我國玻璃幕墻建設(shè)始于20世紀(jì)80年代，主要標(biāo)志是1983年建成的北京長城飯店。20世紀(jì)90年代開始，我國幕墻行業(yè)迅速發(fā)展，現(xiàn)今幕墻建筑面積己穩(wěn)居世界首位。隨著時(shí)間的增長，我國存量巨大的既有幕墻逐漸接近或超過設(shè)計(jì)使用年限。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)推算，我國超過設(shè)計(jì)使用年限的幕墻存量超過千萬平方米，但由于經(jīng)濟(jì)因素等諸多原因，當(dāng)中的絕大多數(shù)尚在服役。這些幕墻作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，直接暴露在環(huán)境中，同時(shí)經(jīng)受各類荷載（風(fēng)荷載、溫度作用等），性能逐漸劣化，引起滲漏、真空失效等各類耐久性問題，甚至引起構(gòu)件墜落等安全性問題，危害人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。在我國，幕墻玻璃或開啟扇高空墜落等事件時(shí)有報(bào)道，這些難以預(yù)料的潛在威肋，被稱為“空中定時(shí)炸彈”，引起專家學(xué)者和人民群眾的擔(dān)憂。此類潛在威肋，應(yīng)通過科學(xué)的管理養(yǎng)護(hù)與適時(shí)的維修更換來減少或消除。雖然國內(nèi)外均高度關(guān)注幕墻的檢測、監(jiān)測和養(yǎng)護(hù)，但在幕墻的長期性能演化規(guī)律、維護(hù)的有效性、維護(hù)策略方面仍然有許多未知的領(lǐng)域，亟需幕墻長期性能演化規(guī)律、有效的維護(hù)策略等方面的信息。
1 玻璃幕墻簡介
玻璃幕墻根據(jù)面板支承形式，可以分為全玻幕墻、點(diǎn)支式幕墻和框架式幕墻。全玻幕墻為面板和支承結(jié)構(gòu)均為玻璃的建筑幕墻，如圖1所示；點(diǎn)支式幕墻是指面板通過點(diǎn)支承裝置與支承結(jié)構(gòu)連接的玻璃幕墻，如圖2所示；框架式幕墻是指面板邊緣鑲嵌于金屬框架中或粘接于金屬框架外表面，并以金屬框架作為支承邊的玻璃幕墻。根據(jù)框架與面板的相對(duì)位置，又可以分為明框幕墻、全隱框幕墻和半隱框幕墻，如圖3所示。
圖4a為明框幕墻，構(gòu)造圖中可見，明框玻璃幕墻是面板鑲嵌在框架中，由框架支撐面板自重的一種幕墻形式；圖4b為隱框玻璃幕墻，構(gòu)造圖中可以看到隱框玻璃幕墻是通過結(jié)構(gòu)膠將玻璃面板粘結(jié)在金屬骨架上，不再設(shè)金屬連接件的一種幕墻形式。由于金屬骨架隱藏于玻璃面板后，可形成大面積的全玻璃鏡面，具有最佳的立面效果，故隱框玻璃幕墻是較為常見玻璃幕墻形式。但另一方面，玻璃面板之外不再設(shè)有金屬骨架或連接件，一旦因施工問題、材料劣化等引起連接失效，面板將會(huì)整體脫落墜下，造成嚴(yán)重后果。因此，我國住建部對(duì)隱框玻璃幕墻的應(yīng)用場合進(jìn)行了限制。
事實(shí)上，通過加強(qiáng)施工質(zhì)量監(jiān)管和全壽命的風(fēng)險(xiǎn)管控，可以減小或消除隱框幕墻的事故風(fēng)險(xiǎn)。在國外，隱框幕墻仍被廣泛的應(yīng)用，在2019年德國慕尼黑門窗幕墻展上，隱框玻璃幕墻仍是一大熱門產(chǎn)品。因此，對(duì)隱框玻璃幕墻限制，頗有因噎廢食之感，為給隱框玻璃幕墻的使用和管養(yǎng)提供理論支持，同時(shí)給既有隱框幕墻的風(fēng)險(xiǎn)管理提供建議，本文將以隱框玻璃幕墻作為主要研究對(duì)象。
2 隱框玻璃幕墻長期性能研究
