粘彈性力學(xué)在超高層建筑幕墻的應(yīng)用

    廣州西塔隱框玻璃幕墻是否采用高效能硅酮結(jié)構(gòu)膠？就是當(dāng)年的有爭議的新技術(shù)之一，依據(jù)粘彈性力學(xué)基本原理，對隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行了應(yīng)變-時(shí)間和應(yīng)變-應(yīng)力分析。論述高性能結(jié)構(gòu)膠的可行性、可靠性和耐久性，是粘彈性力學(xué)在超高層建筑幕墻的一次成功應(yīng)用。

    隱框玻璃幕墻誕生于上世紀(jì)七十年代，上世紀(jì)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(shí)炸彈”。以白云、之江、硅寶為代表的中國結(jié)構(gòu)膠企業(yè)和廣大技術(shù)工作者，在引進(jìn)、消化國外結(jié)構(gòu)膠技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)了國產(chǎn)硅酮結(jié)構(gòu)膠，促進(jìn)了隱框玻璃幕墻在中國高速發(fā)展。通過近二十年在中國上萬座隱框玻璃幕墻工程應(yīng)用，實(shí)踐表明隱框玻璃幕墻不是城市上空的“定時(shí)炸彈”，國產(chǎn)硅酮結(jié)構(gòu)密封膠性能穩(wěn)定、耐老化，可滿足關(guān)于玻璃幕墻設(shè)計(jì)使用年限25年的要求，不亞于甚至優(yōu)于國外某些硅酮結(jié)構(gòu)膠。

    中國的隱框玻璃幕墻發(fā)展對結(jié)構(gòu)膠的力學(xué)性能提出了超出現(xiàn)有水平的更高要求，市場迫切需要新技術(shù)、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(jié)構(gòu)膠企業(yè)和幕墻企業(yè)技術(shù)工作者順應(yīng)市場的要求，總結(jié)中國廣大工程經(jīng)驗(yàn)，成功研究開發(fā)了中國式的“高性能硅酮結(jié)構(gòu)密封膠”，己在不少隱框玻璃幕墻工程上應(yīng)用，又引發(fā)了高性能硅酮結(jié)構(gòu)密封膠在隱框玻璃幕墻、尤其是超高層建筑幕墻應(yīng)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(shù)顧問解決了一些技術(shù)難題。廣州西塔幕墻已經(jīng)峻工兩年多，目前為止工程情況良好，當(dāng)時(shí)存在不少疑慮并產(chǎn)生激烈爭論的一些技術(shù)難題初步經(jīng)受住了時(shí)間的考驗(yàn)。鑒于“十一五”后中國將有數(shù)百座300m以上超高層建筑幕墻，筆者愿將以前做為技術(shù)顧問或技術(shù)咨詢參與國內(nèi)外數(shù)十座超高層建筑幕墻解決的一些技術(shù)難題的研究成果陸續(xù)公開發(fā)表，從理論和實(shí)踐結(jié)合上探討和總結(jié)超高層建筑幕墻的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)，也許能作為今后超高層建筑幕墻設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)膠？這是當(dāng)年的技術(shù)難題之一，也是爭議的焦點(diǎn)之一。硅酮結(jié)構(gòu)密封膠（以下簡稱結(jié)構(gòu)膠）為粘彈性材料，結(jié)構(gòu)膠在隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)中幾何和力學(xué)特性研究歸屬粘彈性力學(xué)。當(dāng)年依據(jù)粘彈性力學(xué)基本原理，對隱框從理論和實(shí)際上論證了高性能結(jié)構(gòu)膠在廣州西塔超高層隱框玻璃幕墻應(yīng)用的可行性、可靠性和耐久性，在業(yè)主、施工單位及白云公司共同努力下，經(jīng)過多次專家審儀鑒定，并取得建設(shè)部《建標(biāo)新核準(zhǔn)(A2—2008)》行政許可，廣州西塔隱框玻璃幕墻終于采用了廣州白云高效能硅酮結(jié)構(gòu)膠，這一迄今為止世界上最高隱框玻璃幕墻經(jīng)過兩年多的實(shí)際檢驗(yàn)，也經(jīng)受了臺風(fēng)的考驗(yàn)，目前為止工程情況良好。是粘彈性力學(xué)在超高層建筑幕墻的一次成功應(yīng)用。本文依據(jù)粘彈性力學(xué)基本原理，簡要分析隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠的應(yīng)變-時(shí)間和應(yīng)變-應(yīng)力效應(yīng)，淺析粘彈性力學(xué)在隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠的應(yīng)用，探討高性能結(jié)構(gòu)膠的可行性、可靠性和耐久性。

