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隐框玻璃幕墙长期性能研究现状
类别:技术交流   日期:2020-12-4  来源:浙江大学建筑工程学院  点击率:5796  打印 关闭

 

我国玻璃幕墙建设始于20世纪80年代,主要标志是1983年建成的北京长城饭店。20世纪90年代开始,我国幕墙行业迅速发展,现今幕墙建筑面积己稳居世界首位。随着时间的增长,我国存量巨大的既有幕墙逐渐接近或超过设计使用年限。据相关文献推算,我国超过设计使用年限的幕墙存量超过千万平方米,但由于经济因素等诸多原因,当中的绝大多数尚在服役。这些幕墙作为围护结构,直接暴露在环境中,同时经受各类荷载(风荷载、温度作用等),性能逐渐劣化,引起渗漏、真空失效等各类耐久性问题,甚至引起构件坠落等安全性问题,危害人民的生命财产安全。在我国,幕墙玻璃或开启扇高空坠落等事件时有报道,这些难以预料的潜在威肋,被称为“空中定时炸弹”,引起专家学者和人民群众的担忧。此类潜在威肋,应通过科学的管理养护与适时的维修更换来减少或消除。虽然国内外均高度关注幕墙的检测、监测和养护,但在幕墙的长期性能演化规律、维护的有效性、维护策略方面仍然有许多未知的领域,亟需幕墙长期性能演化规律、有效的维护策略等方面的信息。

 

1 玻璃幕墙概况

 

玻璃幕墙根据面板支承形式,可以分为全玻幕墙、点支式幕墙和框架式幕墙。全玻幕墙为面板和支承结构均为玻璃的建筑幕墙,如图1所示;点支式幕墙是指面板通过点支承装置与支承结构连接的玻璃幕墙,如图2所示;框架式幕墙是指面板边缘镶嵌于金属框架中或粘接于金属框架外表面,并以金属框架作为支承边的玻璃幕墙。根据框架与面板的相对位置,又可以分为明框幕墙、全隐框幕墙和半隐框幕墙,如图3所示。
 

 

图4a为明框幕墙,构造图中可见,明框玻璃幕墙是面板镶嵌在框架中,由框架支撑面板自重的一种幕墙形式;图4b为隐框玻璃幕墙,构造图中可以看到隐框玻璃幕墙是通过结构胶将玻璃面板粘结在金属骨架上,不再设金属连接件的一种幕墙形式。由于金属骨架隐藏于玻璃面板后,可形成大面积的全玻璃镜面,具有最佳的立面效果,故隐框玻璃幕墙是较为常见玻璃幕墙形式。但另一方面,玻璃面板之外不再设有金属骨架或连接件,一旦因施工问题、材料劣化等引起连接失效,面板将会整体脱落坠下,造成严重后果。因此,我国住建部对隐框玻璃幕墙的应用场合进行了限制。

 

 

事实上,通过加强施工质量监管和全寿命的风险管控,可以减小或消除隐框幕墙的事故风险。在国外,隐框幕墙仍被广泛的应用,在2019年德国慕尼黑门窗幕墙展上,隐框玻璃幕墙仍是一大热门产品。因此,对隐框玻璃幕墙限制,颇有因噎废食之感,为给隐框玻璃幕墙的使用和管养提供理论支撑,同时给既有隐框幕墙的风险管理提供建议,本文将以隐框玻璃幕墙作为主要研究对象。

 

2 隐框玻璃幕墙长期性能研究

 

服役条件下,环境一荷载作用直接影响幕墙材料的性能,引起材料性能的劣化,随后通过材料一构件一结构的性能传递路径,进一步影响幕墙构件乃至幕墙结构的长期性能。最终呈现的幕墙结构长期性能演化,实质上是材料(面板、连接等)、构件和结构各个层面性能演化的综合结果。本文的研究将以材料、构件的长期性能作为切入点,下文将先容材料、构件层面的研究进展。

 

2.1 玻璃面板长期性能研究

 

