必须慎重对待结构胶的许用应力

必须慎重对待结构胶的许用应力

1. GB 16776《建筑用硅酮结构密封胶》修改采用ASTM C1184, 标准规定的技术特性仅是工业界能接受的最低性能要求。 1401规范《结构密封胶粘结装配玻璃体系（SSG）标准指南》指出：“实际产品具有高于标准指标的粘结强度，但这不能作为提高结构胶强度设计值的依据”。建筑幕墙结构粘结应用相关国际规范采用强度设计值0.14MPa/0.007MPa，对此ASTM C1401明确指出：“该限值已经实践证明并被广泛采用，是寿命期内玻璃结构粘接耐久性的重要保证。对既承受水平荷载又承受垂直荷载的粘结结构，设计采用更高的设计系数，以期尽量降低结构胶承受的设计应力”。“除非特殊设计采用特殊的不同形状的密封胶，这种情况下也必须进行小规模的模拟实验进行验证”。

2. 如果采用了高于GB 16776标准值的硅酮结构密封胶而相应提高强度设计值，应评估物理非线性力学特性产生的结构安全风险（附件1）；已有的试验表明，随应力水平的提高，结构胶的平均疲劳寿命以幂函数关系迅速衰减，结构胶粘结破坏的风险较大（附件2）。

附件1

硅酮结构密封胶的非线性力学特性

硅酮结构密封胶是室温固化的硅橡胶，聚合物分子量一般高达几十万且分布范围较宽，链状网状结构的分子中既有刚性链又有柔性链节结构，形成不同的聚集态，导致聚合物的多重性质，其显著特性是高弹性和粘弹性，力学行为呈现物理非线性。聚合物粘弹性行为的描述可有多种数学模型，常用近似模型由线性弹簧、阻尼器和KELVIN-VOIGT元件组成（图1）。建筑玻璃幕墙和汽车风挡玻璃利用这种特性，应用结构胶粘结脆性玻璃，优异的阻尼减震效应保证了装配体系的安全。结构胶在荷载作用下的应变（ε）对应力（σ）的响应可用式1表示 ：

E0、E1为弹性模量

η0、η1为粘滞系数





图1 聚合物近似力学模型



（1）

式中： t ——外力的作用时间

σ——应力

σ/E0——施加外力产生应力后的瞬时弹性应变；

σt/η0——长期粘性蠕变行为；

——过渡态力学响应

弹性材料的应力－应变关系可简单地用弹性模量系数（E0＝σ/ε）表征。而粘弹性材料的应变响应与时间、温度及材料结构等多种因素有关，应力－应变的关系要复杂得多，目前在理论方面、精确解方面还是数值近似解方面都比线性弹性力学难度大 。但由于非线性弹性力学与线性弹性力学中的物理意义、数学意义相同，在应力及应变分析中人们往往习惯于简单的线性处理，有时会忽视聚合物基本力学几何方程的多重性和复杂性。

聚合物的应力和变形的关系为非线性，杨氏模量不为常数，一般用正割模量表征，如用某一应变时对应的应力表示，同一个结构胶产品在不同应变下有着不同的模量；柔量是聚合物常用的物理量，柔量是模量的倒数，即用某一应力对应的应变表示，JG102提出的结构胶变位能力的物理意义实际是结构胶的柔量。不同结构胶的模量（或柔量）的量值差异甚大，具体量值只能依靠实测的应力－应变曲线上查对（图1）。



图1 部分结构胶产品的应力－应变曲线



由结构胶产品的应力－应变曲线可见，应力提高一倍时相对的应变并不等比例响应，如其中的某一结构胶，若将f1由0.14MPa提高到0.40MPa，其应变值（即δ）将由0.08非线性地提高到0.36，不仅可导致玻璃面板产生不期望的过量位移，而且会引发其他不期望的荷载效应。

GB 50068《建筑结构可靠度设计统一标准》规定：“承载能力极限状态的基本设计和组合设计，仅适用于荷载效应与荷载为线性关系的情况”。结构胶是物理非线性材料，荷载效应为非线性，设计对强度设计值提高后的效应及风险应给予慎重评估，进行必要的试验验证。

附件2

提高许用应力将劣化结构胶的粘结耐久性

疲劳性的表达远比以上叙述复杂。疲劳是重复应力或长期暴露引起材料性能劣变的现象。风压变化反复拉动幕墙玻璃面板作用于结构胶循环产生应力，每天的温度变化引起位移变化使结构胶重复产生拉应力，雨水、热、UV光照和风化效应等因素的重复暴露，将促使结构胶性能衰变产生疲劳破坏。不同于其他建筑连接件，结构胶粘结节点疲劳破坏的表征不仅是本体材料的断裂破坏，还包括与玻璃界面粘结力的丧失。

