郝夢瑤，何京波，余忠輝，謝宇芳，張道修

(1 深圳市房屋安全和工程質(zhì)量檢測鑒定中心，廣東深圳 518051；2 廣州合成材料研究院有限公司，廣東廣州 510665)

1 引言

隱框玻璃幕墻是建筑幕墻的一種，其面板材料為鋼化玻璃，橫向和豎向框架構(gòu)件不顯露于面板室外側(cè)，在高層和超高層結(jié)構(gòu)中廣泛使用［1］。隱框玻璃幕墻的面板通過硅酮結(jié)構(gòu)膠與副框連接，硅酮結(jié)構(gòu)膠承擔(dān)幕墻面板的自重荷載以及面板受風(fēng)壓、溫度等因素影響產(chǎn)生的荷載，隨著玻璃幕墻使用年限的增長，幕墻的整體性能劣化，隱框玻璃幕墻安全事故時有發(fā)生。以實際工程應(yīng)用的隱框玻璃幕墻為對象，研究隱框玻璃幕墻的玻璃面板與副框之間硅酮結(jié)構(gòu)膠的性能，己成為隱框玻璃幕墻安全性評價的聚焦點。

針對硅酮結(jié)構(gòu)膠老化性能研究的常用做法是將硅酮結(jié)構(gòu)膠制成工字件或啞鈴型試件，試件的尺寸和形狀符合JG/T 475-2015《建筑幕墻用硅酮結(jié)構(gòu)密封膠》的要求，并將養(yǎng)護(hù)完成的試件置于標(biāo)準(zhǔn)的老化箱中進(jìn)行人工加速老化或者室外自然曝曬［2-3］，老化后將試件取出，在常溫條件下放置特定時間后，按GB 16776-2005進(jìn)行相關(guān)參數(shù)測定［4］。己有研究表明，通過人工加速老化試驗，紫外老化和高溫老化均會對硅酮結(jié)構(gòu)膠的性能產(chǎn)生不同程度的影響［5-6］。

現(xiàn)有的研究設(shè)備難以用于足尺幕墻單元的研究，主要原因為：一是研究對象不同，將硅酮結(jié)構(gòu)膠作為幕墻面板邊界約束研究面板的振動特性時，需將足尺的幕墻單元作為整體為對象進(jìn)行研究；二是現(xiàn)有的老化設(shè)備功能具有單一性，用于工字件和啞鈴型試件的標(biāo)準(zhǔn)老化箱不能滿足幕墻單元的老化需求。為了研究整體幕墻單元性能隨老化時間的變化規(guī)律，本文設(shè)計了一種紫外與熱耦合的隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠加速老化設(shè)備。

2 設(shè)備構(gòu)成與技術(shù)參數(shù)

2.1 設(shè)備系統(tǒng)構(gòu)成

紫外與熱耦合的隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠加速老化設(shè)備，包括試驗測試工作箱、紫外控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)以及主控系統(tǒng)。紫外控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和主控系統(tǒng)布置于試驗測試工作箱的側(cè)面，試驗測試工作箱用于放置隱框玻璃幕墻單元，紫外控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)受控于主控系統(tǒng)；紫外控制系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)產(chǎn)生紫外線和溫度以用于加速試驗測試工作箱中玻璃幕墻的老化，并將試驗測試工作箱中的輻照度和溫度信息反饋至主控系統(tǒng)。設(shè)備還包括報警保護(hù)系統(tǒng)和加載系統(tǒng)，報警保護(hù)系統(tǒng)實時監(jiān)控試驗測試工作箱、紫外控制系統(tǒng)和溫度控制系統(tǒng)，同時將試驗測試工作箱內(nèi)的輻照度和溫度狀態(tài)反饋至主控系統(tǒng)。老化裝置的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 老化裝置的結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 The structure diagram of the aging equipment