玻璃面板是现代幕墙结构采用最多的面板类型。根据表面应力可以分为钢化玻璃、半钢化玻璃和普通玻璃钢化玻璃。通过将普通玻璃加热至软化温度并急速冷却制得,强度为普通玻璃的4一5倍,表面应力一般在 90N/mm2以上;半钢化玻璃亦为热强化玻璃,但加热后冷却速度较低,强度为普通玻璃的1.5一2倍,表面应力一般在45一54N/mm2之间;普通玻璃即未经热强化的玻璃。根据面板的组成可以分成单片玻璃、中空玻璃和夹层玻璃。单片玻璃即单层普通玻璃;中空玻璃是由两片或多片玻璃,以内部充满高效分子筛吸附剂的铝框间隔出一定厚度的空间(多充满惰性气体或空气),边部采用高强度密封胶粘合而成的玻璃组件;夹层玻璃是用胶合材料将两片或者两片以上的玻璃粘结在一起的安全玻璃,破损时碎片不会飞散。

 

幕墙领域针对玻璃的研究绝大多数围绕玻璃的破碎展开。最常见的玻璃破碎形式为钢化玻璃自爆和玻璃热炸裂。

 

钢化玻璃自爆的机理研究相对成熟,龙文志、刘军均指出,钢化玻璃中硫化镍晶体伴随体积膨胀的相变是引起钢化玻璃自爆的主要原因:室温中,不稳定的α一NiS逐步转变为β一NiS,并伴随2%一4%的体积膨胀,使玻璃因相变张应力而自爆。Bao等通过对玻璃自爆残片的电镜观察和成分分析指出,单质硅微粒周边切应力过大引起的局部拉伸破坏也是自爆的一大诱因,且降温过程会增大应力,增加破裂风险。包亦望等还进一步探讨了钢化玻璃自爆准则和影响因素,指出自爆概率与钢化应力温度变化呈正相关,与杂质到玻璃中性层距离呈负相关,与杂质颗粒半径的三次方成比例。刘军探究了玻璃自爆的机理,并详细先容了控制磨边精度、控制钢化工艺和均值(热浸)处理等降低钢化玻璃自爆率的方法。吴从真则指出玻璃厂家均值处理能力不足,且目前没有成熟检测方法,建议采用半钢化玻璃以从根源上阻止玻璃自爆对玻璃热炸裂的研究也较为深入。早在1991年,马眷荣等人便指出玻璃热炸裂实质上是温度应力导致玻璃缺陷发展造成的断裂,并通过对玻璃温度应力成因、温度应力场性质,以及玻璃自身缺陷与裂纹发展过程的理论分析,系统地探讨了玻璃热炸裂的机理和影响因素,认为玻璃的面积、边部损伤和太阳能吸取率是关键影响因素。刘忠伟等通过有限元法求解了日光照射下澳门国际平台游戏的温度场和应力场,明确了澳门国际平台游戏热炸裂是有边部沿边长方向的拉应力造成的,并指出热炸裂的破裂特征:起始点只能发生在边部,且起始裂纹垂直于边部。

 

除玻璃自身性质之外,岳凯还指出,幕墙上方结构物遮阳引起的阴影和室内遮阳材料(窗帘、百叶窗等)的热反射也会引起玻璃局部温差,从而导致热炸裂。学者们还指出,合理地选用玻璃类型、适当的热处理、控制面板尺寸和机械磨边可以降低玻璃热炸裂的风险。显然对于钢化玻璃自爆和玻璃热炸裂,学者们己经深入探讨了其发生机理、影响因素和应对措施,研究相对完善。除了破裂这种剧烈的损伤形式之外,玻璃面板还可能在风沙环境作用下出现陷坑、划痕等轻微损伤,并逐渐累积,影响面板的适用性和安全性。关于风沙环境建筑材料损伤,国内已有较多的研究。李亚杰以气流挟沙喷射法测得了混凝土抗冲磨特性参数。王彦平等同样采用气流挟沙喷射法,研究了水泥石、砂浆和混凝土在不同冲蚀风速、不同冲蚀角度下的冲蚀规律,确定了质量冲蚀率和进入稳态冲蚀阶段所需的孕育期。郝负洪等、张博等利用同样的试验方法模拟风沙冲蚀,并采用扫描电镜进行表面形态学分析,分别研究了钢结构表面涂层和二氧化钦纳米薄膜的冲蚀行为和侵蚀机理。李贝对风特性和风沙流特性进行讨论,对风沙二相流进行了理论分析,为气流挟沙试验法提供了理论依据。

 