影响结构胶疲劳破坏的因素包括应用特性、应力类型和频度，但荷载下结构胶疲劳的应力水平的影响最为直接，也最为重要。ASTM C1401指出“实验室对某一个结构胶的疲劳试验有以下结果：该结构胶的粘结拉伸试件以应力517 kPa 反复拉伸， 1000次时发生破坏；以应力345 kPa反复拉伸5000次时破坏； 以应力276 kPa拉伸时试件可反复加载 100,000次”。可见结构胶承受反复拉伸的疲劳试验次数随应力值的增大而锐减。ASTM C1401还指出“结构胶的抗疲劳承受能力很关键，然而在大多数应用中并没有给予足够重视。对结构粘结设计遵循良好的设计原理，避免结构胶与水接触。结构密封胶在经受湿气或浸水时，粘结疲劳将特别迅速发展。专业设计应该注意到，必须研究非典型的应用，如果结构密封胶粘接设计或采用其他标准使用的应力状态，除应考虑密封胶厂商已经提供的耐疲劳性能外，还要特别注意研究具体的应用并认真选择结构密封胶”。

2008年3月全国门窗幕墙年会上，迈图科技公司关于硅酮结构密封胶安全性的技术报告引起同行关注，该试验应ASTM C24委员会要求对多种品牌结构胶进行的拉伸疲劳试验，这些品牌结构胶的拉伸强度都远高于标准值（图1）：



图1 试验结构密封胶的强度水平

疲劳拉伸试验模拟了玻璃面板在负压风荷载下对结构胶的拉伸，试验采用的拉压应力水平分别为0.14MPa、0.19MPa、0.21MPa和0.28MPa,记录粘结试件破坏发生时的拉伸次数。由研究报告的数据可见，不同品牌结构胶拉伸破坏时的循环次数（寿命）与应力水平显著相关（图2），随循环拉应力水平的提高，结构胶的平均疲劳寿命以幂函数关系迅速衰减（图3），以应力0.14MPa下的循环疲劳寿命为100％计，应力0.19MPa 、0.21MPa和0.28MPa下平均疲劳寿命分别下降为17％、10％和6％。



图2 不同应力下不同结构胶的疲劳寿命

图3 不同应力下结构胶疲劳破坏平均寿命



此外，ASTM 1286《硅酮结构密封胶粘结装配：既有结构的可靠性评估》研究报告表明，不同应力水平下结构胶的粘结失效概率随荷载值的提高呈幂函数增长。

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SSTM1401-98 24.3特性

24.3.1 拉伸强度：结构密封胶的最小拉伸强度应有345MPa，这个数值是根据测试方法标准C1135测定的，C1135测试方法是模拟密封胶形状的测试方法，测试出来的拉伸强度能够表征SSG系统胶缝的形状特征，当然，如果涉及有关特殊胶缝的设计、满足最大密封胶强度的形状或其他执行标准，那么必须进行小规模的模拟实验来确定适宜的设计参数。大多数的密封胶的最大拉伸强度超过345KPa ，但是，这并不意味着应该使用超过工业标准值139KPa的设计拉伸强度值，即使有也是很少事例允许增加设计拉伸强度。在SSG系统应用中，最关心的是维持暴露于环境中的装配单元寿命内的粘接性。当承受水平荷载或竖直荷载时，为了有利于维持粘接，总是希望密封胶承受较低的压力，这样在密封粘接处有一个较小的压力。

资料：

美国材料试验协会（ASTM）C1184-91《Standard Specication.for Structural Silicone Sealants》是在1991年颂发的第一个有关硅酮结构密封胶标准，95年有局部修订(我国GB16776-1997和ASTM C1184-95基本相同)，1998（2000、2005）年又作了局部修订。ASTM C1184-2005硅酮密封胶物理、机械性能和检验方法见表1。

表1 硅酮密封胶物理、机械性能和检验方法

项 目 技 术 指 标 检测标准

下垂度 C639

垂直放置/mm ≤4.8mm

水平放置 不变形

挤出性/S ≤10 C603

硬度 shore A 20~ 60 C 661

热老化

失重/% ≤10

龟裂 无

粉化 无

粘接失效 ≤3h无变化 C679

拉伸粘接性 C1135

标准状态 345KPa（50PSI）

880C（1900F） 345KPa（50PSI）

-290C（-200F） 345KPa（50PSI）

浸水后 345KPa（50PSI）

5000h耐侯性试验 345KPa（50PSI） C1148 8.6.2 .5

货架寿命 6月 C1148 9.1





GB16776-2005 附录 C

硅酮结构密封胶的模量

C.1 概述

C.1.1本附录目的是阐明一定应用范围的硅酮结构胶应具备的模量。硅酮结构胶应按具体用途设定强度和弹性两项指标；这就意味着该密封胶的模量应介于某一应用所要求的最高值和最低值之间。

