1、粘彈性力學在超高層建筑幕墻的應用發布時間：2011-06-01【作  者】：龍文志【摘  要】：廣州西塔幕墻是迄今為止世界上最高的隱框玻璃幕墻，2008年筆者作為廣州西塔幕墻技術顧問（技術顧問的協議見附件）解決了一些技術難題。廣州西塔幕墻已經峻工二年多，目前為止工程情況良好，當時存在不少疑慮并產生激烈的爭論的一些技術問題初步經受住了實際的考驗。鑒于“十二五”后中國將有數百座300m以上超高層建筑幕墻，筆者愿將以前曾參與國內外數十座超高層建筑幕墻技術顧問或技術咨詢期間解決超高層建筑幕墻一些技術問題的研究成果陸續公開發表，從理論和實踐結合上探討和總結超高層建筑幕墻的經驗和教訓，

2、也許能作為今后超高層建筑幕墻設計與施工的參考。    廣州西塔隱框玻璃幕墻是否采用高效能硅酮結構膠？就是當年的有爭議的新技術之一，依據粘彈性力學基本原理，對隱框玻璃幕墻結構膠進行了應變-時間和應變-應力分析；論述高性能結構膠的可行性、可靠性和耐久性，是粘彈性力學在超高層建筑幕墻的一次成功應用。 【關鍵詞】：粘彈性、蠕變與松弛、普彈形變、高彈形變、粘流、串并聯模型、短期荷載、永久荷載、強而韌的應力應變曲線，高性能結構膠。     前  言    隱框玻璃幕墻誕生于上世紀七十年代

3、，上世紀九十年代引入中國后,人們就對那僅僅用一層膠將玻璃固定在框架上的作法一直存在種種疑慮 ,甚至形容為城市上空的 “定時炸彈 ”。以白云、之江、硅寶為代表的中國結構膠企業和廣大技術工作者，在引進、消化國外結構膠技術基礎上開發了國產硅酮結構膠，促進了隱框玻璃幕墻在中國高速發展。通過近二十年在中國上萬座隱框玻璃幕墻工程應用，實踐表明隱框玻璃幕墻不是城市上空的 “定時炸彈 ”，中國硅酮結構密封膠性能穩定,耐老化,可滿足關于玻璃幕墻設計使用年限25年的要求，不亞于甚至優于國外某些硅酮結構膠，用中國的結構膠的隱框玻璃幕墻也不是城市上空的“定時炸彈 ”。    中國的隱框玻

4、璃幕墻發展對結構膠的力學性提出了超出了現有水平的更高要求，市場迫切需要新技術、新材料、新工藝的推出來解決這些問題。以白云、之江、硅寶為代表的中國結構膠企業和幕墻企業技術工作者應運市場的要求，總結中國廣大工程經驗，研究開發成功了中國式的“高性能硅酮結構密封膠”，己在不少隱框玻璃幕墻工程上應用，又引發了高性能硅酮結構密封膠在隱框玻璃幕墻、尤其是超高層建筑幕墻應用的疑慮。     廣州西塔幕墻是迄今為止世界上最高的超高層隱框玻璃幕墻，2008年筆者作為廣州西塔幕墻技術顧問解決了一些技術難題。廣州西塔幕墻已經峻工二年多，目前為止工程情況良好，當時存在不少疑慮并產

5、生激烈的爭論的一些技術難題初步經受住了實際的考驗。鑒于“十二五”后中國將有數百座300m以上超高層建筑幕墻，筆者愿將以前曾參與國內外數十座超高層建筑幕墻技術顧問或技術咨詢期間解決超高層建筑幕墻一些技術難題的研究成果陸續公開發表，從理論和實踐結合上探討和總結超高層建筑幕墻的經驗和教訓，也許能作為今后超高層建筑幕墻設計與施工的參考。                       2010年4月

