紫外與熱耦合環(huán)境下的隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠加速老化設(shè)備*

郝夢(mèng)瑤，何京波，余忠輝，謝宇芳，張道修

(1 深圳市房屋安全和工程質(zhì)量檢測(cè)鑒定中心，廣東深圳 518051；2 廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州 510665)

1 引言

隱框玻璃幕墻是建筑幕墻的一種，其面板材料為鋼化玻璃，橫向和豎向框架構(gòu)件不顯露于面板室外側(cè)，在高層和超高層結(jié)構(gòu)中廣泛使用［1］。隱框玻璃幕墻的面板通過(guò)硅酮結(jié)構(gòu)膠與副框連接，硅酮結(jié)構(gòu)膠承擔(dān)幕墻面板的自重荷載以及面板受風(fēng)壓、溫度等因素影響產(chǎn)生的荷載，隨著玻璃幕墻使用年限的增長(zhǎng)，幕墻的整體性能劣化，隱框玻璃幕墻安全事故時(shí)有發(fā)生。以實(shí)際工程應(yīng)用的隱框玻璃幕墻為對(duì)象，研究隱框玻璃幕墻的玻璃面板與副框之間硅酮結(jié)構(gòu)膠的性能，己成為隱框玻璃幕墻安全性評(píng)價(jià)的聚焦點(diǎn)。

針對(duì)硅酮結(jié)構(gòu)膠老化性能研究的常用做法是將硅酮結(jié)構(gòu)膠制成工字件或啞鈴型試件，試件的尺寸和形狀符合JG/T 475-2015《建筑幕墻用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》的要求，并將養(yǎng)護(hù)完成的試件置于標(biāo)準(zhǔn)的老化箱中進(jìn)行人工加速老化或者室外自然曝曬［2-3］，老化后將試件取出，在常溫條件下放置特定時(shí)間后，按GB 16776-2005進(jìn)行相關(guān)參數(shù)測(cè)定［4］。己有研究表明，通過(guò)人工加速老化試驗(yàn)，紫外老化和高溫老化均會(huì)對(duì)硅酮結(jié)構(gòu)膠的性能產(chǎn)生不同程度的影響［5-6］。

現(xiàn)有的研究設(shè)備難以用于足尺幕墻單元的研究，主要原因?yàn)椋阂皇茄芯繉?duì)象不同，將硅酮結(jié)構(gòu)膠作為幕墻面板邊界約束研究面板的振動(dòng)特性時(shí)，需將足尺的幕墻單元作為整體為對(duì)象進(jìn)行研究；二是現(xiàn)有的老化設(shè)備功能具有單一性，用于工字件和啞鈴型試件的標(biāo)準(zhǔn)老化箱不能滿足幕墻單元的老化需求。為了研究整體幕墻單元性能隨老化時(shí)間的變化規(guī)律，本文設(shè)計(jì)了一種紫外與熱耦合的隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠加速老化設(shè)備。

2 設(shè)備構(gòu)成與技術(shù)參數(shù)

2.1 設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成

紫外與熱耦合的隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠加速老化設(shè)備，包括試驗(yàn)測(cè)試工作箱、紫外控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)以及主控系統(tǒng)。紫外控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和主控系統(tǒng)布置于試驗(yàn)測(cè)試工作箱的側(cè)面，試驗(yàn)測(cè)試工作箱用于放置隱框玻璃幕墻單元，紫外控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)受控于主控系統(tǒng)；紫外控制系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)產(chǎn)生紫外線和溫度以用于加速試驗(yàn)測(cè)試工作箱中玻璃幕墻的老化，并將試驗(yàn)測(cè)試工作箱中的輻照度和溫度信息反饋至主控系統(tǒng)。設(shè)備還包括報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)和加載系統(tǒng)，報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)控試驗(yàn)測(cè)試工作箱、紫外控制系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)，同時(shí)將試驗(yàn)測(cè)試工作箱內(nèi)的輻照度和溫度狀態(tài)反饋至主控系統(tǒng)。老化裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 老化裝置的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The structure diagram of the aging equipment

