建筑幕墙中空玻璃脱胶坠落事故分析

【幕墙资料】建筑幕墙中空玻璃脱胶坠落事故分析

马启元  幕匠小哥  

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【摘  要】： 建筑幕墙中空玻璃在非极限状态发生外片脱胶坠落，原因多与粘接结构设计/选材/粘接施工/使用维护技术缺陷相关，本文综合一些实例从技术上试做分析，供业内参考。

【关键词】： 幕墙 中空玻璃 粘接 坠落 分析

    一、前言
    早期有人将玻璃幕墙比喻为“城市空中的定时炸弹”, 表达对玻璃幕墙粘接结构安全性及结构胶质量的担忧，1997年国家经贸委等五部委对结构胶生产、使用、销售和进口采取行政审批制度，足见国家对建筑幕墙结构胶和玻璃粘接安全的重视。多年来粘接脱胶玻璃坠落事故并不多见，多见的是钢化玻璃自爆“玻璃雨”。但近年来渐有玻璃脱胶坠落事故的发生，且在新建幕墙中也有所闻，尤以开启窗中空玻璃外层坠落事故较为突出，表现的危险性远大于“玻璃雨” 。往往忌于社会影响，坠落的玻璃多由业主更换处理，未深究事故原因。为对建筑幕墙安全提供更多信息，本文综合一些事例，对中空玻璃脱胶坠落试做一些技术分析，供业内参考。

    二、幕墙中空玻璃粘接尺寸不足以安全持久承载
    某建筑玻璃幕墙1997年竣工，2009年2月一次大风中发生一例玻璃坠落事故，坠落的玻璃是15层开启窗扇隐框安装中空玻璃的外片，坠落在二层屋面平台上将钢制护栏砸裂变形，未伤人。
    1）现场勘察的发现
    ◆开启窗中空玻璃的内片玻璃完好；
    ◆查看碎片可见外片没有中空玻璃二道胶残留，属与内片玻璃脱粘坠落。表面残存无承载能力的丁基胶（图1，右）；
    ◆测量残片玻璃表面的粘接痕迹，测量二道胶的粘接宽度为5mm（图1）；
    ◆观察建筑物幕墙开启窗的中空玻璃，可见结构粘接界面有局部脱胶迹象（图1，左）。
    2）查阅存档设计资料及维护记录
    ◆开启扇中空玻璃规格6＋6＋5，尺寸2m×1.5m，隐框安装，未设玻璃自重支撑装置
    ◆风荷载标准值w =2kpa；
    ◆中空玻璃二道胶选用进口硅酮结构密封胶，厂家提供20年的保质期；
    ◆计算书中缺失中空玻璃结构粘接尺寸验算，没有该结构胶变位能力（δ值）数据记录；
    ◆维修档案可见该建筑的中空玻璃已有渗水、结雾和被更换的记录。
    3）玻璃脱胶坠落原因初步分析   
   
    隐框幕墙中空玻璃粘接节点未按极限承载状态设计。自重无支撑条件下，试按规范JGJ 102－2003规定计算（计算过程略，下同），内外片玻璃的粘接宽度（Cs）应大于9.4mm；按风荷载计算粘接宽度（Cs）应取10.5mm，而该建筑的中空玻璃结构粘接的宽度仅5mm，取值不足安全值的一半。由此估计粘接节点承载力严重不足是玻璃坠落的重要原因；
    ◆按建筑幕墙所处地区，中空玻璃内外片表面温度变化为－15℃～70℃，为保证结构胶伸缩变形产生的变动应力不大于强度设计值（0.14Mpa），选用的结构胶必须具有适度的变位能力（δ值0.14Mpa拉伸应力对应的伸长率）。计算书未对内外片玻璃间的温差位移量进行验算，对所用结构胶的δ值未提出要求，也无有关结构胶δ值的记录。现试按粘接厚度6mm计算，该结构胶应具有不低于4％的变位能力。
    ◆该建筑幕墙已有中空玻璃结露乃至渗水的记录，粘接界面有可能长期受湿气侵蚀，引起结构胶的粘附力下降导致玻璃脱胶坠落；
    ◆该建筑已使用年限12年，幕墙开启窗中空玻璃外露的结构胶缝长期经受光照、雨淋及窗缝外部积水等环境侵蚀，粘接性能及承载力也可能已渐变劣化。

    三、中空玻璃结构粘接材料及粘接尺寸未进行承载能力验算
    某九十年代的建筑隐框幕墙，曾发生一块中空玻璃的外片坠落，玻璃掠过路人头顶后砸坏汽车一辆。
    1）初步检查发现
    ◆中空玻璃结构粘接的二道密封粘接材料为聚硫橡胶型密封胶；
    ◆中空玻璃边部结构粘接宽度为6mm。
    2）玻璃脱胶坠落原因分析：
    ◆按JGJ 102规范3.4.3规定“隐框、半隐框及点支撑玻璃幕墙用中空玻璃的二道密封胶应采用硅酮结构密封胶”，该幕墙中空玻璃选材错误；
    ◆按JGJ102第5.6条 “硅酮结构密封胶应根据不同受力情况进行承载力状态验算”的规定，幕墙施工方应对隐框安装中空玻璃用硅酮结构密封胶的粘接尺寸进行承载力状态验算，应向供方提出硅酮结构密封胶选材及结构粘接尺寸的特殊订货要求。幕墙公司的订单未提出相应要求，中空玻璃企业按GB/T11944－2002《中空玻璃》产品标准供货，采用聚硫橡胶型密封胶及5～7mm粘接宽度，可能导致结构粘接承载力不足。