6、廣州西塔                    2010-11廣州亞運會 西塔     廣州西塔隱框玻璃幕墻是否采用高效能硅膠）為粘彈性材料，結構膠在隱框玻璃幕墻結構中幾何和力學特性研究歸屬粘彈性力學。當酮結構膠？就是當年的技術難題之一，也是爭議的焦點之一。硅酮結構膠（以下簡稱結構年依據粘彈性力學基本原理，對隱框從理論和實際上論證了高性能結構膠在廣州西塔超高層隱框玻璃

7、幕墻應用的可行性、可靠性和耐久性，在業主、金粵及白云公司共同努力下，經過多次專家審儀鑒定，并取得建設部建標新核準(A2-2008)行政許可，廣州西塔隱框玻璃幕墻終於采用了廣州白云高效能硅酮結構膠，這個迄今為止世界上最高隱框玻璃幕墻經過二年多的實際檢驗，也經受了臺風的考驗，目前為止工程情況良好。是粘彈性力學在超高層建筑幕墻的一次成功應用。本文是依據粘彈性力學基本原理，簡要分析隱框玻璃幕墻結構膠的應變-時間和應變-應力效應，淺析粘彈性力學在隱框玻璃幕墻結構膠的應用，探討高性能結構膠的可行性、可靠性和耐久性。    （一）廣州西塔隱框玻璃幕墻使用高效能硅酮結構膠

8、0;   11現有規范、標準規定的硅酮結構膠不能滿足廣州西塔隱框玻璃幕墻使用要求：    1)玻璃幕墻工程技術規范JgJ102-2003規定：    5.6.1硅酮結構密封膠的粘接寬度應符合本規范第5.6.3或5.6.4條的規定，且不應小于7mm；其粘接厚度應符合本規范第5.6.5條規定，且不應小于6mm。硅酮結構密封膠的粘接寬度宜大于厚度，但不宜大于厚度的2倍。隱框玻璃幕墻的硅酮結構密封膠的粘接厚度應大于12mm。    2）建  筑  幕  墻GB/T

9、 21086-2007規定：    f)玻璃幕墻應硅酮結構密封膠的厚度，厚度尺寸應通過計算確定，結構膠厚度不宜小于6mm且不宜大于12mm，其寬度不宜小于7mm且不大于厚度的2倍。    硅酮結構密封膠，硅酮密封膠同相粘接的幕墻基材、飾面板、附件和其他材料應具有相容性隨批單元件切割粘結性達到合格要求。    12 一般荷載情況，硅酮結構膠拉伸強度值為0.6N/m2 條件下，按照現有規范進行設計計算，硅酮結構膠寬度和厚度通常可以規范、標準的要求，但遇到下列情況時，硅酮結構膠拉伸強度值為0.6N/m2 條件下

10、，按規范、標準規定設計計算硅酮結構膠寬度和厚度往往超過了以上的限制。    a）高層、超高層建筑的隱框玻璃幕墻;    b）玻璃板塊、分格特別大的隱框玻璃幕墻;由于節能、安全等方面的要求，要使用夾層中空玻璃的隱框玻璃幕墻;    c）在抗震9度設防的地區建造的隱框玻璃幕墻;    d）其他對幕墻安全性要求較高的隱框玻璃幕墻。    13廣州西塔隱框玻璃幕墻工程為例：    W合=6.674kN/m2 

11、60; （WK=-4.623Kpa）    a=1500mm,b=4500mm，qG=0.72×1.35kN/m2    若按玻璃幕墻工程技術規范JGJ102-2003規定計算：(f1=0.2N/m2，f2=0.01N/m2。)    則有：風荷載作用下的膠寬：    自重作用下的膠寬：     膠厚：    解決方案為增加硅酮結構膠粘接寬度或增加硅酮結構膠拉伸強度。  