既有研究对玻璃材料的冲蚀损伤亦有所涉及。Bouzid等和Ismail等对玻璃冲蚀损伤的机理进行了探究,均指出:冲蚀引起的亚表层横向裂缝沿表面平行方向发展至与表面相交时即引起材料损失,产生冲蚀坑;冲蚀引起的亚表层径向裂纹沿表面垂直方向向上发展至与表面相交时即形成径向裂纹(图5)。Ismail等还通过试验和数值模拟,指出了冲蚀坑尺寸与冲蚀速度存在指数为1.65一2的指数函数关系。
 


图5 玻璃冲蚀损伤机理

 

郝负洪等将上文提及的气流挟沙试验法引进玻璃冲蚀研究,结合扫描电镜,对工程玻璃在气固二相流下的冲蚀性能和损伤机理进行了探索。其研究表明,工程玻璃的冲蚀过程存在多种损伤模式,后续研究需考虑多种损伤模式复合出现的情况。对于玻璃冲蚀损伤后性能变化的研究较少。姜利祥等 [29]通过试验探究了光学玻璃在空间粉尘撞击后的透过率变化,并得出了单个陷坑的光线衰减因子。虽然冲击颗粒和靶材的性质与服役条件下的风沙和工程玻璃的性质有显着的差距,但关注冲蚀损伤对透过率影响的研究思路在后续研究中可以采用。

 

综上可知,风沙损伤的试验方法己趋于成熟,且己被引入玻璃冲蚀研究领域。但当前对玻璃而板冲蚀损伤的研究尚显薄弱,且集中于冲蚀机理的研究,未深入探究冲蚀损伤对玻璃面板性能的影响。后续的研究可采用既有的气流挟沙试验法,进一步探究冲蚀损伤机理和损伤对性能的影响。

 

2.2 结构胶长期性能研究

 

结构密封胶(简称“结构胶”)是密封胶的一种,是常见的建筑密封材料。根据配方组成,主要可以分成单种组分可直接使用的单组分胶和需将A、B两种组分混合后使用的双组分胶。结构胶被广泛应川于幕墙结构安装(尤其是隐框玻璃幕墙)和中空玻璃的二次密封中,是结构连接的关键材料。服役条件下,胶体粘结性能劣化将会引起密封失效,甚至有面板坠落的隐忧;胶体变形性能劣化将会导致缓冲能力下降,在极端条件下有引起面板破碎的风险。国内外学者高度重视,针对结构胶的劣化开展了较多的研究。既有研究对影响密封胶老化的因素进行了深入的探索。Jones等在RILEM耐老化测试方法的实验中证实荷载循环作用会加快结构密封胶的降解。Wolf指出胶缝移动是影响密封胶老化的一个突出因素,因其在密封胶硬化过程中和硬化之后都对密封胶有损伤效果。

 

外国学者对密封胶的拉压疲劳、剪切疲劳性能进行了试验,观察了相应条件下密封胶疲劳失效的类型、特征和位置,并有学者探究了胶体尺寸和疲劳寿命的关系。

 

王娜指出,因结构胶拉伸模量和压缩模量不同,故正负风压的作用效果不同,负风压对于结构胶的性能演变影响更大,且结构胶尺寸对老化效果也有影响。由于学者着重于力学行为的研究,亦未深究风致疲劳作用体性能的演变规律。密封胶老化也受到环境因素影响。以Wolf激授为代表的国内外学者经研究指出光照、温度、湿度等环境因素是影响建筑密封胶老化的因素,邓超等还通过自然曝晒试验、热老化实验和氛灯照射实验对阳光、温度的影响进行了验证。陈文浩等通过高浓度臭氧加速老化试验,证明硅酮密封胶具有良好的耐臭氧性能:臭氧不是造成硅酮结构胶老化的主要环境因素。

 

多种环境因素,或环境因素与其他因素的协同作用对于结构胶的老化影响较大。Wolf曲研究表明阳光和氧,阳光和水,环境因素和机械应变等协同作用对于结构胶的老化有较大的影响。曾兵等的研究表明,水热协同作用对于结构胶的老化也有很大影响。

 

有文献通过在试验室模拟自然条件对密封胶进行加速老化,研究了光照对密封胶老化的影响,亦有学者对高温、热水和光照祸合作用等老化因素进行了探究。试验中均观察到了胶体劣化,但未能总结出胶体性能劣化规律。

 