    2. 廣州西塔隱框玻璃幕墻使用高效能硅酮結(jié)構(gòu)膠

    2.1 現(xiàn)有規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的硅酮結(jié)構(gòu)膠不能滿足廣州西塔隱框玻璃幕墻使用要求

    a) JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定：結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)寬度應(yīng)符合本規(guī)范第5.6.3條或5.6.4條的規(guī)定，且不應(yīng)小于7mm；其粘結(jié)厚度應(yīng)符合本規(guī)范第5.6.5條的規(guī)定，且不應(yīng)小于6mm。結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)寬度宜大于厚度，但不宜大于厚度的2倍。隱框玻璃幕墻的結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)厚度不應(yīng)大于12mm。

    結(jié)構(gòu)膠應(yīng)根據(jù)不同的受力情況進(jìn)行承載力極限狀態(tài)驗(yàn)算。在風(fēng)荷載、水平地震作用下，其拉應(yīng)力或剪應(yīng)力設(shè)計(jì)值不應(yīng)大于其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f₁，f₁應(yīng)取0.2N/mm2；在永久荷載作用下，結(jié)構(gòu)膠的拉應(yīng)力或剪應(yīng)力設(shè)計(jì)值不應(yīng)大于其強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f₂，f₂應(yīng)取0.01N/mm2。

    b) GB/T 21086—2007《建筑幕墻》規(guī)定：

    ——玻璃幕墻用結(jié)構(gòu)膠的寬度、厚度尺寸應(yīng)通過計(jì)算確定，結(jié)構(gòu)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；

    ——結(jié)構(gòu)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(yīng)具有相容性，隨批單元件切割粘結(jié)性達(dá)到合格要求。

    現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 16776《建筑用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》規(guī)定：結(jié)構(gòu)膠拉伸強(qiáng)度值不低于0.6N/mm2。JGJ102—2003規(guī)定：結(jié)構(gòu)膠的短期荷載強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f1可按標(biāo)準(zhǔn)值除以系數(shù)3.0后采用，長期荷載下強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f2可按標(biāo)準(zhǔn)值除以系數(shù)60.0后采用。結(jié)構(gòu)膠變位承受能力可按應(yīng)力-變位曲線關(guān)系中應(yīng)力為0.7f₁時(shí)的變形值采用。

    JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》的5.6.2條：

    f₁=(0.6÷3)N/mm2=0.2N/mm2；

    f₂=(0.6÷60)N/mm2=0.01N/mm2。

    故現(xiàn)行JGJ 102規(guī)范和GB/T 21086標(biāo)準(zhǔn)的限制規(guī)定為兩條：

    ——結(jié)構(gòu)膠拉伸強(qiáng)度值為0.6N/m2；

    ——結(jié)構(gòu)膠寬度不宜大于24mm，厚度不宜大于12mm。

    2.2 結(jié)構(gòu)膠拉伸強(qiáng)度

    一般荷載情況，結(jié)構(gòu)膠拉伸強(qiáng)度值為0.6N/m2條件下，按照現(xiàn)有規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，結(jié)構(gòu)膠寬度和厚度通�？梢苑�合《規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)》的要求，但遇到下列情況時(shí)，結(jié)構(gòu)膠拉伸強(qiáng)度值為0.6N/m2條件下，按《規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)構(gòu)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(jié)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(shè)防的地區(qū)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。

    2.3 廣州西塔隱框玻璃幕墻工程

    W合=6.674kN/m2(Wk㎡=-4.623kPa)；

    a=1500mm；b=4500mm；

    qG=0.72×1.35kN/m2。

    若按JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定計(jì)算（f1=0.2N/m2；f2=0.01N/m2），則有：風(fēng)荷載作用下的膠寬：