服役條件下，環(huán)境一荷載作用直接影響幕墻材料的性能，引起材料性能的劣化，隨后通過材料一構(gòu)件一結(jié)構(gòu)的性能傳遞路徑，進(jìn)一步影響幕墻構(gòu)件乃至幕墻結(jié)構(gòu)的長期性能。最終呈現(xiàn)的幕墻結(jié)構(gòu)長期性能演化，實(shí)質(zhì)上是材料（面板、連接等）、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)各個(gè)層面性能演化的綜合結(jié)果。本文的研究將以材料、構(gòu)件的長期性能作為切入點(diǎn)，下文將介紹材料、構(gòu)件層面的研究進(jìn)展。
2.1 玻璃面板長期性能研究
玻璃面板是現(xiàn)代幕墻結(jié)構(gòu)采用最多的面板類型。根據(jù)表面應(yīng)力可以分為鋼化玻璃、半鋼化玻璃和普通玻璃鋼化玻璃。通過將普通玻璃加熱至軟化溫度并急速冷卻制得，強(qiáng)度為普通玻璃的4一5倍，表面應(yīng)力一般在 90N/mm2以上；半鋼化玻璃亦為熱強(qiáng)化玻璃，但加熱后冷卻速度較低，強(qiáng)度為普通玻璃的1.5一2倍，表面應(yīng)力一般在45一54N/mm2之間；普通玻璃即未經(jīng)熱強(qiáng)化的玻璃。根據(jù)面板的組成可以分成單片玻璃、中空玻璃和夾層玻璃。單片玻璃即單層普通玻璃；中空玻璃是由兩片或多片玻璃，以內(nèi)部充滿高效分子篩吸附劑的鋁框間隔出一定厚度的空間（多充滿惰性氣體或空氣），邊部采用高強(qiáng)度密封膠粘合而成的玻璃組件；夾層玻璃是用膠合材料將兩片或者兩片以上的玻璃粘結(jié)在一起的安全玻璃，破損時(shí)碎片不會(huì)飛散。
幕墻領(lǐng)域針對(duì)玻璃的研究絕大多數(shù)圍繞玻璃的破碎展開。最常見的玻璃破碎形式為鋼化玻璃自爆和玻璃熱炸裂。
鋼化玻璃自爆的機(jī)理研究相對(duì)成熟，龍文志、劉軍均指出，鋼化玻璃中硫化鎳晶體伴隨體積膨脹的相變是引起鋼化玻璃自爆的主要原因：室溫中，不穩(wěn)定的α一NiS逐步轉(zhuǎn)變?yōu)?beta;一NiS，并伴隨2％一4％的體積膨脹，使玻璃因相變張應(yīng)力而自爆。Bao等通過對(duì)玻璃自爆殘片的電鏡觀察和成分分析指出，單質(zhì)硅微粒周邊切應(yīng)力過大引起的局部拉伸破壞也是自爆的一大誘因，且降溫過程會(huì)增大應(yīng)力，增加破裂風(fēng)險(xiǎn)。包亦望等還進(jìn)一步探討了鋼化玻璃自爆準(zhǔn)則和影響因素，指出自爆概率與鋼化應(yīng)力溫度變化呈正相關(guān)，與雜質(zhì)到玻璃中性層距離呈負(fù)相關(guān)，與雜質(zhì)顆粒半徑的三次方成比例。劉軍探究了玻璃自爆的機(jī)理，并詳細(xì)介紹了控制磨邊精度、控制鋼化工藝和均值（熱浸）處理等降低鋼化玻璃自爆率的方法。吳從真則指出玻璃廠家均值處理能力不足，且目前沒有成熟檢測方法，建議采用半鋼化玻璃以從根源上阻止玻璃自爆對(duì)玻璃熱炸裂的研究也較為深入。早在1991年，馬眷榮等人便指出玻璃熱炸裂實(shí)質(zhì)上是溫度應(yīng)力導(dǎo)致玻璃缺陷發(fā)展造成的斷裂，并通過對(duì)玻璃溫度應(yīng)力成因、溫度應(yīng)力場性質(zhì)，以及玻璃自身缺陷與裂紋發(fā)展過程的理論分析，系統(tǒng)地探討了玻璃熱炸裂的機(jī)理和影響因素，認(rèn)為玻璃的面積、邊部損傷和太陽能吸收率是關(guān)鍵影響因素。劉忠偉等通過有限元法求解了日光照射下建筑玻璃的溫度場和應(yīng)力場，明確了建筑玻璃熱炸裂是有邊部沿邊長方向的拉應(yīng)力造成的，并指出熱炸裂的破裂特征：起始點(diǎn)只能發(fā)生在邊部，且起始裂紋垂直于邊部。