2.2 設(shè)備模塊功能

2.2.1 試驗測試工作箱

試驗測試工作箱包括頂板、底板以及中間層。中間層焊接于頂板和底板之間；中間層包括角鋼形立柱以及承托架；角鋼形立柱沿其長度方向間隔焊接有鋼片，承托架與鋼片焊接，隱框玻璃幕墻單元水平放置于承托架上。頂板和底板內(nèi)置有保溫材料，保溫材料為硬質(zhì)阻燃聚氨酯發(fā)泡材質(zhì)制成，頂板的下表面和底板的上表面均設(shè)置反射鏡，承托架設(shè)有用于將隱框玻璃幕墻單元吊起的掛鉤。圖2為試驗測試工作箱的內(nèi)部構(gòu)造圖。

圖2 老化裝置內(nèi)部構(gòu)造圖Fig.2 The internal structure drawing of the aging equipment

2.2.2 紫外控制系統(tǒng)

紫外控制系統(tǒng)包括輻照度探測器、鎮(zhèn)流器以及紫外光源。輻照度探測器用于采集紫外光源信號，鎮(zhèn)流器對紫外光源進(jìn)行功率調(diào)節(jié)。輻照度探測器用于采集紫外光源信號，并傳遞至可編程邏輯控制器（PLC）處理，再利用鎮(zhèn)流器對紫外光源進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，使紫外光源的輻照度達(dá)到設(shè)定值。圖3為隱框玻璃幕墻的老化裝置中紫外控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖3 老化裝置中紫外控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.3 The UV control system structure diagram of the aging equipment

2.2.3 溫度控制系統(tǒng)

溫度控制系統(tǒng)包括溫度傳感器、加熱器、抽風(fēng)機以及循環(huán)風(fēng)道。抽風(fēng)機的進(jìn)風(fēng)口與加熱器連接，抽風(fēng)機的出風(fēng)口與循環(huán)風(fēng)道連接，循環(huán)風(fēng)道的通風(fēng)口位于試驗測試工作箱內(nèi)；加熱器產(chǎn)生的熱量后，通過抽風(fēng)機將加熱空氣輸送至循環(huán)風(fēng)道，溫度傳感器監(jiān)測試驗測試工作箱內(nèi)溫度并將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)分析溫度數(shù)據(jù)后反饋調(diào)節(jié)加熱器的加熱功率。圖4為隱框玻璃幕墻的老化裝置中溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。

圖4 老化裝置中溫度控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖Fig.4 The temperature control system structure diagram of the aging equipment

2.3 設(shè)備技術(shù)參數(shù)

設(shè)備的工作箱承托架的尺寸為1200mm×1200mm，試驗工作室設(shè)置10層，每層凈空100mm。紫外光源采用T12型UVB 313紫外光源，單只功率40W，每個工作箱采用80根紫外燈源。鎮(zhèn)流器采用德國HEP可調(diào)節(jié)鎮(zhèn)流器，最大可調(diào)節(jié)功率為55W，能夠驅(qū)動40W紫外光源，實現(xiàn)輻照度強度0.95W/m2UVB。加熱器采用750W的鼓風(fēng)風(fēng)機，由循環(huán)風(fēng)道產(chǎn)生空氣流動將加熱器產(chǎn)生的熱量均勻分布在試驗測試工作箱。試驗測試工作箱的溫度設(shè)定為80℃。

（1）試驗測定工作箱

① 以高層和超高層常用的中空玻璃幕墻為研究對象，中空玻璃的規(guī)格選用常見的“6+12A+6”，即：內(nèi)層玻璃和外層玻璃的厚度為12mm，中空玻璃中間的間隔層（空氣層）厚度為9mm。本文中隱框玻璃幕墻單元的尺寸設(shè)定為1200mm×1200mm。根據(jù)待測隱框玻璃幕墻單元的尺寸，實驗測試工作箱承托架的尺寸為1200mm×1200mm。為了放置更多數(shù)量的幕墻單元，試驗工作室設(shè)置10層，每層凈空100mm。