2.2 設(shè)備模塊功能

2.2.1 試驗(yàn)測(cè)試工作箱

試驗(yàn)測(cè)試工作箱包括頂板、底板以及中間層。中間層焊接于頂板和底板之間；中間層包括角鋼形立柱以及承托架；角鋼形立柱沿其長(zhǎng)度方向間隔焊接有鋼片，承托架與鋼片焊接，隱框玻璃幕墻單元水平放置于承托架上。頂板和底板內(nèi)置有保溫材料，保溫材料為硬質(zhì)阻燃聚氨酯發(fā)泡材質(zhì)制成，頂板的下表面和底板的上表面均設(shè)置反射鏡，承托架設(shè)有用于將隱框玻璃幕墻單元吊起的掛鉤。圖2為試驗(yàn)測(cè)試工作箱的內(nèi)部構(gòu)造圖。

圖2 老化裝置內(nèi)部構(gòu)造圖Fig.2 The internal structure drawing of the aging equipment

2.2.2 紫外控制系統(tǒng)

紫外控制系統(tǒng)包括輻照度探測(cè)器、鎮(zhèn)流器以及紫外光源。輻照度探測(cè)器用于采集紫外光源信號(hào)，鎮(zhèn)流器對(duì)紫外光源進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。輻照度探測(cè)器用于采集紫外光源信號(hào)，并傳遞至可編程邏輯控制器（PLC）處理，再利用鎮(zhèn)流器對(duì)紫外光源進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，使紫外光源的輻照度達(dá)到設(shè)定值。圖3為隱框玻璃幕墻的老化裝置中紫外控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 老化裝置中紫外控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 The UV control system structure diagram of the aging equipment

2.2.3 溫度控制系統(tǒng)

溫度控制系統(tǒng)包括溫度傳感器、加熱器、抽風(fēng)機(jī)以及循環(huán)風(fēng)道。抽風(fēng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口與加熱器連接，抽風(fēng)機(jī)的出風(fēng)口與循環(huán)風(fēng)道連接，循環(huán)風(fēng)道的通風(fēng)口位于試驗(yàn)測(cè)試工作箱內(nèi)；加熱器產(chǎn)生的熱量后，通過(guò)抽風(fēng)機(jī)將加熱空氣輸送至循環(huán)風(fēng)道，溫度傳感器監(jiān)測(cè)試驗(yàn)測(cè)試工作箱內(nèi)溫度并將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)分析溫度數(shù)據(jù)后反饋調(diào)節(jié)加熱器的加熱功率。圖4為隱框玻璃幕墻的老化裝置中溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖4 老化裝置中溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 The temperature control system structure diagram of the aging equipment

2.3 設(shè)備技術(shù)參數(shù)

設(shè)備的工作箱承托架的尺寸為1200mm×1200mm，試驗(yàn)工作室設(shè)置10層，每層凈空100mm。紫外光源采用T12型UVB 313紫外光源，單只功率40W，每個(gè)工作箱采用80根紫外燈源。鎮(zhèn)流器采用德國(guó)HEP可調(diào)節(jié)鎮(zhèn)流器，最大可調(diào)節(jié)功率為55W，能夠驅(qū)動(dòng)40W紫外光源，實(shí)現(xiàn)輻照度強(qiáng)度0.95W/m2UVB。加熱器采用750W的鼓風(fēng)風(fēng)機(jī)，由循環(huán)風(fēng)道產(chǎn)生空氣流動(dòng)將加熱器產(chǎn)生的熱量均勻分布在試驗(yàn)測(cè)試工作箱。試驗(yàn)測(cè)試工作箱的溫度設(shè)定為80℃。

（1）試驗(yàn)測(cè)定工作箱

① 以高層和超高層常用的中空玻璃幕墻為研究對(duì)象，中空玻璃的規(guī)格選用常見(jiàn)的“6+12A+6”，即：內(nèi)層玻璃和外層玻璃的厚度為12mm，中空玻璃中間的間隔層（空氣層）厚度為9mm。本文中隱框玻璃幕墻單元的尺寸設(shè)定為1200mm×1200mm。根據(jù)待測(cè)隱框玻璃幕墻單元的尺寸，實(shí)驗(yàn)測(cè)試工作箱承托架的尺寸為1200mm×1200mm。為了放置更多數(shù)量的幕墻單元，試驗(yàn)工作室設(shè)置10層，每層凈空100mm。

② 為滿足隱框玻璃幕墻單元S和試驗(yàn)測(cè)試工作箱的尺寸，選擇尺寸偏小的傳感器和千斤頂。千斤頂一端頂于試驗(yàn)測(cè)試工作箱的立柱，另一端與測(cè)力傳感器相連，測(cè)力傳感器的另一端頂于隱框玻璃幕墻單元S側(cè)面，其中試驗(yàn)測(cè)試工作箱的立柱、千斤頂、力傳感器和隱框玻璃幕墻單元S側(cè)面之間均放置墊片。其中一個(gè)千斤頂布置在隱框玻璃幕墻單元S的一側(cè)，另一個(gè)千斤頂布置在隱框玻璃幕墻單元S的面板上，能夠模擬硅酮結(jié)構(gòu)膠受剪切力的情況。