12、60; 1.4粘結寬度過大的影響：    結構膠粘結寬度的變化影響，從固化情況、粘結性、拉伸強度及延伸率方面進行試驗驗證。制樣及性能測試按國家標準GBI67762005規定要求，采用國家標準GB/T134772002相應方法進行檢測。試驗基材為陽極氧化鋁材及普通浮法白玻(公稱厚度為8mm)，H試件標距為12mm，結構膠樣尺寸分別為50mm x 12mmx12mm、50mmx33mmx12mm、50mmx 48mmx12mm。試驗用密封膠為白云牌雙組分硅酮結構密封膠。試件于標準條件下放每隔一定時間(7d, 14d、41d)取出I組測試。試驗結果如下表1。 

13、   由表1可見，粘結寬度過大    a)在相同養護時間的情況下，結構膠強度有所下降;    b)在相同養護時間的情況下，粘結性能也有所下降;    c)要達到硅酮結構膠拉伸強度值為0.6N/M2結構膠的養護時間，國內外均未見試驗及工程應用報導。    d)結構膠的粘結寬度、厚度過大嚴重影響幕墻的視覺效果，也會影響結構膠的粘結和力學性能，養護時間不清，鋁材耗費量的增加，增加幕墻建造的成本。    1.5現行國家標準建筑用硅酮結

14、構密封膠GB16776規定：硅酮結構膠拉伸強度值不低于0.6N/mm2，增加硅酮結構膠拉伸強度值雖符合GB16776規定，但不符合玻璃幕墻工程技術規范JGJ102-2003強制條款。在廣州西塔的超高層建筑上進行大荷載下減小隱框玻璃幕墻粘結尺寸的嘗試，國內屬首次，國際上也未見先例，增加硅酮結構膠拉伸強度需要從理論高度論證技術可行性，又要從試驗驗證實可能性，在此基礎上需要按照“采用不符合工程建設強制性標準的新技術、新工藝、新材料核準”行政許可實施細則的通知（簡稱“三性核準”）建標2005124號文進行“三性核準”。    16廣州西塔高性能結構膠專題技術論證會會議紀要

15、：    2008年4月21日由廣東省建設廳組織的“廣州珠江新城西塔項目采用白云牌SS922超高性能硅酮結構密封膠，提高結構膠強度設計值”專題技術論證會在廣州召開。到會的專家有：鄭金峰、趙西安、龍文志、楊仕超、姜仁、閉思廉、莫英光、花定興。廣東省建筑科學研究院、建設單位、深圳金粵幕墻裝飾工程有限公司，與會專家經過認真討論，論證意見如下：    1、提供論證的資料齊全，符合采用不符合工程建設強制性標準的新技術、新工藝、新材料核準的要求。    2、經國家建筑材料工業建筑防水材料產品質量監督檢驗測試中心檢測，

16、白云牌SS922高性能硅酮結構密封膠的性能符合廣州市白云化工實業有限公司企業標準Q/BYHG13-2008建筑幕墻用高性能硅酮結構密封膠的要求。    3、白云牌SS922高性能硅酮結構密封膠能夠滿足廣州珠江新城西塔項目主塔外幕墻的設計要求。    與會專家一致認為：白云牌SS922高性能硅酮結構密封膠可在廣州珠江新城西塔項目主塔樓玻璃幕墻中使用。按照JGJ102-2003規范中結構膠設計參數的取值方法，可將結構膠在風荷載或地震作用下的強度設計值f1提高至0.4N/2,在永久荷載作用下的強度設計值f2提高至0.02 N/2。 

17、;   與會專家建議，中空玻璃二道密封膠亦采用白云牌SS922高性能硅酮結構密封膠，其寬度應由計算確定。    專家組組長：鄭金峰    專家組副組長：龍文志、趙西安    17專題技術論證會后報呈建設部“三性核準”。    建設部以正式公開行文頒發了準予采用白云牌SS922高性能硅酮結構密封膠提高結構膠強度設計值的建設行政許可決定書編號為建標新核準(A2-2008)。原文如下：     廣州越秀城建國際金融中心有限