    四、隐框幕墙密封胶龟裂粉化及结构胶老化
    某市八十年代标志性建筑，隐框幕墙玻璃接缝密封胶开裂、渗水，尚未闻有玻璃坠落。
    1）观察发现
   
    幕墙玻璃接缝密封胶表面龟裂，局部有贯通裂纹（图3）。
    2）采样
    ◆玻璃接缝密封胶材质为聚硫橡胶型密封胶，室外暴晒表面密布龟裂纹，密封体有塑化倾向，呈现深度老化；
    ◆隐框玻璃结构粘接体采样，材质为硅酮型密封胶；粘接体邵氏硬度65，拉伸10％时应力近0.6Mpa，刚硬老化明显，稍加弯曲即行开裂甚至折断（图4）。

    3）分析
    ◆按现行规范JGJ 102-2003规定，幕墙玻璃接缝应采用硅酮密封胶，该建筑采用聚硫橡胶型密封胶，耐老化性能不足，难以保证幕墙接缝耐久密封；
    ◆按玻璃结构粘接体的硬度及拉伸性估计，粘接节点在非极限承载状态下的应力，有可能超过结构胶强度设计值（0.14Mpa），估计极限状态的承载安全难以保证；
    ◆由于未见原始设计资料，未能具体分析设计荷载下结构胶的承载能力及结构变位时粘接节点的应力，但硅酮结构胶历时仅20年时就丧失弹性，表明其材质较差，耐老化性能低下。应关注和深入分析该建筑结构粘接材料对荷载及结构变位的响应性质，关切玻璃脱胶坠落的潜在风险。
  五、中空玻璃内部流油污染及玻璃结构粘接失效失效
    某高层建筑隐框玻璃幕墙，2007年施工，2008年中空玻璃内部渗油、流油，致使该工程无法验收。安装过程中曾更换一例外片坠落的中空玻璃。
    1）初步勘察发现
    ◆幕墙开启扇安装的中空玻璃未见渗油流油现象（图5）；
    ◆隐框幕墙中空玻璃内部多现油迹污染和丁基胶溃烂形成的黑色污迹（图5、）；
    ◆幕墙玻璃接缝密封施工粗糙，胶层厚薄不均，泡沫条凸起。现场触摸胶层手感刚硬（如同石灰膏），稍加外力即脆性断裂、脱落。表面皱折、收缩、开裂、（图6）；
    ◆测量中空玻璃结构粘接宽度为6mm。
    2）查阅施工资料
    ◆中空玻璃结构粘接采用硅酮结构密封胶；
    ◆开启窗中空玻璃周边为活动缝，没有玻璃接缝密封胶（图7）；
    ◆幕墙中空玻璃的周边涂有玻璃接缝密封胶（图7）。采购清单表明采用了多个厂家的硅酮密封胶，供货单价均低于8元/支；
    ◆中空玻璃结构粘接尺寸未经验算，产品订货未提出结构粘接尺寸要求。
    3）分析
    a)JGJ 102规范条文说明指出，为防止耐候密封胶对结构胶的影响，幕墙设计宜采用同一厂家的胶种。该工程采购较为随意，采用了多个不同厂家的胶种。
    b)采购的低价位硅酮密封胶掺加有白油（液体石蜡油），经向供方了解，为大幅降低成本，这些产品的掺加量高达30%。白油是石油高馏分产物，在基胶中可以混溶，但在交联固化的硅酮密封胶中无法留存。
    c)白油在密封胶中的效应,：
    ◆混溶的白油可降低密封胶供应状态的粘度，提高挤出性，提高密封胶的光泽；
    ◆白油价廉，掺加后量可增大廉价石粉的加入量，从而大幅降低密封胶成本，提高产品在市场的竞价地位；
    ◆密封胶固化时白油将逐渐被挤压渗出并散发流失，接缝密封体必将产生不可逆的体积收缩、开裂、硬化和脆化，最终将成为以石粉为主的填充体；
    ◆外表面渗出白油会导致接缝表面积尘（油泥）；
    ◆白油是低分子烃类化合物，接缝密封胶渗出白油在渗透压作用下可透过硅橡胶分子间交联网络，形成中空玻璃内表面的渗流产物。油溶性的丁基胶接触白油时可被石油烃类溶胀、溃溶，在油流中形成黑色胶块；
    ◆白油渗入结构胶后可劣化材料力学性能，可能导致结构粘接失效。
    d)开启窗中空玻璃不接触掺白油的密封胶，故未发生渗油现象；
    e)幕墙中空玻璃周边为掺白油的密封胶（图5、图7），这些密封胶中的白油是流油污染和劣化内外片玻璃粘接的根源。
    六、结语
    本文综合了部分建筑幕墙玻璃脱胶事例，对非极限状态下出现的安全问题进行技术分析，可见事故的发生多与结构粘接选材、粘接尺寸设计及施工缺陷相关联，其中幕墙隐框中空玻璃的结构粘接设计错误及误用掺白油耐候密封胶尤为突出。为更好的预防和杜绝类似事故的发生，现提出以下建议：
    ●尽快建立建筑幕墙玻璃粘接结构极限承载力符合性的复查核定程序。主要内容包括复审结构胶粘接节点设计图、计算书，核查幕墙结构粘接现状、维修记录，对更换和加固的玻璃粘接结构进行追踪分析，以采取正确的纠正措施，消除隐患；
    ●建议以幕墙中空玻璃及开启窗粘接结构为重点，进行承载力可靠性普查，以业主和施工企业自查为主，必要时由行政部门组织专业技术支持；
    ●建立幕墙玻璃坠落事故报告制度，制定信息控制和保密制度，掌控玻璃坠落事故“疫情”的发生和发展；
    致谢：在有限事故的勘察和分析过程中，得到相关业主、幕墙公司及企业的信任和帮助，特致感谢！