（2）紫外控制系統(tǒng)

紫外燈源的放置如圖5所示。紫外系統(tǒng)中的輻照度探測(cè)器的作用是監(jiān)測(cè)輻照度光信號(hào)強(qiáng)度，優(yōu)選用光譜響應(yīng)區(qū)間在200～400 nm的光敏二級(jí)管作為輻照度探頭，可以有效覆蓋UVA（315～400 nm）和UVB（285～390nm）兩種紫外光源的發(fā)光光譜范圍，且具有良好的溫度穩(wěn)定性。UVB313所采用的短波長(zhǎng)比目前地球表面上通常找到的UV光波波長(zhǎng)更短，破壞性更強(qiáng)，可模擬波長(zhǎng)為285～390 nm的太陽(yáng)光紫外線光譜，因此選用UVB313型燈作為待測(cè)隱框玻璃幕墻單元S人工加速老化的光源，UVB313型燈采用德國(guó)HEP可調(diào)節(jié)鎮(zhèn)流器驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)0.95W/m2UVB輻照度強(qiáng)度。

圖5 紫外燈源的布置Fig.5 Arrangement of UV lamp source

（3）溫度控制系統(tǒng)

采用加熱器對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)測(cè)試工作箱進(jìn)行加熱，加熱器采用750W的鼓風(fēng)機(jī)，加熱器產(chǎn)生熱量后，通過(guò)抽風(fēng)機(jī)將加熱空氣輸送至循環(huán)風(fēng)道，循環(huán)風(fēng)道產(chǎn)生空氣流動(dòng)使熱量均勻分布在試驗(yàn)測(cè)試工作箱內(nèi)，使得工作箱內(nèi)的所有試件受熱均勻。試驗(yàn)測(cè)試工作箱內(nèi)溫度設(shè)定為80℃且可控，溫度傳感器監(jiān)測(cè)試驗(yàn)測(cè)試工作箱內(nèi)溫度并將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)分析溫度數(shù)據(jù)后反饋調(diào)節(jié)加熱器的加熱功率；采用PT100溫度單元芯片作為溫度傳感器，用來(lái)實(shí)時(shí)檢測(cè)試驗(yàn)工作室內(nèi)的溫度。循環(huán)風(fēng)道產(chǎn)生空氣流動(dòng)的示意圖如圖6所示。

（4）其他

主控制系統(tǒng)由主控程序和人機(jī)界面組成。人機(jī)界面采用昆侖通態(tài)觸摸屏中文彩色液晶觸摸式人機(jī)界面，主控程序使用可編程控制器（PLC）編譯控制程序。主控程序包含紫外控制、溫度控制、預(yù)警保護(hù)控制等子系統(tǒng)程序，通過(guò)可編程控制器（PLC）編譯的控制邏輯程序，可直接輸入、顯示、控制試驗(yàn)工作室的溫度和輻照度強(qiáng)度，并通過(guò)人機(jī)界面顯示試驗(yàn)測(cè)試工作箱內(nèi)的溫度、濕度和系統(tǒng)的安裝狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生故障時(shí)，顯示報(bào)警信息，并自動(dòng)啟動(dòng)停機(jī)狀態(tài)，確保無(wú)人監(jiān)控時(shí)的安全性。

預(yù)警保護(hù)系統(tǒng)是針對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中的溫度、輻照度和系統(tǒng)故障進(jìn)行報(bào)警和停機(jī)保護(hù)。其中，溫度、輻照度和系統(tǒng)故障預(yù)警分別獨(dú)立。若試驗(yàn)工作箱內(nèi)溫度超過(guò)閾值，溫度預(yù)警保護(hù)系統(tǒng)啟動(dòng)報(bào)警，同時(shí)切斷電源；若輻照度超過(guò)閾值或強(qiáng)度過(guò)低時(shí)，輻照度預(yù)警保護(hù)系統(tǒng)啟動(dòng)報(bào)警，同時(shí)切斷電源；當(dāng)出現(xiàn)接地保護(hù)裝置失效、漏電/斷電保護(hù)失效、鼓風(fēng)電機(jī)過(guò)載等故障時(shí)，系統(tǒng)故障預(yù)警保護(hù)系統(tǒng)啟動(dòng)報(bào)警，同時(shí)切斷電源。