除玻璃自身性質(zhì)之外，岳凱還指出，幕墻上方結(jié)構(gòu)物遮陽引起的陰影和室內(nèi)遮陽材料（窗簾、百葉窗等）的熱反射也會(huì)引起玻璃局部溫差，從而導(dǎo)致熱炸裂。學(xué)者們還指出，合理地選用玻璃類型、適當(dāng)?shù)臒崽幚怼⒖刂泼姘宄叽绾蜋C(jī)械磨邊可以降低玻璃熱炸裂的風(fēng)險(xiǎn)。顯然對(duì)于鋼化玻璃自爆和玻璃熱炸裂，學(xué)者們己經(jīng)深入探討了其發(fā)生機(jī)理、影響因素和應(yīng)對(duì)措施，研究相對(duì)完善。除了破裂這種劇烈的損傷形式之外，玻璃面板還可能在風(fēng)沙環(huán)境作用下出現(xiàn)陷坑、劃痕等輕微損傷，并逐漸累積，影響面板的適用性和安全性。關(guān)于風(fēng)沙環(huán)境建筑材料損傷，國內(nèi)已有較多的研究。李亞杰以氣流挾沙噴射法測得了混凝土抗沖磨特性參數(shù)。王彥平等同樣采用氣流挾沙噴射法，研究了水泥石、砂漿和混凝土在不同沖蝕風(fēng)速、不同沖蝕角度下的沖蝕規(guī)律，確定了質(zhì)量沖蝕率和進(jìn)入穩(wěn)態(tài)沖蝕階段所需的孕育期。郝負(fù)洪等、張博等利用同樣的試驗(yàn)方法模擬風(fēng)沙沖蝕，并采用掃描電鏡進(jìn)行表面形態(tài)學(xué)分析，分別研究了鋼結(jié)構(gòu)表面涂層和二氧化欽納米薄膜的沖蝕行為和侵蝕機(jī)理。李貝對(duì)風(fēng)特性和風(fēng)沙流特性進(jìn)行討論，對(duì)風(fēng)沙二相流進(jìn)行了理論分析，為氣流挾沙試驗(yàn)法提供了理論依據(jù)。
既有研究對(duì)玻璃材料的沖蝕損傷亦有所涉及。Bouzid等和Ismail等對(duì)玻璃沖蝕損傷的機(jī)理進(jìn)行了探究，均指出：沖蝕引起的亞表層橫向裂縫沿表面平行方向發(fā)展至與表面相交時(shí)即引起材料損失，產(chǎn)生沖蝕坑；沖蝕引起的亞表層徑向裂紋沿表面垂直方向向上發(fā)展至與表面相交時(shí)即形成徑向裂紋（圖5）。Ismail等還通過試驗(yàn)和數(shù)值模擬，指出了沖蝕坑尺寸與沖蝕速度存在指數(shù)為1.65一2的指數(shù)函數(shù)關(guān)系。
圖5 玻璃沖蝕損傷機(jī)理
郝負(fù)洪等將上文提及的氣流挾沙試驗(yàn)法引進(jìn)玻璃沖蝕研究，結(jié)合掃描電鏡，對(duì)工程玻璃在氣固二相流下的沖蝕性能和損傷機(jī)理進(jìn)行了探索。其研究表明，工程玻璃的沖蝕過程存在多種損傷模式，后續(xù)研究需考慮多種損傷模式復(fù)合出現(xiàn)的情況。對(duì)于玻璃沖蝕損傷后性能變化的研究較少。姜利祥等 [29]通過試驗(yàn)探究了光學(xué)玻璃在空間粉塵撞擊后的透過率變化，并得出了單個(gè)陷坑的光線衰減因子。雖然沖擊顆粒和靶材的性質(zhì)與服役條件下的風(fēng)沙和工程玻璃的性質(zhì)有顯著的差距，但關(guān)注沖蝕損傷對(duì)透過率影響的研究思路在后續(xù)研究中可以采用。
綜上可知，風(fēng)沙損傷的試驗(yàn)方法己趨于成熟，且己被引入玻璃沖蝕研究領(lǐng)域。但當(dāng)前對(duì)玻璃而板沖蝕損傷的研究尚顯薄弱，且集中于沖蝕機(jī)理的研究，未深入探究沖蝕損傷對(duì)玻璃面板性能的影響。后續(xù)的研究可采用既有的氣流挾沙試驗(yàn)法，進(jìn)一步探究沖蝕損傷機(jī)理和損傷對(duì)性能的影響。
2.2 結(jié)構(gòu)膠長期性能研究