18、公司：    經審查，你公司于2008年5月19日向本行政機關提出廣州珠江新城西塔項目采用白云牌SS922高性能硅酮結構密封膠提高結構膠強度設計值的申請，符合法定條件，根據我部關于建設部機關直接實施的行政許可事項有關規定和內容的公告，本行政機關決定準予你公司行政許可。在項目實施過程中應注意：    1加強產品質量管理；    2參見各方切實履行好相關質量安全責任，加強施工過程中質量安全控制，確保工程質量和施工安全。    聯系人：王果英，聯系電話：01058933043

19、60;   監督電話：01058933319    該行政許可適用于廣州珠江新城西塔工程，有效期為兩年。    二八年八月四日    18按照建標新核準(A2-2008)文件，廣州西塔隱框玻璃幕墻工程：采用拉伸粘結強度標準值大于為0.6N/m2的高性能硅酮結構膠。結構膠的短期荷載強度設計值可按標準值除以系數3.0后采用，長期荷載下強度設計值可按標準值除以系數60.0后采用。本例采用的高性能硅酮結構膠拉伸粘結強度標準值為1.0N/m2。結構膠變位承受能力可按應力一變位曲線關系中應力為0.

20、7f1時的變形值采用。    即：f1=(1.0÷3)N/m2=0.34N/m2        f2=(1.0÷60)N/m2=0.017N/m2。    風荷載作用下的膠寬：    自重作用下的膠寬：     膠厚：（二）粘彈性力學基礎概念    彈性：材料恢復形變的能力，與時間無關。    粘性：阻礙材料產生形變的

21、特性與時間相關。粘彈性材料既有彈性，又有粘性。粘彈性依賴于溫度和外力作用的時間。其力學性能隨時間的變化，稱為力學松弛，包括應力松弛、蠕變等。其力學行為介于理想彈性體和理想粘性體之間。蠕變：一定溫度，恒定應力s，材料的應變e隨時間的增加而增大的現象應力松馳：恒定溫度形變下，材料的內應力隨時間增加而逐漸衰減的現象。    線性粘彈性:粘性和彈性線性組合叫線性粘彈性。粘彈性力學只描述材料同時出現的彈性和粘性行為（簡稱為粘彈性），不涉及到材料的塑性效應。這是考慮粘性效應最基本的材料模型。      理想彈性體的形變與時間無

22、關，形變瞬時達到，瞬時恢復。理想粘性體的形變隨時間線性發展。粘彈性體介于這兩者之間，其形變的發展具有時間依賴性，也就是說不僅具有彈性而且有粘性。這種力學性質隨時間變化的現象稱為力學松弛現象或粘彈性現象。廣義上說，松弛過程是體系（始態）從受外力場作用的瞬間開始，經過一系列非平衡態（中間狀態）而過渡到與平衡態（終態）的過程，而這一過渡時間不是很短的。結構膠在低溫或快速形變時表現為（普）彈性；在高溫或緩慢形變時表現為粘性。    粘彈性力學圍繞著四個物理量即應力、應變、溫度和時間進行研究。通常是固定兩個量，研究另兩個量的關系（表2）。   

23、         表2粘彈性材料力學性質四參量之間的關系    對結構膠這樣粘彈性材料在隱框玻璃幕墻結構上應用，也應從以上四個關系研討。應變時間關系與應力時間關系具有等效性，隱框玻璃幕墻工程大都處于大氣常溫，本文從應變時間關系與應力應變關系兩方面進行分析。    （三）粘彈性材料應變時間關系：（三種形變）    31普彈應變（1）：    聚合物受力時，瞬時發生的高分子鏈的鍵長、鍵角變化引起的應變