    CsW=W合·a/(2000·f1)=25mm＞24mm；

    自重作用下的膠寬：

    Csg=qG·a·b/[2000(a+b)·f2]=54.7mm＞24mm；

    膠厚：解決方案為增加結(jié)構(gòu)膠粘接寬度或增加硅酮結(jié)構(gòu)膠拉伸強(qiáng)度。

    2.4粘結(jié)寬度過大的影響

    結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)寬度的變化影響，從固化情況、粘結(jié)性、拉伸強(qiáng)度及延伸率方面進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。制樣及性能測試按國家標(biāo)準(zhǔn)GB 16776—2005規(guī)定要求，采用國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 13477—2002相應(yīng)方法進(jìn)行檢測。試驗(yàn)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(biāo)距為12mm，結(jié)構(gòu)膠樣尺寸分別為50mm×12mm×12mm、50mm×33mm×12mm、50mm×48mm×12mm。試驗(yàn)用密封膠為白云牌雙組分硅酮結(jié)構(gòu)密封膠。試件于標(biāo)準(zhǔn)條件下養(yǎng)護(hù)，每隔一定時(shí)間(7d，14d、41d)取出一組測試。試驗(yàn)結(jié)果如表1。

    由表1可見，當(dāng)粘結(jié)寬度過大時(shí)：

    在相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的情況下，結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)度有所下降；

    在相同養(yǎng)護(hù)時(shí)間的情況下，粘結(jié)性能也有所下降；

    要達(dá)到結(jié)構(gòu)膠拉伸強(qiáng)度值為0.6N/m2結(jié)構(gòu)膠的養(yǎng)護(hù)時(shí)間，國內(nèi)外均未見試驗(yàn)及工程應(yīng)用報(bào)導(dǎo)；

    結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)寬度、厚度過大嚴(yán)重影響幕墻的視覺效果，也會(huì)影響結(jié)構(gòu)膠的粘結(jié)和力學(xué)性能，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不清，鋁材耗費(fèi)量的增加，增加幕墻建造的成本。

    2.5  GB16776《建筑用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》的規(guī)定

    結(jié)構(gòu)膠拉伸強(qiáng)度值不低于0.6N/mm2，增加結(jié)構(gòu)膠拉伸強(qiáng)度值雖符合GB 16776規(guī)定，但不符合JGJ 102—2003《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》強(qiáng)制條款。在廣州西塔的超高層建筑上進(jìn)行大荷載下減小隱框玻璃幕墻粘結(jié)尺寸的嘗試，國內(nèi)屬首次，國際上也未見先例，增加結(jié)構(gòu)膠拉伸強(qiáng)度需要從理論上論證技術(shù)可行性，又要從試驗(yàn)中證實(shí)可能性，在此基礎(chǔ)上需要按照《“采用不符合工程建設(shè)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的新技術(shù)、新工藝、新材料核準(zhǔn)”行政許可實(shí)施細(xì)則》的通知》（簡稱“三性核準(zhǔn)”）建標(biāo)[2005]124號文進(jìn)行“三性核準(zhǔn)”。

    2.6 西塔高性能結(jié)構(gòu)膠專題技術(shù)論證會(huì)會(huì)議紀(jì)要

    2008年4月21日由廣東省建設(shè)廳組織的“廣州珠江新城西塔項(xiàng)目采用白云牌SS922超高性能硅酮結(jié)構(gòu)密封膠，提高結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)度設(shè)計(jì)值”專題技術(shù)論證會(huì)在廣州召開。與會(huì)專家經(jīng)過認(rèn)真討論，論證意見如下：

    a) 提供論證的資料齊全，符合《采用不符合工程建設(shè)強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)的新技術(shù)、新工藝、新材料核準(zhǔn)》的要求；

    b) 經(jīng)國家建筑材料工業(yè)建筑防水材料產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)測試中心檢測，白云牌SS922結(jié)構(gòu)膠的性能符合公司企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Q/BYHG 13—2008《建筑幕墻用高性能硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》的要求；

    c) 白云牌SS922結(jié)構(gòu)膠能夠滿足廣州珠江新城西塔項(xiàng)目主塔外幕墻的設(shè)計(jì)要求。

    與會(huì)專家一致認(rèn)為：白云牌SS922結(jié)構(gòu)膠可在廣州珠江新城西塔項(xiàng)目主塔樓玻璃幕墻中使用。按照J(rèn)GJ 102—2003規(guī)范中結(jié)構(gòu)膠設(shè)計(jì)參數(shù)的取值方法，可將結(jié)構(gòu)膠在風(fēng)荷載或地震作用下的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f1提高至0.4N/mm2，在永久荷載作用下的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f2提高至0.02N/mm2。

