建筑幕墻抗形變能力影響

1.1 結(jié)構(gòu)膠粘接厚度計(jì)算

用表示結(jié)構(gòu)膠粘接厚度，在建筑主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)偏移時(shí)，結(jié)構(gòu)膠受其影響依方向出現(xiàn)剪切變形，用表示。此時(shí)可用下式描述結(jié)構(gòu)膠的剪切應(yīng)變：

計(jì)算結(jié)構(gòu)膠粘接厚度過程中，可選取結(jié)構(gòu)膠剪切應(yīng)變小于或等于剪應(yīng)力設(shè)計(jì)許可條件下的剪切應(yīng)變值3β 的控制方式[9]，也就是其中 β 表示結(jié)構(gòu)膠的變位承受能力。

1.2 建筑幕墻結(jié)構(gòu)膠的變形性能

相關(guān)研究學(xué)者依照兩側(cè)結(jié)構(gòu)膠建筑幕墻主體側(cè)移實(shí)驗(yàn)得到，建筑幕墻主體結(jié)構(gòu)出現(xiàn)側(cè)偏變形時(shí)，幕墻面板形成轉(zhuǎn)動(dòng)，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)膠在粘接厚度與長(zhǎng)度的平面內(nèi)形成剪切變形[10,11]，如圖1所示。

圖1 建筑幕墻變形下結(jié)構(gòu)膠變形示意圖Fig.1 The deformation schematic diagram of structural adhesive under the deformation of building curtain wall

相關(guān)學(xué)者利用下式描述受拉伸與剪切變形一致影響下結(jié)構(gòu)膠荷載同變形間的相關(guān)性：

上式內(nèi)，Z表示同結(jié)構(gòu)膠拉伸變形相關(guān)的參數(shù)，V表示同結(jié)構(gòu)膠剪切變形相關(guān)的參數(shù)。兩者的取值情況如表1所示。

表1 參數(shù)Z、V的取值Table 1 The values of parameters Z and V

1.3 制備試件

根據(jù)結(jié)構(gòu)膠相關(guān)拉伸剪切強(qiáng)度測(cè)試相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)構(gòu)建建筑幕墻結(jié)構(gòu)試件。選取四根30mm×120mm的鋼質(zhì)立柱，采用工業(yè)酒精清潔鋼片表層，并用粗砂紙去除銹垢等污漬使鋼片表層清潔光澤[12]。幕墻面板選取玻璃面板，選取兩種不同結(jié)構(gòu)膠（丙烯酸酯AB膠和環(huán)氧樹脂膠）[13]，分別用結(jié)構(gòu)膠A和結(jié)構(gòu)膠B表示。將選取的結(jié)構(gòu)膠均勻涂抹在被粘接試件上，粘接面積均設(shè)定為15mm×25mm。利用相關(guān)工具將結(jié)構(gòu)膠粘接厚度分別控制在0.2mm、0.4mm、0.6mm、1.0mm、2.0mm和3.0mm。將接觸壓設(shè)定為固化壓力，試件數(shù)量設(shè)置成6個(gè)，圖2和圖3所示分別為試件尺寸與試件結(jié)構(gòu)圖。

圖2 試件尺寸圖Fig.2 The dimension drawing of test piece

圖3 試件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 The structure of test piece

1.4 測(cè)試方案

（1）結(jié)構(gòu)膠粘接厚度對(duì)結(jié)構(gòu)膠變形能力的影響測(cè)試實(shí)驗(yàn)過程：選取海達(dá)HD-B609B-S型號(hào)電子萬能測(cè)試機(jī)[14]，將恒定加載速度設(shè)定為2.5mm/min，分別獲取試件破壞變形的負(fù)荷上限和結(jié)構(gòu)膠粘接破壞類型。

從某零售企業(yè)配送中心的規(guī)模布局分析開始，綜合診斷其業(yè)務(wù)模式，并運(yùn)用零售業(yè)的商品配送管理技術(shù)和方法對(duì)某零售企業(yè)的配送中心運(yùn)作流程進(jìn)行診斷、信息技術(shù)運(yùn)用情況進(jìn)行整理分析、對(duì)調(diào)度的車輛的配裝情況以及運(yùn)輸線路規(guī)劃進(jìn)行整理和分析，總結(jié)某零售企業(yè)配送中心存在的主要問題有如下幾個(gè)方面：

（2）結(jié)構(gòu)膠變形對(duì)建筑幕墻抗變形能力的影響測(cè)試實(shí)驗(yàn)過程：在幕墻面板的四個(gè)角落分別設(shè)置測(cè)點(diǎn)，用A1—A4和B1—B4描述。其中A1（B1）、A4（B4）和 A2（B2）、A3（B3）分別描述水平、垂直結(jié)構(gòu)膠角點(diǎn)區(qū)域的拉伸變形和水平、垂直結(jié)構(gòu)膠角點(diǎn)區(qū)域的剪切變形[15]。將加載方式與加載控制分別設(shè)定為單向加載和位移加載控制方式，實(shí)驗(yàn)過程中分別獲取水平推力、建筑幕墻側(cè)向變形位移、結(jié)構(gòu)膠（拉伸、剪切）變形。