曾兵等对光照、升温、热水、光热水循环作用、铝型材表面处理方式对结构胶耐久性的影响进行了试验研究,并对试验数据进行了归一化,得出了光老化试验和热老化实验下结构胶相对粘结强度劣化曲线。但其直接对不同成分结构胶试样的数据取均值进行归一化,故方程的合理性仍需更深入的探讨。

 

国内外学者通过试验研究了疲劳与光照藕合对密封胶耐久性的影响,但多停留于比较不同密封胶耐久性好坏和判断该藕合作用下耐久性影响因素的阶段,未能总结出胶体性能劣化规律。

 

综上可知,国内外学者己明确了光照、温度、湿度等环境因素和荷载应变是影响结构胶劣化主要因素,但对于结构胶劣化行为研究尚不成熟,环境一荷载祸合作用下的试验研究更是较为欠缺,亟待进一步开展。此外,学者们采用的试验方法存有差异,既有的研究结果难以对比,迫切需要一种相对合理的统一试验方法。

 

刘军进等对加速老化试验方法进行归纳整理,对比筛选出了较为合理的光照条件、温湿度、老化循环和加载方式等,并推荐设计有光照和湿气作用组成的老化循环,以紫外荧光UVA一340作为老化光源,在老化的同时对胶体施加拉伸、压缩和剪切组成的应变循环。

 

2.3 幕墙构件长期性能研究

 

幕墙构件是幕墙结构中具有特定功能的组成部分,本文中关注的构件主要指型材、玻璃和连接拼装而成的幕墙单元或者多个单元的组合,可一定程度上反映幕墙结构性能。

 

有文献指出,影响幕墙构件长期性能的主要有设计因素、施工质量、材料选择以及玻璃、结构胶等材料的劣化。有文献对影响构件长期性能的设计、施工因素进行探讨,提出了优化建议。设计 、施工和选材的影响均可通过完善规范和加强监管予以削弱,故本文的研究将主要关注材料劣化的影响。

 

因设备尺寸限制,构件层次的老化试验不易开展,故涉及构件长期性能的试验研究较少。有有文献对单块玻璃、结构胶和型材组成的构件单元开展了试验研究,在人工模拟自然老化后,对构件进行拟风压加载试验,探究不同条件下构件性能的演化,但该研究主要关注构造措施对构件性能影响,未对构件性能劣化规律进行探讨。有文献模拟了伊斯坦布尔的环境作用,对构件式幕墙和单元式幕墙开展了足尺耐候试验,关注其性能的劣化,但由于其研究目的为对比两类幕墙的耐候能力,亦未对构件的劣化规律进行探索。

 

前文已提及,幕墙结构长期性能演化,实质上是材料、构件和结构各个层而性能演化的综合结果。Wolf提出,可将材料劣化行为等作为输入信息,以数值模拟方法构建幕墙构件模型,分析其劣化行为。日前己有部分研究将数值模拟方法用于幕墙构件或结构服役性能的研究,但主要关注幕墙结构的节能、防火和抗震等方面的性能,与木研究关注的领域不同。

 

综上可知,学者们己明确了幕墙构件长期性能的影响因素,并对其中设计、施工等认为因素进行了讨论,材料老化引起的构件性能劣化则仍待探索;受限于试件尺寸,构件层面的劣化行为试验研究开展较少,有学者提出以数值模拟方法研究幕墙构件的长期性能演化,但目前针对幕墙构件的仿真分析尚未涉及劣化行为的探究。后续研究可基于材料劣化行为信息,对构件劣化进行数值模拟,并结合小尺寸单元试验,探究幕墙构件的劣化行为。

 

3 结束语

 

当前,既有玻璃幕墙(尤其是既有隐框幕墙)的科学管养和风险评估尚缺少幕墙结构长期性能演化规律和评估方法等方而的理论信息,对玻璃幕墙劣化行为的需求尤为迫切。此外,了解了玻璃幕墙的劣化行为,对幕墙行业内各领域均有裨益。设计者可推算幕墙结构的后续性能,留足安全余量;建设者可明确幕墙性能的关键影响因素,做好构造措施;检测者和管理者可确定幕墙结构的状态和风险,做好评估预测和管养维护。因此,后续应该着重研究玻璃幕墙的劣化行为,掌握玻璃幕墙长期性能演化规律。

 



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