    與會(huì)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(jié)構(gòu)密封膠，其寬度應(yīng)由計(jì)算確定。

    2.7 專題技術(shù)論證會(huì)后報(bào)呈建設(shè)部“三性核準(zhǔn)”

    建設(shè)部以正式公開行文頒發(fā)了《準(zhǔn)予采用白云牌SS922高性能硅酮結(jié)構(gòu)密封膠提高結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)度設(shè)計(jì)值的建設(shè)行政許可決定書》。按照建標(biāo)新核準(zhǔn)(A2—2008)文件，廣州西塔隱框玻璃幕墻工程：采用拉伸粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值大于0.6N/m2的結(jié)構(gòu)膠。結(jié)構(gòu)膠的短期荷載強(qiáng)度設(shè)計(jì)值可按標(biāo)準(zhǔn)值除以系數(shù)3.0后采用，長期荷載下強(qiáng)度設(shè)計(jì)值可按標(biāo)準(zhǔn)值除以系數(shù)60.0后采用。本例采用的高性能硅酮結(jié)構(gòu)膠拉伸粘結(jié)強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值為1.0N/m2。結(jié)構(gòu)膠變位承受能力可按應(yīng)力-變位曲線關(guān)系中應(yīng)力為0.7f1時(shí)的變形值采用。

    即：f1=(1.0÷3)N/m2=0.33N/m2；

        f2=(1.0÷60)N/m2=0.017N/m2。

       風(fēng)荷載作用下的膠寬：

       CsW= W合·a/(2000·f1)=14.7mm＜24mm；

       自重作用下的膠寬：

       Csg = qG·a·b/[2000(a+b)·f2]=23.8mm＜24mm；

       膠厚：

    彈性：材料恢復(fù)形變的能力，與時(shí)間無關(guān)。

    粘性：阻礙材料產(chǎn)生形變的特性，與時(shí)間相關(guān)。

    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(shí)間。其力學(xué)性能隨時(shí)間的變化，稱為力學(xué)松弛，包括應(yīng)力松弛、蠕變等。其力學(xué)行為介于理想彈性體和理想粘性體之間。

    蠕變：一定溫度下，恒定應(yīng)力σ材料的應(yīng)變ε隨時(shí)間的增加而增大的現(xiàn)象。

    應(yīng)力松馳：恒定溫度形變下，材料的內(nèi)應(yīng)力隨時(shí)間增加而逐漸衰減的現(xiàn)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(xué)只描述材料同時(shí)出現(xiàn)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(yīng)。這是考慮粘性效應(yīng)最基本的材料模型。

    理想彈性體的形變與時(shí)間無關(guān)，形變瞬時(shí)達(dá)到，瞬時(shí)恢復(fù)。理想粘性體的形變隨時(shí)間線性發(fā)展。粘彈性體介于這兩者之間，其形變的發(fā)展具有時(shí)間依賴性，也就是說不僅具有彈性而且有粘性。這種力學(xué)性質(zhì)隨時(shí)間變化的現(xiàn)象稱為力學(xué)松弛現(xiàn)象或粘彈性現(xiàn)象。廣義上說，松弛過程是體系（始態(tài)）從受外力場作用的瞬間開始，經(jīng)過一系列非平衡態(tài)（中間狀態(tài)）而過渡到與平衡態(tài)（終態(tài)）的過程，而這一過渡時(shí)間不是很短的。結(jié)構(gòu)膠在低溫或快速形變時(shí)表現(xiàn)為（普）彈性；在高溫或緩慢形變時(shí)表現(xiàn)為粘性。