2 實(shí)驗(yàn)分析

2.1 結(jié)構(gòu)膠粘接厚度對(duì)結(jié)構(gòu)膠變形能力的影響

結(jié)構(gòu)膠粘接厚度是指被粘接構(gòu)件之間的膠粘劑的厚度，結(jié)構(gòu)膠在受外力影響條件下，因粘接強(qiáng)度與內(nèi)聚強(qiáng)度有所差異，因此結(jié)構(gòu)膠粘接厚度對(duì)于建筑幕墻抗變形能力的影響主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)膠變形、被粘接構(gòu)件變形、粘接界面變形與綜合變形等四種形式。

實(shí)際計(jì)算過程中，在確保結(jié)構(gòu)膠粘接厚度足夠的條件下可防止結(jié)構(gòu)膠粘接厚度層中出現(xiàn)內(nèi)聚變形的現(xiàn)象，并在確保結(jié)構(gòu)膠與被粘接構(gòu)件之間粘接質(zhì)量較高的條件下，可防止粘接界面變形現(xiàn)象發(fā)生。

分析拉伸剪切與粘接抗拉實(shí)驗(yàn)后結(jié)構(gòu)膠粘接厚度有所差異的條件下不同試件變形情況，結(jié)果如圖4所示。

圖4 結(jié)構(gòu)膠粘接厚度對(duì)結(jié)構(gòu)膠形變能力影響Fig.4 The effect of structural adhesive thickness on the deformation ability of structural adhesive

分析圖4可知，結(jié)構(gòu)膠不同粘接厚度條件下試件上都存在結(jié)構(gòu)膠，同時(shí)結(jié)構(gòu)膠較為光滑，被粘接構(gòu)件無結(jié)構(gòu)膠區(qū)域不存在結(jié)構(gòu)膠變形后產(chǎn)生的毛刺，由此可知實(shí)驗(yàn)過程中不同粘接厚度下的結(jié)構(gòu)膠變形以粘接界面變形為主要變形形式。

圖4（a）內(nèi)的剪切強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在結(jié)構(gòu)膠粘接厚度較小的條件下，當(dāng)結(jié)構(gòu)膠粘接厚度逐漸增加時(shí)，不同類型結(jié)構(gòu)膠（結(jié)構(gòu)膠A和結(jié)構(gòu)膠B）剪切強(qiáng)度都呈現(xiàn)上升趨勢(shì)。在結(jié)構(gòu)膠A粘接厚度為0.6mm時(shí)，結(jié)構(gòu)膠B粘接厚度為0.4mm時(shí)，兩類結(jié)構(gòu)膠粘接的剪切強(qiáng)度均達(dá)到上限值，此時(shí)建筑幕墻變形程度受結(jié)構(gòu)膠粘接變形影響最小。隨著結(jié)構(gòu)膠粘接厚度增加，不同類型結(jié)構(gòu)膠的剪切強(qiáng)度都表現(xiàn)為不同的降低趨勢(shì)，結(jié)構(gòu)膠粘接厚度越大，剪切強(qiáng)度降低情況越顯著，此時(shí)建筑幕墻變形程度受結(jié)構(gòu)膠粘變形影響逐漸提升。以上實(shí)驗(yàn)結(jié)果同文獻(xiàn)[9]內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)論基本相同，在結(jié)構(gòu)膠粘接厚度提升至2mm以上后，結(jié)構(gòu)膠粘接厚度對(duì)于剪切強(qiáng)度的影響更大，也就是結(jié)構(gòu)膠粘接厚度越大，其剪切強(qiáng)度越低，此時(shí)建筑幕墻變形程度受結(jié)構(gòu)膠粘變形影響越大。

圖4（b）內(nèi)的拉伸強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，在結(jié)構(gòu)膠A的粘接厚度為0.6mm，結(jié)構(gòu)膠B的粘接厚度為0.4mm的條件下，不同類型結(jié)構(gòu)膠的拉伸強(qiáng)度均達(dá)到上限值，此時(shí)建筑幕墻變形程度受結(jié)構(gòu)膠粘接變形影響最小。隨著結(jié)構(gòu)膠粘接厚度增加，不同類型結(jié)構(gòu)膠的拉伸強(qiáng)度都表現(xiàn)出不同程度的降低趨勢(shì)，此時(shí)結(jié)構(gòu)膠粘接厚度越大其拉伸強(qiáng)度越低，此時(shí)建筑幕墻變形程度受結(jié)構(gòu)膠粘變形影響最大。