C.1.2材料的模量表征着材料伸长变形同应力的相关关系，也应是材料柔性、刚性或硬度的度量。在本附录中采用术语“模量”是指密封胶的正切弹性模量。尽管模量和应力有相同的单位(kPa)但表达的技术概念不同。由于密封胶的模量不是常数，所以密封胶行业通常习惯用测量出的模量和应变二个值来表达(如：应变12.5%模量为99kPa)。

C.1.3在结构系统中硅酮结构胶将玻璃及其他材料同金属框架粘结在一起，向装配体系结构传传递玻璃材料所受的载荷，并适应玻璃材料和支持框架之间预计发生的位移。在规定的应用条件下选材料时，设计人员选择的硅酮结构胶应具有承受施加载荷所必须的强度和适应各`种位移所必须的柔性。

C.1.4现在生产的硅酮结构胶的功能，能使材料在广泛的范围内使用，如果用于指定用途时，它也应具备用途可以接受的模量。

C.1.5密封胶模量随温度而规律变化（基本为线性关系），在预期使用温度范围检验（验证）该模量，应在最低值和最高值之间变化。

C.1.6为充分评价选用的密封胶，将230C测试的拉伸粘结性的应力-变形曲线或伸长率10%、20%和40%时的拉伸模量应用于特定的设计规范时，应注意条件的改变（如：密封胶接缝形状或周围条件的作用）与特定规范指定或预测的工况有关。应用应力-变形曲线或伸长率10%、20%和40%时的拉伸模量测定值，应同所应用的设计准则结合，评价并确定推荐的密封胶是否适于这种应用。

C.2最低模量

硅酮结构胶允许的最低模量(最软和最大以允许柔软性)基于这样一个前提，即该密封胶具有的刚度应足以支撑面板不产生过度的位移。其极限状态是当该密封胶厚度方向被负风压产生的应力(向外拉)，或者施加其它侧向荷载的应力直至达到其设计荷载且均等施加应力时，其最大延伸不超出设计几何形状的实用极限(如面板定位块的支承范围)。

C.3最高模量

最高允许模量(最大刚硬性或允许的最小柔性)是要求该硅酮结构胶的接缝必须具有足够的柔度，以适应板面和该支承构架之间的风压变形或温度变化引起的位移，保证切变应力不超过设计值。

赵西安 《幕墙规范GB和JGJ执行中的一些问题》

4.5高强硅酮结构密封胶的强度设计值

国家标准《建筑用硅酮结构密封胶》GB16776中，结构胶的粘接抗拉强度定为0.6N/mm2，因此在风荷载和地震作用下，其设计值f1取为0.2 N/mm2，在永久荷载作用下其设计值f2取为0.01 N/mm2。

由于高性能硅酮结构密封胶（如白云SS922）的粘接拉伸强度可以达到1.2 N/mm2，甚至1.5 N/mm2，在采用上述规定不尽合理，因此JGJ133修订中规定，高性能硅酮结构胶，f1可按其粘接拉伸强度标准值除以系数3.0后采用，f2可按其粘接拉伸强度标准值除以系数60后采用。

相应地，高性能胶的变位承受能力δ，取对应于其受拉应力为0.7 f1时的伸长率。

GB50068 3.0.2极限状态可分为下列两类：

1承载能力极限状态。这种极限状态对应于结构或结构构件达到最大承载能力或不适于继续承载的变形。

2正常使用极限状态。这种极限状态对应于结构或结构构件达到正常使用或耐久性能的某项规定限值。

对于承载能力极限状态验算，为便于设计人员应用，采用应力表达式：

σ≤f 例如σ=N/A≤f，σ=M /W≤f等。胶缝宽度计算 Cs=aw/2f 是由（aw/2）/Cs=f转换来的，即（a×w×x/2）/Cs×x=f，其中（a×w×x/2）相当于N，Cs×x相当于A。当采用双系数法时：