    粘彈性力學(xué)圍繞著四個(gè)物理量即應(yīng)力、應(yīng)變、溫度和時(shí)間進(jìn)行研究。通常是固定兩個(gè)量，研究另兩個(gè)量的關(guān)系，見表2。

    對結(jié)構(gòu)膠這種粘彈性材料在隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)上的應(yīng)用，也應(yīng)從以上四個(gè)關(guān)系研討。應(yīng)變－時(shí)間關(guān)系與應(yīng)力－時(shí)間關(guān)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(yīng)變－時(shí)間關(guān)系與應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系兩方面進(jìn)行分析。

    4. 粘彈性材料應(yīng)變－時(shí)間關(guān)系（三種形變ε）

    4.1 普彈應(yīng)變（ε1）

    聚合物受力時(shí)，瞬時(shí)發(fā)生的高分子鏈的鍵長、鍵角變化引起的應(yīng)變服從虎克定律，當(dāng)外力除去時(shí)，普彈應(yīng)變立刻完全回復(fù)。

    4.2 高彈應(yīng)變（ε2）

    聚合物受力時(shí)，高分子鏈通過鏈段運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的應(yīng)變，應(yīng)變與時(shí)間相關(guān)。當(dāng)外力除去后，高彈應(yīng)變逐漸回復(fù)。

    4.3 粘性流動(dòng)（ε3）

    受力時(shí)發(fā)生分子鏈的相對位移，外力除去后粘性流動(dòng)不能回復(fù)，是不可逆形變。

    5. 粘彈性的力學(xué)模型

    5.1 理想彈簧和理想粘壺

    為了模擬粘彈性材料的粘彈行為，采用兩種基本力學(xué)元件，即理想彈簧和理想粘壺，見下圖。

    理想彈簧用于模擬普彈應(yīng)變，其力學(xué)性質(zhì)符合虎克（Hooke）定律，應(yīng)變達(dá)到平衡的時(shí)間很短，應(yīng)力與應(yīng)變和時(shí)間無關(guān)。

    式中：σ—應(yīng)力；E—彈簧的模量；ε—形變。

    理想粘壺用于模擬粘性形變，其應(yīng)變對應(yīng)于充滿粘度為η的液體的圓筒同活塞的相對運(yùn)動(dòng)，可用牛頓流動(dòng)定律描述其應(yīng)力－應(yīng)變關(guān)系。

    σ=η(dε/dt) 或 ε=σ/η·t

    式中：η—粘度；t—時(shí)間。

    5.2 串聯(lián)模型(Maxwell模型)

    將彈簧和粘壺串聯(lián)起來可以表征粘彈體的應(yīng)力松弛或蠕變過程。

    如上圖所示，當(dāng)模型受到了一個(gè)外力時(shí)，彈簧瞬時(shí)發(fā)生形變，而粘壺由于粘液阻礙跟不上作用速度而暫時(shí)保持原狀。若此時(shí)把模型的兩端固定，即模擬應(yīng)力松弛中應(yīng)變ε固定的情況，則接著發(fā)生的現(xiàn)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(fù)原形，總應(yīng)力下降為零，而總應(yīng)變?nèi)员３植蛔�。其方程推�?dǎo)如下：

        體系總應(yīng)變是彈簧和粘壺的應(yīng)變之和ε=ε彈＋ε粘

        彈簧與粘壺受的應(yīng)力相同σ=σ彈＝σ粘

        dε/dt= dε彈/dt+ dε粘/dt

        由虎克定律和牛頓定律可知：

        dε彈/dt=(1/E)(dσ/dt)和dε粘/dt=σ/η

        代入上式得：dε/dt=(1/E)(dσ/dt)+σ/η

        因?yàn)閼?yīng)力松弛過程中總應(yīng)變固定不變，

        即dε/dt=0，所以(1/E)(dσ/dt)+σ/η=0，

        即dσ/σ=-E/η·dt。

        由此得到串聯(lián)模型給出的應(yīng)力松弛方程為：

        式中：τ=η/E，稱為松弛時(shí)間。

        當(dāng)t＝τ時(shí)，          ,所以τ表示形變固定時(shí)由于粘流使應(yīng)力松弛到起始應(yīng)力的1/e時(shí)所需要的時(shí)間。

