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高强度硅酮结构胶在抗爆玻璃幕墙中的应用

贤集网 2017/9/5 10:41:26

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中国玻璃网】玻璃幕墙作为建筑外围护结构,在遭受爆炸冲击荷载作用时,玻璃短时间承受巨大的冲击荷载容易发生破碎并飞溅,造成室内外人员的重大伤亡。提高玻璃幕墙的抗爆性能,可以有效减小爆炸袭击所造成的伤害。

  目前,国外对玻璃幕墙爆炸条件下的材料性能、抗爆机理等方面从计算机模拟到实际测试都有系统研究。国内对玻璃幕墙的研究侧重于材料的性能、抗震、抗风压等常规性能,对抗爆性能的研究则相对较少,且主要集中在强化玻璃自身的抗冲击性能研究。

  随着国内经济社会的发展和对公共安全重视度的空前提高,对于标志性建筑,尤其是在人员密集且流动性大的重要建筑区域的幕墙抗爆安全性能已经逐步提上规范要求。上海市DGJ 08—56—2012《建筑幕墙工程技术规范》中就规定:特别重要的幕墙建筑或者建筑设计规定有抗爆要求的幕墙建筑需要引入抗爆设计的理念。国标GB/T 29908—2013《玻璃幕墙和门窗抗爆炸冲击波性能分级及检测方法》参照标准ISO 16933《建筑玻璃防爆炸冲击波性能分级及检测方法(场地试验法)》对玻璃幕墙和门窗抗爆性能的分级及测试方法进行了规定。

  考虑到幕墙玻璃通过结构胶粘结在金属框架上的特性,单方面加强玻璃面板自身的抗爆性能,结构胶粘结体系在爆炸荷载冲击下可靠性发生问题(如发生自身撕裂或粘结破坏),将发生玻璃成片的脱落(向室内侧),依然无法确保人员的安全性。因此,同时考虑结构胶自身在短时爆炸冲击荷载作用下的可靠性是非常必要的。本研究将高强度结构胶用在抗爆幕墙结构粘结系统中,利用100kg TNT当量的炸药在一定距离对抗爆幕墙样品进行实际爆炸测试,考察采用高强度结构胶提高玻璃幕墙抗爆性能的可行性。高风压,如台风、飓风等对幕墙玻璃造成的冲击力效果类似于爆炸所产生的高强度应力,可以按照抗爆幕墙的设计思路进行考虑。

  1、幕墙结构性粘结

  欧标ETAG 002《结构密封胶装配体系欧洲技术认证指南》采用规定力学性能保持率的方法来衡量密封胶性能的长期可靠性,国内较新制定的行业标准《建筑幕墙用中空玻璃弹性密封胶》及《建筑幕墙用硅酮结构密封胶》已经等效借鉴欧标测试及评估体系。ETAG 002对结构胶的较大强度值无具体数值要求,但其要求结构胶产品经高温、低温、盐雾、酸雾、水-紫外辐照等处理后,强度值保持率必须高于0.75。ETAG 002规定结构胶设计强度值取23℃时结构胶拉伸强度标准值与安全系数的比值。按照ETAG规范的取值思路,原则上允许结构胶设计强度高于0.14MPa的常规取值。

  需要注意的是,欧标繁多的老化项目种类及苛刻的单项老化强度要求,以及老化后强度保持率不低于0.75的强制规定,实际上已将国内绝大多数硅酮结构胶排除在规范以外。从1999年第1版ETAG 002正式生效,到2011年终于有厂家的双组分硅酮结构胶历史性超越了0.14MPa的设计强度,达到了0.20MPa的设计强度。在此之前,国内只有一款单组分结构胶达到了0.17MPa的设计强度,但由于单组分硅酮结构胶较大允许的胶宽只能维持在15~18mm(更宽的胶深,单组分硅酮胶将无法实现深层固化),因此使用同样受限。

  出于采光及视觉的考量,玻璃幕墙愈来愈趋向于选用超大面积的玻璃。按照传统设计思路,高风压和大板面的结合,势必需要很大的结构胶尺寸(胶宽和胶深)来满足受力要求。选用高强度结构胶,通过稳定提高胶体自身的强度,增加结构性粘结系统单位面积的允许受力极限,能够在维持结构性粘结体系安全系数不变的同时,缩减结构胶的设计宽度。设计强度0.20MPa的高强度双组分硅酮结构胶的出现,使得高风压和大板面的设计成为可能。

  2、实验室高速剪切拉伸测试

  为模拟实际爆炸状况下结构胶受力后的反应状况,实验室选用4m/s的拉伸速度进行剪切测试。该拉伸速度50000倍于常规的拉伸测试速度(5 mm/min,ISO 8339)。以西卡普通强度双组分硅酮结构胶为例,低速测试(5mm/min)条件下强度为0.9MPa左右,高速测试(4m/s)条件下强度高达2.8MPa;西卡高强度双组分硅酮结构胶在低速测试条件下强度在1.6MPa左右,高速测试条件下强度将高达4.2MPa。较高的测试速度将导致较高的强度数据,这是因为高速测试条件下结构胶所承受的短时应变导致了结构胶分子结构变形的不同表现。上述结论为玻璃幕墙的抗爆安全设计提供了基本依据。

  可以推断,在测试速度进一步提升的情况下,结构胶的剪切强度数据还会有进一步的提高。但是,考虑到高于4m/s的冲击速度将导致玻璃自身的直接内聚破坏(不同类型的玻璃可能稍有差别),实验室模拟将测试速度设定在该临界值。

  3、抗爆玻璃幕墙实际爆炸测试

  基于结构胶在实验室高速拉伸测试结论,西卡公司于2012年10月在英国GL Noble Denton测试中心组织了玻璃幕墙的实际爆炸测试。按照ISO 16933规范要求,玻璃为两片4mm的浮法玻璃,通过1.52mm杜邦PVB进行夹层复合,通过特定的结构胶类型及尺寸粘结固定于镀锌钢材质的U型槽内。分别为选用普通强度结构胶、高强结构胶及设计优化后的高强结构胶3种情况下的幕墙玻璃粘结结构。实验采用100kg TNT当量的高爆炸药在距离幕墙玻璃25m和19m的位置进行爆炸测试。结果表明,选用常规结构胶的情况下,即使胶宽高达25mm,高爆产生的短时大变形将导致结构胶内部破坏并导致四周粘结部位的玻璃飞溅出框架外。而选用高强结构胶的情况下,即使胶宽尺寸缩减幅度较大(32%~52%),爆炸产生的短时应力也未造成结构胶的内部破坏,玻璃四周粘结部位被安全稳定地固定在框架内,无大块玻璃向外飞溅。

  4、结语

  抗爆玻璃幕墙的实际爆炸测试证实了选用高强度结构胶实现玻璃幕墙抗爆的可行性。高强度所带来的较高的设计参数,允许幕墙结构设计选用更小的结构胶尺寸并可由此缩减型材的宽度。总体而言,高强结构胶能够为设计师提供更广的可视区域,设计更自由;为幕墙公司节省物料、时间、人工;为业主降低成本,实现节能,值得在相关设计中推广应用。

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