24、服從虎克定律，當外力除去時，普彈應變立刻完全回復。                       圖2普彈應變示意圖                      

25、圖3普彈應變摸擬圖     32高彈應變（2）：    聚合物受力時，高分子鏈通過鏈段運動產生的應變，應變與時間相關。當外力除去后，高彈應變逐漸回復。                       圖4高彈應變摸擬圖        

26、               圖5高彈應變示意圖     33粘性流動（3）：    受力時發生分子鏈的相對位移，外力除去后粘性流動不能回復，是不可逆形變。                     &

27、#160; 圖6粘性流動示意圖                       圖7粘性流動摸擬圖     （四）粘彈性的力學模型    41理想彈簧和理想粘壺    為了模擬粘彈性林料的粘彈行為，采用兩種基本力學元件，即理想彈簧和理想粘壺（圖8）   

28、 理想彈簧用于模擬普彈應變，其力學性質符合虎克（Hooke）定律，應變達到平衡的時間很短，應力與應變和時間無關。         = E         式中：為應力；E為彈簧的模量；為形變。    理想粘壺用于模擬粘性形變，其應變對應于充滿粘度為的液體的圓筒同活塞的相對運動，可用牛頓流動定律描述其應力應變關系。    式中：為粘度；t為時間。   

29、; 4.2串聯模型(Maxwell模型)    將彈簧和粘壺串聯起來可以表征粘彈體的應力松弛或蠕變過程。      如圖9所示，當模型受到了一個外力時，彈簧瞬時發生形變，而粘壺由于粘液阻礙跟不上作用速度而暫時保持原狀。若此時把模型的兩端固定，即模擬應力松弛中應變固定的情況，則接著發生的現象是，粘壺受彈簧回縮力的作用，克服粘滯阻力而慢慢移開，因而也就把伸長的彈簧慢慢放松，直至彈簧完全恢復原形，總應力下降為零，而總應變仍保持不變。其方程推導如下：    體系總應變是彈簧和粘壺的應變之和=彈

30、粘    彈簧與粘壺受的應力相同 =彈粘    4.3并聯模型(Voigt模型)    當模型受到外力時，由于粘壺的粘性使得并聯的彈簧不能迅速被拉開。隨著時間的發展，粘壺逐步形變，彈簧也慢慢被拉開，最后停止在彈簧的最大形變上。除去外力，由于彈簧的回縮力，要使形變復原，但由于粘壺的粘性，使體系的形變不能立刻消除。粘壺慢慢移動，回復到最初未加外力的狀態。并聯模型示意圖10。           

31、60;     圖10并聯模型    其模擬的蠕變方程為    （t）=()(1-e-t/) 3.4四元件模型(Burgers模型)     并聯模型沒能表現出蠕變過程剛開始的普彈形變部分和與高彈形變同時發生的純粘流部分。串聯模型能表現普彈形變和粘流形變，但不能表現高彈形變。如果將串聯模型和并聯模型再串聯起來，構成的所謂“四元件模型”，常稱為Burgers模型（圖11）。      &#

32、160;        圖 11 四元件模型        變形包括三部分：彈形變形1、粘流2、粘彈性變形3；它們和應力對應關系分別為：    可用拉普拉斯變換導出完整的方程為：     （五）粘彈性力學在隱框玻璃幕墻結構膠的應用分析。    51隱框玻璃幕墻結構膠短期荷載、長期荷載區分：    隱框玻璃幕墻自重荷載和風荷載在設

33、計基準期內，荷載達到和超過該值的總時間（總時間=作用次數×作用時間）T與設計基準期之比T。    T/T=1.0為永久荷載；0.5T/T1.0為長期荷載；    0.1T/T0.4為短期荷載；0T/T0.1為瞬時荷載。    5.2自重荷載為永久荷載       膠用四元件模型（1）式進行形變時間分析，           &#