在研究結(jié)構(gòu)膠剪切與拉伸強(qiáng)度受結(jié)構(gòu)膠厚度的影響過程中，結(jié)構(gòu)膠粘接試件環(huán)節(jié)里受不同因素影響，膠粘劑自身的結(jié)構(gòu)或粘接界面大多包含部分如微孔與裂縫等缺陷。由此將造成結(jié)構(gòu)膠局部應(yīng)力較為聚集的情況，使部分結(jié)構(gòu)膠位置承載的應(yīng)力顯著大于應(yīng)力均值。在這種情況達(dá)到設(shè)定條件后，結(jié)構(gòu)膠微孔與裂縫失穩(wěn)并進(jìn)行擴(kuò)展，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)膠整體大面積變形。

針對(duì)大多數(shù)膠粘劑材料來說，建筑幕墻結(jié)構(gòu)膠的尺寸、體積同其結(jié)構(gòu)膠內(nèi)部微孔與裂縫等缺陷存在的概率之間成正比例關(guān)系，即建筑幕墻結(jié)構(gòu)膠的尺寸、體積越大，微孔與裂縫等缺陷越多。但結(jié)構(gòu)膠厚度也不是越小越好，在結(jié)構(gòu)膠厚度小于一定值的條件下，拉伸剪切強(qiáng)度因其厚度值太小而有所下降，易出現(xiàn)因缺膠而導(dǎo)致膠層界面較弱與應(yīng)力聚集問題。

2.2 結(jié)構(gòu)膠變形對(duì)建筑幕墻抗變形能力的影響

表2和圖5所示分別為結(jié)構(gòu)膠A在結(jié)構(gòu)膠粘接厚度為0.4mm條件下，不同測(cè)點(diǎn)變形測(cè)試結(jié)果和結(jié)構(gòu)膠剪切變形同建筑幕墻變形位移間的相關(guān)性。

分析表2與圖5能夠得到以下結(jié)論：結(jié)構(gòu)膠內(nèi)隨機(jī)區(qū)域的變形位移均由兩部分組成，即剪切變形和拉伸變形。結(jié)構(gòu)膠的剪切拉伸變形同建筑幕墻結(jié)構(gòu)變形之間存在線性相關(guān)性；初始加載階段，結(jié)構(gòu)膠四個(gè)測(cè)點(diǎn)區(qū)域的拉伸變形大致統(tǒng)一，且當(dāng)建筑幕墻結(jié)構(gòu)變形位移提升時(shí)，不同測(cè)點(diǎn)區(qū)域數(shù)值均表現(xiàn)出不同程度的離散性，這是由幕墻面板底部托條對(duì)于其豎向自由轉(zhuǎn)動(dòng)變形產(chǎn)生一定制約導(dǎo)致的；結(jié)構(gòu)膠不同測(cè)點(diǎn)區(qū)域剪切變形值之間波動(dòng)幅度較小，同時(shí)各值的離散性不顯著。

表2 結(jié)構(gòu)膠不同測(cè)點(diǎn)變形測(cè)試結(jié)果Table 2 The deformation test results of different measuring points of structural adhesive

圖5 結(jié)構(gòu)膠變形與建筑幕墻變形相關(guān)性Fig.5 The correlation between the structural adhesive deformation and the building curtain wall deformation

表3所示為建筑幕墻結(jié)構(gòu)膠角點(diǎn)區(qū)域的整體變形計(jì)算結(jié)果，由此能夠得到，結(jié)構(gòu)膠受外力加載條件下產(chǎn)生的變形是建筑幕墻結(jié)構(gòu)變形位移量的19%～20%，兩者屬于正相關(guān)的關(guān)系。且當(dāng)建筑幕墻層間位移角成1/240，結(jié)構(gòu)膠總變形為1.39mm后，兩者的相關(guān)性一直保持為20%。

表3 結(jié)構(gòu)膠變形同建筑幕墻變形相關(guān)性Table 3 The correlation between the structural adhesive deformation and the building curtain wall deformation

3 結(jié)論

本文主要進(jìn)行了結(jié)構(gòu)膠粘接厚度對(duì)建筑幕墻抗形變能力影響的分析，通過分析得到以下結(jié)論：

（1）在結(jié)構(gòu)膠粘接厚度逐漸提升的條件下，結(jié)構(gòu)膠膠粘劑拉伸與剪切強(qiáng)度整體表現(xiàn)為先升高后降低狀態(tài)。因此結(jié)構(gòu)膠粘接厚度不宜過大，但結(jié)構(gòu)膠粘接厚度過小也易導(dǎo)致膠粘劑粘接強(qiáng)度下降。

（2）在結(jié)構(gòu)膠A粘接厚度為0.6mm，結(jié)構(gòu)膠B粘接厚度為0.4mm的條件下，兩類結(jié)構(gòu)膠的剪切強(qiáng)度均達(dá)到上限值；在結(jié)構(gòu)膠A粘接厚度為0.6mm，結(jié)構(gòu)膠B粘接厚度為0.4mm的條件下，兩類結(jié)構(gòu)膠的拉伸強(qiáng)度均達(dá)到上限值。

（3）結(jié)構(gòu)膠受外力加載條件下產(chǎn)生的變形是建筑幕墻結(jié)構(gòu)變形位移量的19%～20%。