② 為滿足隱框玻璃幕墻單元S和試驗測試工作箱的尺寸，選擇尺寸偏小的傳感器和千斤頂。千斤頂一端頂于試驗測試工作箱的立柱，另一端與測力傳感器相連，測力傳感器的另一端頂于隱框玻璃幕墻單元S側(cè)面，其中試驗測試工作箱的立柱、千斤頂、力傳感器和隱框玻璃幕墻單元S側(cè)面之間均放置墊片。其中一個千斤頂布置在隱框玻璃幕墻單元S的一側(cè)，另一個千斤頂布置在隱框玻璃幕墻單元S的面板上，能夠模擬硅酮結(jié)構(gòu)膠受剪切力的情況。

（2）紫外控制系統(tǒng)

紫外燈源的放置如圖5所示。紫外系統(tǒng)中的輻照度探測器的作用是監(jiān)測輻照度光信號強度，優(yōu)選用光譜響應(yīng)區(qū)間在200～400 nm的光敏二級管作為輻照度探頭，可以有效覆蓋UVA（315～400 nm）和UVB（285～390nm）兩種紫外光源的發(fā)光光譜范圍，且具有良好的溫度穩(wěn)定性。UVB313所采用的短波長比目前地球表面上通常找到的UV光波波長更短，破壞性更強，可模擬波長為285～390 nm的太陽光紫外線光譜，因此選用UVB313型燈作為待測隱框玻璃幕墻單元S人工加速老化的光源，UVB313型燈采用德國HEP可調(diào)節(jié)鎮(zhèn)流器驅(qū)動，實現(xiàn)0.95W/m2UVB輻照度強度。

圖5 紫外燈源的布置Fig.5 Arrangement of UV lamp source

（3）溫度控制系統(tǒng)

采用加熱器對整個實驗測試工作箱進(jìn)行加熱，加熱器采用750W的鼓風(fēng)機，加熱器產(chǎn)生熱量后，通過抽風(fēng)機將加熱空氣輸送至循環(huán)風(fēng)道，循環(huán)風(fēng)道產(chǎn)生空氣流動使熱量均勻分布在試驗測試工作箱內(nèi)，使得工作箱內(nèi)的所有試件受熱均勻。試驗測試工作箱內(nèi)溫度設(shè)定為80℃且可控，溫度傳感器監(jiān)測試驗測試工作箱內(nèi)溫度并將溫度數(shù)據(jù)發(fā)送至主控系統(tǒng)，主控系統(tǒng)分析溫度數(shù)據(jù)后反饋調(diào)節(jié)加熱器的加熱功率；采用PT100溫度單元芯片作為溫度傳感器，用來實時檢測試驗工作室內(nèi)的溫度。循環(huán)風(fēng)道產(chǎn)生空氣流動的示意圖如圖6所示。

（4）其他

主控制系統(tǒng)由主控程序和人機界面組成。人機界面采用昆侖通態(tài)觸摸屏中文彩色液晶觸摸式人機界面，主控程序使用可編程控制器（PLC）編譯控制程序。主控程序包含紫外控制、溫度控制、預(yù)警保護(hù)控制等子系統(tǒng)程序，通過可編程控制器（PLC）編譯的控制邏輯程序，可直接輸入、顯示、控制試驗工作室的溫度和輻照度強度，并通過人機界面顯示試驗測試工作箱內(nèi)的溫度、濕度和系統(tǒng)的安裝狀態(tài)。當(dāng)系統(tǒng)產(chǎn)生故障時，顯示報警信息，并自動啟動停機狀態(tài)，確保無人監(jiān)控時的安全性。

預(yù)警保護(hù)系統(tǒng)是針對試驗過程中的溫度、輻照度和系統(tǒng)故障進(jìn)行報警和停機保護(hù)。其中，溫度、輻照度和系統(tǒng)故障預(yù)警分別獨立。若試驗工作箱內(nèi)溫度超過閾值，溫度預(yù)警保護(hù)系統(tǒng)啟動報警，同時切斷電源；若輻照度超過閾值或強度過低時，輻照度預(yù)警保護(hù)系統(tǒng)啟動報警，同時切斷電源；當(dāng)出現(xiàn)接地保護(hù)裝置失效、漏電/斷電保護(hù)失效、鼓風(fēng)電機過載等故障時，系統(tǒng)故障預(yù)警保護(hù)系統(tǒng)啟動報警，同時切斷電源。