        5.3 并聯(lián)模型(Voigt模型)

        當(dāng)模型受到外力時(shí)，由于粘壺的粘性使得并聯(lián)的彈簧不能迅速被拉開。隨著時(shí)間的發(fā)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(fù)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(dòng)，回復(fù)到最初未加外力的狀態(tài)。如下圖：

       其模擬的蠕變方程為：

       5.4 四元件模型(Burgers模型)

    并聯(lián)模型沒能表現(xiàn)出蠕變過程剛開始的普彈形變部分和與高彈形變同時(shí)發(fā)生的純粘流部分。串聯(lián)模型能表現(xiàn)普彈形變和粘流形變，但不能表現(xiàn)高彈形變。如果將串聯(lián)模型和并聯(lián)模型再串聯(lián)起來，構(gòu)成所謂的“四元件模型”，常稱為Burgers模型，見上圖。

       變形包括三部分：彈形變形ε1、粘流ε2、粘彈性變形ε3，它們和應(yīng)力對應(yīng)關(guān)系分別為：

        ε1=σ/E1

        σ=η2ε2

        σ=E3e3+η3ε3

        ε=ε1+ε2+ε3

        可用拉普拉斯變換導(dǎo)出完整的方程為：

    6. 粘彈性力學(xué)在隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠的應(yīng)用分析

    6.1 隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠短期荷載、長期荷載區(qū)分

    隱框玻璃幕墻自重荷載和風(fēng)荷載在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)，荷載達(dá)到和超過該值的總時(shí)間（總時(shí)間=作用次數(shù)×作用時(shí)間）∑T與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期T之比。

    ∑T/T=1.0為永久荷載；0.5≤∑T/T＜1.0為長期荷載；0.1≤∑T/T＜0.4為短期荷載；0＜∑T/T＜0.1為瞬時(shí)荷載。

    6.2 自重荷載為永久荷載

    自重荷載由地球引力產(chǎn)生的組成幕墻與門窗結(jié)構(gòu)的構(gòu)件材料重力，它是一種在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)量值不隨時(shí)間變化，或其變化與平均值相比可忽略不計(jì)的荷載。

    6.3 風(fēng)荷載為短期荷載

    幕墻的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Wk2按GB 50009《建筑荷載規(guī)范》計(jì)算的圍擴(kuò)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，它是幕墻、門窗在其設(shè)計(jì)使用期間內(nèi)可能出現(xiàn)的最大風(fēng)荷載，其按設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期50年一遇出現(xiàn)的概率為2％，風(fēng)荷載在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)總持續(xù)時(shí)間與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期之比≈1/48。因而在隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠形變－時(shí)間分析中，風(fēng)荷載為短期荷載。

    6.4 隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠形變－時(shí)間分析應(yīng)用

    隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠用四元件模型公式（1）進(jìn)行形變－時(shí)間分析。

    隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠承受風(fēng)荷載及地震作用為短期荷載的作用時(shí)間短(t很小), 公式(1)中的第二項(xiàng)

 、第三項(xiàng)          趨于零， 只剩下第一項(xiàng)            。

    此時(shí)隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠變形與時(shí)間無關(guān)，力學(xué)性質(zhì)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(jī)上的橡膠輪胎在高速下遇到外來物體的撞擊會(huì)像彈性體一樣破碎；粘彈性材料-結(jié)構(gòu)膠在風(fēng)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(xué)分析計(jì)算是可行的。

    隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠承受永久荷載(例如玻璃自重)，力作用時(shí)間長(t大)，公式(1)中的第二、三項(xiàng)大于第一項(xiàng)，當(dāng)t→∝，第二項(xiàng)→σ0/E2<<第三項(xiàng)(σ0t/η)，公式(1)剩下第一項(xiàng)為ε=σ0(t/η)。此時(shí)材料變形與時(shí)間有關(guān)，材料力學(xué)性質(zhì)呈粘性，重力作用的蠕變累積也需要相當(dāng)長的時(shí)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(fēng)力，即使這樣可觀察到蠕變也需要幾百年的時(shí)間，這些提示了我們：隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠承受風(fēng)荷載及地震作用等短期荷載時(shí)，力作用時(shí)間短(t小)，此時(shí)隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠主要是普彈形變，結(jié)構(gòu)膠寬度由風(fēng)荷載及地震作用等短期荷載決定的，可以采用彈性材料力學(xué)設(shè)計(jì)計(jì)算，對于承受風(fēng)荷載及地震作用短期荷載的隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠忽略應(yīng)變與時(shí)間影響，僅考慮普彈應(yīng)變-應(yīng)力關(guān)系套用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)。因而廣州風(fēng)荷載為西塔隱框玻璃幕墻的控制荷載，超規(guī)范將硅酮結(jié)構(gòu)密封膠強(qiáng)度設(shè)計(jì)值：

f1=(0.6÷3)N/mm2=0.2N/mm2，提高到f1=(1.0÷3)N/mm2=0.33N/mm2是可行的。

    隱框玻璃幕墻在短期荷載（風(fēng)荷載、地震荷載，每次作用時(shí)間短）作用下，倍增結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)度設(shè)計(jì)值對粘結(jié)耐久性影響與彈性材料（例如鋼材）沒有多大區(qū)別，工程上可忽略不計(jì)。硅酮結(jié)構(gòu)膠在長期荷載（自重荷載）作用下，材料粘彈性呈現(xiàn)為粘性，材料時(shí)間效應(yīng)明顯，工程上應(yīng)予考慮。隱框玻璃幕墻在短期荷載（風(fēng)荷載）作用下，雖然每次作用時(shí)間短，結(jié)構(gòu)膠呈彈性材料效應(yīng)，但風(fēng)荷載為多次作用的可變荷載，按結(jié)構(gòu)膠彈性疲勞效應(yīng)，倍增結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)度設(shè)計(jì)值對粘結(jié)耐久性影響如何？

    7. 非線性粘彈性材料疲勞性能-粘彈塑材料動(dòng)力學(xué)

    7.1 疲勞現(xiàn)象

    疲勞是指材料在承受遠(yuǎn)低于斷裂強(qiáng)度的反復(fù)應(yīng)力強(qiáng)度的情況下產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象。疲勞的產(chǎn)生通常起源于工件內(nèi)部相對脆弱或者應(yīng)力集中的區(qū)域，如外來夾雜、空隙等。盡管工件整體所受應(yīng)力小于斷裂強(qiáng)度，在這些微小區(qū)域可能已經(jīng)達(dá)到斷裂強(qiáng)度，結(jié)果導(dǎo)致在這些區(qū)域產(chǎn)生微小裂紋。在應(yīng)力反復(fù)施加的情況下這些微小裂紋長大最終導(dǎo)致工件破壞失效。

    7.2 結(jié)構(gòu)膠的應(yīng)力-疲勞壽命

    結(jié)構(gòu)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(jià)基本上采用和金屬材料同樣的應(yīng)力-疲勞壽命（S-N）曲線方法。高分子材料于循環(huán)負(fù)載之下主要會(huì)經(jīng)歷疲勞斷裂。疲勞發(fā)生于低于降伏強(qiáng)度的應(yīng)力階段，疲勞破壞在高分子材料中并不像金屬那樣廣泛。然而，其疲勞數(shù)據(jù)是類似的，且其結(jié)果da/dN∽ΔK關(guān)系曲線具有相同的一般形狀，見上圖。

    da/dN＝BΔGq ，式中：B、q與材料種類、溫度、頻率、應(yīng)力比等有關(guān)的常數(shù)。

    綜上所述，隱框玻璃幕墻在短期荷載（風(fēng)荷載）作用下，結(jié)構(gòu)膠彈性疲勞效應(yīng)和彈性材料相同。10萬次循環(huán)破壞次數(shù)對應(yīng)的動(dòng)應(yīng)力作為彈性材料的實(shí)際疲勞強(qiáng)度。而隱框玻璃幕墻風(fēng)荷載在25年設(shè)計(jì)壽命期內(nèi)的脈動(dòng)數(shù)遠(yuǎn)小于10萬次，因而倍增結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)度設(shè)計(jì)值對粘結(jié)耐久性影響與不倍增結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)度設(shè)計(jì)值類同，不會(huì)影響粘結(jié)耐久性。