結(jié)構(gòu)密封膠（簡稱“結(jié)構(gòu)膠”）是密封膠的一種，是常見的建筑密封材料。根據(jù)配方組成，主要可以分成單種組分可直接使用的單組分膠和需將A、B兩種組分混合后使用的雙組分膠。結(jié)構(gòu)膠被廣泛應(yīng)川于幕墻結(jié)構(gòu)安裝（尤其是隱框玻璃幕墻）和中空玻璃的二次密封中，是結(jié)構(gòu)連接的關(guān)鍵材料。服役條件下，膠體粘結(jié)性能劣化將會(huì)引起密封失效，甚至有面板墜落的隱憂；膠體變形性能劣化將會(huì)導(dǎo)致緩沖能力下降，在極端條件下有引起面板破碎的風(fēng)險(xiǎn)。國內(nèi)外學(xué)者高度重視，針對(duì)結(jié)構(gòu)膠的劣化開展了較多的研究。既有研究對(duì)影響密封膠老化的因素進(jìn)行了深入的探索。Jones等在RILEM耐老化測試方法的實(shí)驗(yàn)中證實(shí)荷載循環(huán)作用會(huì)加快結(jié)構(gòu)密封膠的降解。Wolf指出膠縫移動(dòng)是影響密封膠老化的一個(gè)突出因素，因其在密封膠硬化過程中和硬化之后都對(duì)密封膠有損傷效果。
外國學(xué)者對(duì)密封膠的拉壓疲勞、剪切疲勞性能進(jìn)行了試驗(yàn)，觀察了相應(yīng)條件下密封膠疲勞失效的類型、特征和位置，并有學(xué)者探究了膠體尺寸和疲勞壽命的關(guān)系。
王娜指出，因結(jié)構(gòu)膠拉伸模量和壓縮模量不同，故正負(fù)風(fēng)壓的作用效果不同，負(fù)風(fēng)壓對(duì)于結(jié)構(gòu)膠的性能演變影響更大，且結(jié)構(gòu)膠尺寸對(duì)老化效果也有影響。由于學(xué)者著重于力學(xué)行為的研究，亦未深究風(fēng)致疲勞作用體性能的演變規(guī)律。密封膠老化也受到環(huán)境因素影響。以Wolf激授為代表的國內(nèi)外學(xué)者經(jīng)研究指出光照、溫度、濕度等環(huán)境因素是影響建筑密封膠老化的因素，鄧超等還通過自然曝曬試驗(yàn)、熱老化實(shí)驗(yàn)和氛燈照射實(shí)驗(yàn)對(duì)陽光、溫度的影響進(jìn)行了驗(yàn)證。陳文浩等通過高濃度臭氧加速老化試驗(yàn)，證明硅酮密封膠具有良好的耐臭氧性能：臭氧不是造成硅酮結(jié)構(gòu)膠老化的主要環(huán)境因素。
多種環(huán)境因素，或環(huán)境因素與其他因素的協(xié)同作用對(duì)于結(jié)構(gòu)膠的老化影響較大。Wolf曲研究表明陽光和氧，陽光和水，環(huán)境因素和機(jī)械應(yīng)變等協(xié)同作用對(duì)于結(jié)構(gòu)膠的老化有較大的影響。曾兵等的研究表明，水熱協(xié)同作用對(duì)于結(jié)構(gòu)膠的老化也有很大影響。
有文獻(xiàn)通過在試驗(yàn)室模擬自然條件對(duì)密封膠進(jìn)行加速老化，研究了光照對(duì)密封膠老化的影響，亦有學(xué)者對(duì)高溫、熱水和光照禍合作用等老化因素進(jìn)行了探究。試驗(yàn)中均觀察到了膠體劣化，但未能總結(jié)出膠體性能劣化規(guī)律。
曾兵等對(duì)光照、升溫、熱水、光熱水循環(huán)作用、鋁型材表面處理方式對(duì)結(jié)構(gòu)膠耐久性的影響進(jìn)行了試驗(yàn)研究，并對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行了歸一化，得出了光老化試驗(yàn)和熱老化實(shí)驗(yàn)下結(jié)構(gòu)膠相對(duì)粘結(jié)強(qiáng)度劣化曲線。但其直接對(duì)不同成分結(jié)構(gòu)膠試樣的數(shù)據(jù)取均值進(jìn)行歸一化，故方程的合理性仍需更深入的探討。
國內(nèi)外學(xué)者通過試驗(yàn)研究了疲勞與光照藕合對(duì)密封膠耐久性的影響，但多停留于比較不同密封膠耐久性好壞和判斷該藕合作用下耐久性影響因素的階段，未能總結(jié)出膠體性能劣化規(guī)律。
