超实用：国标、美标、欧标玻璃幕墙结构胶厚度计算方法探讨

1. 结构胶厚度的计算依据

在硅酮结构胶厚度设计中，除了我国幕墙规范对此有明确规定以外，美国标准ASTM C1401-14R22《结构密封胶装配指南》及欧洲标准ET AG002《结构密封胶装配体系(SSGS)欧洲技术认证指南》也对硅酮结构胶的厚度提出了明确的计算公式。

JGJ 102-2003、ASTM C1401-02及ET AG002三个标准都是基于玻璃面板与铝合金附框发生的相对位移来计算结构胶粘结厚度的，但三种规范中对于结构胶发生位移的规定又不相同。这一期针对三种规范结构胶厚度的计算方法做一些探讨。

2. 美国标准ASTM C1401-14R22

ASTM C1401-02中规定结构胶厚度按下式进行校核计算：

式中ΔL为结构胶的热膨胀位移，热膨胀位移可按ΔL=L·ΔT_S·α计算， L为玻璃面板长，ΔT_S为玻璃面板的温差，即施工时与极端温度时的玻璃面板温度之差，α为玻璃面板的热膨胀系数；t_s为结构胶的粘结厚度；δ为结构胶的剪切变位承受能力。

图1  美标硅酮结构胶粘结厚度校核示意图

3.欧洲标准ET AG002-1999

欧洲标准ET AG002中结构胶粘结厚度e按下式计算：

式中ΔL为结构胶的热膨胀位移，可按下式计算：

式中T_c表示铝合金附框的温度，T_v表示玻璃面板的温度，T₀表示打胶时周围环境的温度，α_c表示铝合金的线膨胀系数，α_v表示玻璃面板的线膨胀系数，a表示玻璃面板的长度，b表示玻璃面板的宽度；G为结构胶的剪切模量，其取值为E/3(E为结构胶的弹性模量)，Γ_des为结构胶在动荷载下的剪切强度设计值。

4.中国标准《玻璃幕墙工程技术规范》

JGJ 102-2003

我国幕墙规范中第5.6.5条规定了酮胶密封胶的粘接厚度t_s按照下式计算：

式中u_s为幕墙玻璃的相对于铝合金框的位移，由主体结构侧移产生的相对位移可按u_s=θh_g 计算；θ为主体结构的楼层弹性层间位移角限值；h_g为玻璃面板高度；δ硅酮结构密封胶的变位承受能力，取对应于其受拉应力为0.14MPa时的伸长率。

图5  硅酮结构密封胶粘结厚度示意图

5.三种计算方法对比

采用不同规范中的结构胶粘结厚度计算方法，会导致计算结果出现差别。

从欧美规范和中国规范对于结构胶粘结厚度计算公式的不同可以看出，欧美标准中采用的是构件产生的热膨胀位移，而中国规范采用的是结构主体的层间变形来计算结构胶的粘结厚度。

中国规范与美国标准采用的计算方法类似，不同之处在于美标是先预估一个粘结厚度，再根据粘结厚度与结构胶的位移验证胶的剪切变位承受能力δ是否满足要求，而中国规范是直接根据结构胶的位移和变位承受能力计算胶的粘结厚度。

欧美标准采用的都是结构胶的剪切变形的相关参数，但欧洲标准更加全面的考虑了与结构胶粘结构件(玻璃、铝合金附框)的温度，在计算方法是引入结构胶的剪切模量而不是变位承受能力来计算结构胶的粘结厚度。

下面，我们用一个算例来看看这三个标准计算结构胶厚度的数据对比。

假设某项目采用的玻璃面板高2.4m，宽1.2m，考虑结构胶、铝框的极端温差均为80℃，抗震设防烈度为7度，主体结构为框架剪力墙结构，弹性层间位移角限值1/800。结构胶变位能力为10%，结构胶厚度为8mm，宽度为16mm，弹性模量为1.2MPa，剪切模量为0.4MPa，长期荷载作用下剪切强度设计值为0.01MPa，短期荷载作用下剪切强度设计值为0.1MPa(ETAG 002-1999中描述结构胶短期荷载剪切强度通常大于长期荷载剪切强度值的10倍，此处偏于安全取为10倍)。

(1) 美国ASTM C1401-14R22

如果采用结构胶变位10%，反求结构胶厚度，则

解方程得结构胶厚度最小为t_s=4.2mm。

(2) 欧洲标准ETAG 002-1999

结构胶厚度验算通过。

此时计算出的结构胶热膨胀位移小于美国标准ASTM C1401-14R22，而结构胶最小厚度大于美国标准，这可能和结构胶剪切模量、剪切强度取值有关。

(3) 中国标准JGJ102-2003

计算得到的结构胶的最小厚度大于欧洲标准ETAG 002-1999。

通过以上对比发现，采用中国标准计算出来的结构胶最小厚度值比美国标准、欧洲标准要大，说明地震作用对结构胶变位能力的要求高于极端温差，我国设计标准偏于安全。

6.现行规范结构胶厚度计算的理解

(1) 我国幕墙规范对于结构胶粘结厚度的设计中，认为当结构主体发生侧移时，玻璃面板和隐框幕墙支承框之间会产生相对变形，结构胶发生的变形宜理解为剪切变形而并非拉伸变形。国外大量研究以及欧美标准中结构胶发生变形都采用的是剪切变形。

(2) 在实际工程中，玻璃面板与主体结构并不是直接通过结构胶的粘结作用连接到一起，而是还有横梁立柱、附框等连接构件，因此当主体结构发生层间侧移时，主体结构与玻璃面板之间的相对变形并不是全部由结构胶的变形来承担，而是由三方面分担吸收：幕墙横梁立柱与主体结构之间通过螺栓连接的转动吸收变形；隐框玻璃幕墙副框与幕墙横梁立柱之间有一定的相对变形；玻璃面板与副框之间通过结构胶吸收部分变形。

(3) 我国幕墙规范对于结构胶的厚度计算中规定胶体发生的变形等于玻璃面板高度范围内的主体结构层间位移。而欧美标准中都采用的是硅酮结构胶热膨胀位移而并非主体结构的层间变形。

(4) 我国幕墙规范对于结构胶厚度的研究都是以结构胶直接粘结在主体结构为依据来确定的，并认为结构胶承担所有的主体侧向变形，国内关于结构胶在主体侧移下变形性能的研究极少，对于结构胶的研究主要集中在结构胶的耐久性、安全性及检测技术研究等方面，应加强考虑主体侧移下结构胶的粘结厚度设计方法研究。

(5) 由于社会的发展和科技的进步使得硅酮结构胶性能不断提高，尤其是硅酮胶的力学性能有了大幅度提高，应加强对高性能硅酮胶的力学性能研究。

参考文献：

张晓通,王秀丽,李建辉,刘军进,李滇.隐框玻璃幕墙结构胶粘结厚度设计的研究现状与展望.第四届建筑结构抗震技术国际会议论文集,2014

作者简介：

李 滇

　　中建研科技股份有限公司工程咨询设计院副院长，中国建筑学会建筑幕墙学术委员会常务理事 ，中国建筑防水协会金属屋面技术分会技术专家。