    7.3 粘彈性硅酮結(jié)構(gòu)膠的性能

    硅酮結(jié)構(gòu)膠為高分子非線性粘彈性材料疲勞效應(yīng)歸屬粘彈塑性材料動(dòng)力學(xué)，結(jié)構(gòu)膠為高分子非線性粘彈性材料，粘彈塑性材料動(dòng)力學(xué)提升設(shè)計(jì)的思維，也將革新材料和結(jié)構(gòu)注入新的活力。按照粘彈塑性材料動(dòng)力學(xué)基本理論：在瞬間輸入結(jié)構(gòu)能W=（力F×位移S）/時(shí)間t，大震時(shí)W很大，地震瞬間t很小，若增大位移S，則減小了地震力F，因此高位移的硅酮耐候密封膠和高位移的硅酮結(jié)構(gòu)密封膠，既能增大位移S，材料時(shí)間效應(yīng)又能提高粘彈性密封膠強(qiáng)度，這些因素相互耦合，提高了高位移的硅酮耐候密封膠和高位移的結(jié)構(gòu)膠綜合性能。

    粘彈性力學(xué)是連續(xù)體力學(xué)的重要分支，它涉及高分子材料、生物材料、地質(zhì)材料、建筑材料、復(fù)合材料和高溫下金屬等材料的力學(xué)性能研究，在航空航天工程、材料工程、建筑工程、能源工程、生物工程中得到廣泛應(yīng)用，顯示了這門學(xué)科的強(qiáng)大生命力，正受到越來越多的行業(yè)的重視。在建筑工程有廣闊應(yīng)用前景。

    粘彈性理論中的幾何方程和運(yùn)動(dòng)方程與彈性力學(xué)完全相同。從理論上說，利用本構(gòu)方程、運(yùn)動(dòng)方程、幾何方程、邊界條件以及初始條件，可找到粘彈性邊值問題的解。在緩慢加載的前提下，如果粘彈性體所受的體積力、表面力和粘彈性體的位移邊界條件都可以寫成空間和時(shí)間的分離變量形式，且全部應(yīng)力、應(yīng)變以及它們對時(shí)間的各階導(dǎo)數(shù)的初始值都為零，則可利用對時(shí)間的拉普拉斯變換，把一個(gè)線性粘彈性體的問題化為一個(gè)同樣形狀和大小的線性彈性體的問題。求出后者的解并利用拉普拉斯逆變換，就能得到原粘彈性體問題的解。

    對高性能結(jié)構(gòu)膠在隱框玻璃幕墻的應(yīng)用也可按上述方法分析，精度雖然高一些，但在工程中應(yīng)用可操作性低。目前高性能結(jié)構(gòu)膠在隱框玻璃幕墻的應(yīng)用采用了粘彈性力學(xué)的分離近似法：即在短期荷載條件下粘彈性材料隱框玻璃幕墻工程，用彈性理論得到的近似解能夠達(dá)到工程所要求的精度，同時(shí)提高長期荷載安全系數(shù)，顯著降低長期荷載應(yīng)力，并采取適當(dāng)防范措施，將長期荷載所至的粘性控制在安全度以內(nèi)，也能夠達(dá)到工程所要求的安全可靠度。這種方法己為現(xiàn)有數(shù)千結(jié)構(gòu)膠隱框玻璃幕墻工程證實(shí)，也為現(xiàn)有數(shù)個(gè)高性能結(jié)構(gòu)膠隱框玻璃幕墻工程所證實(shí)。今后在推廣應(yīng)用結(jié)構(gòu)膠和高性能結(jié)構(gòu)膠在隱框玻璃幕墻的同時(shí)，繼續(xù)觀察相關(guān)工程。

    通過本文分析和現(xiàn)有隱框玻璃幕墻工程應(yīng)用的實(shí)踐，結(jié)構(gòu)膠及高性能結(jié)構(gòu)膠在高層建筑隱框玻璃幕墻工程中應(yīng)用是可行的。  (文/龍文志)