（σ= K1σk）（≤f k/ K2=f）。

对于正常使用极限状态验算，为便于设计人员应用，采用以下表达式：d f≤d f，lim

胶缝厚度计算 ts=us/[δ（2+δ）]1/2，是由ts×[δ（2+δ）]1/2=us转换来的。

从以上计算可以看出，胶缝宽度计算（承载能力极限状态验算）与结构胶的粘接拉伸强度标准值和安全系数有关，与模量无关。胶缝厚度计算（正常使用极限状态验算）才用到模量。

对于马启元老师的观点，我谈几点看法。

首先，马老师出于对幕墙行业的安全性负责任的角度，提出了需要慎重对待提高结构胶的强度设计值，这是无可厚非的。至于怎么算慎重，慎重到什么程度合适，这是需要探讨的。

美国在ASTM C1401和ASTM C1184没有编出来之前是不是就不造幕墙了呢？恰恰相反，是因为先造了大量的幕墙，有了许多应用实例和数据以后才有了这两个标准。这说明科学技术在发展，而其速度总是领先于标准规范的。标准规范实际上首先是对应用的总结，其次是给出了指导行业发展的最低要求。随着新技术、新工艺、新材料的不断涌现，标准规范也会随着进行改进。而我国对于新技术、新工艺、新材料的应用也是持欢迎和鼓励的态度的。建设部早在2005年就出台了相关文件，“关于印发《“采用不符合工程建设强制性标准的新技术、新工艺、新材料核准”行政许可实施细则》的通知”（http://www.mohurd.gov.cn/zcfg/jswj/bzde/200611/t20061101_156682.htm），“采用不符合工程建设强制性标准的新技术、新工艺、新材料核准”（http://www.cin.gov.cn/wsbsdtnew/qtxzxksx/bds/200611/t20061122_160399.htm）。一方面鼓励新技术、新工艺、新材料的应用，另一方面对于这些应用加强监督管理，避免出现重大问题。我认为这是积极的态度。

目前，提高结构胶强度设计值的具体工程应用，由于超出了JGJ 102规范的要求，都必须经过多次专家论证并取得建设部行政许可，这是非常慎重的！如果什么东西都要等到外国人先用了，积累了大量工程，我们才敢拿来用，那中国何时能赶超国外呢？自主创新又从何说起呢？



其次，马老师反对提高结构胶强度设计值的依据是美国ASTM和一些公司的研究报告。但是这些研究报告的试验条件、试验方法是否合适，所采用的结构胶本身性能是个什么水平都是报告结论的重要前提，大家没有见到这些前提，不了解人家的试验是基于什么条件和胶来做的，只是拿人家的结论回来，说不行，这是不是有些缺乏科学态度呢？既然要讨论，就把东西公布出来让大家都看看，在信息对等的前提下大家才能达成共识。

的确，国外是有一些基于普通结构胶的试验结果和工程案例统计数据，我也了解一部分，但这不能作为反对提高结构胶强度设计值的理由。首先那些胶和我们所讨论的胶不是一个性能水平，其次对于某公司的试验，其方案设计并不符合幕墙的实际受力情况，该试验是用结构胶几十年一遇的荷载对结构胶进行拉压疲劳试验，而结构胶在实际使用过程中遇到这种荷载的概率是几十年一次，还要反复以同样的荷载进行拉和压。实际使用过程中，结构胶所受荷载比该荷载小的多，也不是反复拉压的状态，拉压荷载也不相同，因此在实际荷载作用下，即使提高结构胶的强度设计值，结构胶的寿命也可能没有差别。其试验结果只能得出这样的结论：对于同一种胶而言，提高强度设计值，使用寿命可能降低，也可能不会降低。

另外，美国的结构胶标准，最低拉伸强度只有0.345MPa，其设计值取0.139MPa，安全系数2.5。试想，如果某个厂家的胶，强度只有0.346MPa，拉伸到0.139MPa时，其变形量为多大，如果按照上述试验在0.139MPa下反复拉压，它能循环多少次？这个次数是否表面结构胶是安全的？依据是什么？依据这是美国标准吗？白云高性能胶的强度达1.2MPa以上，在设计值取0.28MPa（美国的算法，中国的算法即取0.4MPa）的状况下，安全系数3.0，这就不安全了吗？



我们讨论的目的是希望能使我国的幕墙行业有所发展。现在幕墙板块越来越大，又经常是夹胶中空玻璃，遇到胶缝过宽的情况越来越多，动辄40mm宽的结构胶粘结宽度既影响幕墙的美观，又增加幕墙的建造成本（因为会增加铝材的用量），而且也超出现行JGJ 102 规范的要求。这个问题摆在眼前，我们需要一个解决方案。

白云的高性能胶给我们提供了一个解决方案的材料基础，其标准状态下的拉伸强度为大于等于1.2MPa，而且这是其已经备案的企业标准，不是某一批产品的检测结果，因此可以作为提高结构胶强度设计值的依据。在工程实际应用过程中，设计师充分考虑到了新材料应用的风险，设置了安全夹和托条来作为二道保障措施。这个解决方案的最终结果是在保证结构胶安全的前提下减小了结构胶的粘结宽度，使幕墙既美观，又经济，受到了幕墙公司和业主以及设计师等多方面的欢迎。

如果哪位有更好的解决方案，欢迎提出来大家共同探讨！

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