34、160;    圖14   四元件模型模擬的蠕變及回復曲線    隱框玻璃幕墻結構膠承受風荷載及地震作用為短期荷載的作用時間短 (t很小), （1）式中的第二    此時隱框玻璃幕墻結構膠變形與時間無關，力學性質呈彈性。粘彈性材料在極短期荷載作用下則成為彈性體，例如：飛機上的橡膠輪胎在高速下遇到外來物體的撞擊會像彈性體一樣破碎；粘彈性材料-結構膠在風荷載及地震作用為短期荷載作用下蠕變很不明顯，按彈性材料力學分析計算是可行的。    隱框玻璃幕墻結構膠承受永

35、久荷載（例如玻璃自重），力作用時間長(t大),（1）式中的第二、三項大于第一項，當t，第二當t，第二項0/E2 <<第三項（0t/)，（1）式剩下第一項為此時材料變形與時間有關，材料力學性質呈粘性，重力作用的蠕變累積也需要相當長的時間，例如玻璃也是粘彈性材料，歐洲有幾百年歷史的教堂上的窗玻璃能觀察到上薄下厚的變化，這說明玻璃蠕變主要是垂直地面的自重的永久荷載，而不是水平方向的風力，即使這樣可觀察到蠕變需要幾百年的時間，這些提示了我們：隱框玻璃幕墻結構膠承受風荷載及地震作用等短期荷載時，力作用時間短 (t小), 此時隱框玻璃幕墻結構膠主要是普彈形變，結構膠寬度由風荷載及地震作用等短期

36、荷載決定的，可以采用彈性材料力學設計計算，對于承受風荷載及地震作用短期荷載的隱框玻璃幕墻結構膠忽略應變與時間影響，僅考慮普彈應變-應力關系套用概率極限狀態設計方法進行設計。因而廣州風荷載為西塔隱框玻璃幕墻的控制荷載，超規范將硅酮結構密封膠強度設計值f1=(0.6÷3)N/mm2=0.2N/mm2 a提高到f1=(1.0÷3)N/mm2=0.34N/mm2是可行的。    隱框玻璃幕墻在短期荷載（風荷載、地震荷載，每次作用時間短）作用下，倍增結構膠強度設計值對粘結耐久性影響與彈性材料（例如鋼材）沒有多大區別，工程上可忽略不計。硅酮結構膠在長期荷載

37、（自重荷載）作用下，材料粘彈性呈現為粘性，材料時間效應明顯。工程上才予考慮。    隱框玻璃幕墻在短期荷載（風荷載）作用下，雖然每次作用時間短，結構膠呈彈性材料效應，但風荷載為多次作用的可變荷載，按結構膠彈性疲勞效應，倍增結構膠強度設計值對粘結耐久性影響如何？   （六）非線性黏彈性材料疲勞性能-粘彈塑材料動力學    61疲勞是指材料在承受遠低于斷裂強度的應力強度的反復應力的情況下產生裂紋的現象。疲勞的產生通常起源于工件內部相對脆弱或者應力集中的區域，如外來夾雜，空隙等。盡管工件整體所受應力小于斷裂強度，在這些微

38、小區域可能已經達到斷裂強度，結果導致在這些區域產生微小裂紋。在應力反復施加的情況下這些微小裂紋長大最終導致工件破壞失效。    62硅酮結構膠為高分子非線性粘彈性材料，至今高分子非線性粘彈性材料疲勞破壞特性評價基本上采用和金屬材料同樣的應力-疲勞壽命（S-N）曲線方法。高分子材料于循環負載之下主要會經歷疲勞斷裂。疲勞發生于低于降幅強度的應力階段。痕勞破壞的高分子材料中并不像金屬那樣廣泛；然而，其疲勞資料室類似的，且其結果da/dNK關系曲線具有相同的一般形狀。圖3        圖3某些金屬和高分子材料的疲勞裂紋擴展速率曲線    da/dNB Gq，    式中：B 、q 是與材料種類、溫度、頻率、應力比等有關的常數。    綜上所述，隱框玻璃幕墻在短期可復荷載（風荷載）作用下，結構膠