2.4 設(shè)備特征

隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠加速老化設(shè)備可以同時(shí)放置特定尺寸的工字件和啞鈴型試件和足尺的隱框玻璃幕墻單元，對(duì)玻璃幕墻單元和標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行同條件的老化試驗(yàn)；設(shè)備內(nèi)輻照度強(qiáng)度能達(dá)到0.95W/m2UVB，溫度穩(wěn)定在80℃且可控；老化設(shè)備的試驗(yàn)測(cè)試工作箱、紫外控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)以及主控系統(tǒng)是5個(gè)相互獨(dú)立的模塊，具有易裝配性，便于測(cè)試過(guò)程中隱框玻璃幕墻單元的搬運(yùn)。

（1）易裝配

老化設(shè)備的試驗(yàn)測(cè)試工作箱、紫外控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)以及主控系統(tǒng)是5個(gè)相互獨(dú)立的模塊。試驗(yàn)測(cè)試工作箱和紫外控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)和主控系統(tǒng)可依靠下方鎖死的滾輪與地面的摩擦力保持一個(gè)整體，也可采用角鋼與螺栓相互連接。當(dāng)試驗(yàn)測(cè)試工作箱中放置或者移動(dòng)隱框玻璃幕墻單元S時(shí)，紫外控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)和主控系統(tǒng)這幾個(gè)模塊可以移動(dòng)至其它位置，從而方便工作人員的操作。

（2）試件布置

試驗(yàn)測(cè)試工作箱承托架的尺寸為1200mm×1200mm。試驗(yàn)工作室設(shè)置10層，每層放置一塊1200mm×1200mm的隱框玻璃幕墻單元，一個(gè)工作箱可放置10塊隱框幕墻單元。由于隱框玻璃幕墻單元水平放置于承托架上，因此隱框玻璃幕墻單元側(cè)邊的玻璃、硅酮結(jié)構(gòu)膠、副框不會(huì)被遮擋，老化效果也不會(huì)受到影響。同時(shí)在每層隱框玻璃幕墻單元的面板上均勻放置一定數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)試件，與玻璃幕墻單元同時(shí)進(jìn)行老化試驗(yàn)。隱框幕墻玻璃與標(biāo)準(zhǔn)試件的放置如圖7所示。

圖7 隱框幕墻玻璃與標(biāo)準(zhǔn)試件的放置圖Fig.7 Exhibition of concealed frame glass and standard specimen

（3）輻照度及溫度

輻照度探測(cè)器用于采集紫外光源信號(hào)，并傳遞至可編程邏輯控制器（PLC）處理后，利用鎮(zhèn)流器對(duì)紫外光源進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，使紫外光源的輻照度達(dá)到設(shè)定值。鎮(zhèn)流器最大調(diào)節(jié)功率55W，可以驅(qū)動(dòng)紫外光源40W至最大輸出效率，實(shí)現(xiàn)輻照度強(qiáng)度0.95W/m2UVB。采用加熱器對(duì)整個(gè)試驗(yàn)測(cè)試工作箱進(jìn)行加熱，通過(guò)抽風(fēng)機(jī)將加熱空氣輸送至循環(huán)風(fēng)道，循環(huán)風(fēng)道產(chǎn)生空氣流動(dòng)使熱量均勻分布在試驗(yàn)測(cè)試工作箱內(nèi)，使得工作箱內(nèi)的所有試件受熱均勻。試驗(yàn)測(cè)試工作箱內(nèi)溫度設(shè)定為80℃且可控。

3 結(jié)論

（1）本文設(shè)計(jì)了一種紫外與熱耦合的隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠加速老化設(shè)備，老化設(shè)備具有易裝配的特征，由試驗(yàn)測(cè)試工作箱、紫外控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、報(bào)警保護(hù)系統(tǒng)等模塊有機(jī)構(gòu)成。

（2）老化設(shè)備可實(shí)現(xiàn)對(duì)足尺幕墻單元副框與玻璃之間硅酮結(jié)構(gòu)膠的環(huán)繞型等量紫外輻照，在保證幕墻四邊接受的紫外輻照達(dá)到最大均勻性和最大輻照度的同時(shí)，試驗(yàn)工作室可容納足夠多的足尺幕墻單元樣品，這為研究隱框玻璃幕墻面板與副框間硅酮結(jié)構(gòu)膠的性能提供了可能。