2.4 設(shè)備特征

隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠加速老化設(shè)備可以同時放置特定尺寸的工字件和啞鈴型試件和足尺的隱框玻璃幕墻單元，對玻璃幕墻單元和標(biāo)準(zhǔn)試件進(jìn)行同條件的老化試驗；設(shè)備內(nèi)輻照度強度能達(dá)到0.95W/m2UVB，溫度穩(wěn)定在80℃且可控；老化設(shè)備的試驗測試工作箱、紫外控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、報警保護(hù)系統(tǒng)以及主控系統(tǒng)是5個相互獨立的模塊，具有易裝配性，便于測試過程中隱框玻璃幕墻單元的搬運。

（1）易裝配

老化設(shè)備的試驗測試工作箱、紫外控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、報警保護(hù)系統(tǒng)以及主控系統(tǒng)是5個相互獨立的模塊。試驗測試工作箱和紫外控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、報警保護(hù)系統(tǒng)和主控系統(tǒng)可依靠下方鎖死的滾輪與地面的摩擦力保持一個整體，也可采用角鋼與螺栓相互連接。當(dāng)試驗測試工作箱中放置或者移動隱框玻璃幕墻單元S時，紫外控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、報警保護(hù)系統(tǒng)和主控系統(tǒng)這幾個模塊可以移動至其它位置，從而方便工作人員的操作。

（2）試件布置

試驗測試工作箱承托架的尺寸為1200mm×1200mm。試驗工作室設(shè)置10層，每層放置一塊1200mm×1200mm的隱框玻璃幕墻單元，一個工作箱可放置10塊隱框幕墻單元。由于隱框玻璃幕墻單元水平放置于承托架上，因此隱框玻璃幕墻單元側(cè)邊的玻璃、硅酮結(jié)構(gòu)膠、副框不會被遮擋，老化效果也不會受到影響。同時在每層隱框玻璃幕墻單元的面板上均勻放置一定數(shù)量的標(biāo)準(zhǔn)試件，與玻璃幕墻單元同時進(jìn)行老化試驗。隱框幕墻玻璃與標(biāo)準(zhǔn)試件的放置如圖7所示。

圖7 隱框幕墻玻璃與標(biāo)準(zhǔn)試件的放置圖Fig.7 Exhibition of concealed frame glass and standard specimen

（3）輻照度及溫度

輻照度探測器用于采集紫外光源信號，并傳遞至可編程邏輯控制器（PLC）處理后，利用鎮(zhèn)流器對紫外光源進(jìn)行功率調(diào)節(jié)，使紫外光源的輻照度達(dá)到設(shè)定值。鎮(zhèn)流器最大調(diào)節(jié)功率55W，可以驅(qū)動紫外光源40W至最大輸出效率，實現(xiàn)輻照度強度0.95W/m2UVB。采用加熱器對整個試驗測試工作箱進(jìn)行加熱，通過抽風(fēng)機將加熱空氣輸送至循環(huán)風(fēng)道，循環(huán)風(fēng)道產(chǎn)生空氣流動使熱量均勻分布在試驗測試工作箱內(nèi)，使得工作箱內(nèi)的所有試件受熱均勻。試驗測試工作箱內(nèi)溫度設(shè)定為80℃且可控。

3 結(jié)論

（1）本文設(shè)計了一種紫外與熱耦合的隱框玻璃幕墻結(jié)構(gòu)膠加速老化設(shè)備，老化設(shè)備具有易裝配的特征，由試驗測試工作箱、紫外控制系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、主控系統(tǒng)、報警保護(hù)系統(tǒng)等模塊有機構(gòu)成。

（2）老化設(shè)備可實現(xiàn)對足尺幕墻單元副框與玻璃之間硅酮結(jié)構(gòu)膠的環(huán)繞型等量紫外輻照，在保證幕墻四邊接受的紫外輻照達(dá)到最大均勻性和最大輻照度的同時，試驗工作室可容納足夠多的足尺幕墻單元樣品，這為研究隱框玻璃幕墻面板與副框間硅酮結(jié)構(gòu)膠的性能提供了可能。