綜上可知，國內(nèi)外學(xué)者己明確了光照、溫度、濕度等環(huán)境因素和荷載應(yīng)變是影響結(jié)構(gòu)膠劣化主要因素，但對(duì)于結(jié)構(gòu)膠劣化行為研究尚不成熟，環(huán)境一荷載禍合作用下的試驗(yàn)研究更是較為欠缺，亟待進(jìn)一步開展。此外，學(xué)者們采用的試驗(yàn)方法存有差異，既有的研究結(jié)果難以對(duì)比，迫切需要一種相對(duì)合理的統(tǒng)一試驗(yàn)方法。
劉軍進(jìn)等對(duì)加速老化試驗(yàn)方法進(jìn)行歸納整理，對(duì)比篩選出了較為合理的光照條件、溫濕度、老化循環(huán)和加載方式等，并推薦設(shè)計(jì)有光照和濕氣作用組成的老化循環(huán)，以紫外熒光UVA一340作為老化光源，在老化的同時(shí)對(duì)膠體施加拉伸、壓縮和剪切組成的應(yīng)變循環(huán)。
2.3 幕墻構(gòu)件長期性能研究
幕墻構(gòu)件是幕墻結(jié)構(gòu)中具有特定功能的組成部分，本文中關(guān)注的構(gòu)件主要指型材、玻璃和連接拼裝而成的幕墻單元或者多個(gè)單元的組合，可一定程度上反映幕墻結(jié)構(gòu)性能。
有文獻(xiàn)指出，影響幕墻構(gòu)件長期性能的主要有設(shè)計(jì)因素、施工質(zhì)量、材料選擇以及玻璃、結(jié)構(gòu)膠等材料的劣化。有文獻(xiàn)對(duì)影響構(gòu)件長期性能的設(shè)計(jì)、施工因素進(jìn)行探討，提出了優(yōu)化建議。設(shè)計(jì) 、施工和選材的影響均可通過完善規(guī)范和加強(qiáng)監(jiān)管予以削弱，故本文的研究將主要關(guān)注材料劣化的影響。
因設(shè)備尺寸限制，構(gòu)件層次的老化試驗(yàn)不易開展，故涉及構(gòu)件長期性能的試驗(yàn)研究較少。有有文獻(xiàn)對(duì)單塊玻璃、結(jié)構(gòu)膠和型材組成的構(gòu)件單元開展了試驗(yàn)研究，在人工模擬自然老化后，對(duì)構(gòu)件進(jìn)行擬風(fēng)壓加載試驗(yàn)，探究不同條件下構(gòu)件性能的演化，但該研究主要關(guān)注構(gòu)造措施對(duì)構(gòu)件性能影響，未對(duì)構(gòu)件性能劣化規(guī)律進(jìn)行探討。有文獻(xiàn)模擬了伊斯坦布爾的環(huán)境作用，對(duì)構(gòu)件式幕墻和單元式幕墻開展了足尺耐候試驗(yàn)，關(guān)注其性能的劣化，但由于其研究目的為對(duì)比兩類幕墻的耐候能力，亦未對(duì)構(gòu)件的劣化規(guī)律進(jìn)行探索。
前文已提及，幕墻結(jié)構(gòu)長期性能演化，實(shí)質(zhì)上是材料、構(gòu)件和結(jié)構(gòu)各個(gè)層而性能演化的綜合結(jié)果。Wolf提出，可將材料劣化行為等作為輸入信息，以數(shù)值模擬方法構(gòu)建幕墻構(gòu)件模型，分析其劣化行為。日前己有部分研究將數(shù)值模擬方法用于幕墻構(gòu)件或結(jié)構(gòu)服役性能的研究，但主要關(guān)注幕墻結(jié)構(gòu)的節(jié)能、防火和抗震等方面的性能，與木研究關(guān)注的領(lǐng)域不同。
綜上可知，學(xué)者們己明確了幕墻構(gòu)件長期性能的影響因素，并對(duì)其中設(shè)計(jì)、施工等認(rèn)為因素進(jìn)行了討論，材料老化引起的構(gòu)件性能劣化則仍待探索；受限于試件尺寸，構(gòu)件層面的劣化行為試驗(yàn)研究開展較少，有學(xué)者提出以數(shù)值模擬方法研究幕墻構(gòu)件的長期性能演化，但目前針對(duì)幕墻構(gòu)件的仿真分析尚未涉及劣化行為的探究。后續(xù)研究可基于材料劣化行為信息，對(duì)構(gòu)件劣化進(jìn)行數(shù)值模擬，并結(jié)合小尺寸單元試驗(yàn)，探究幕墻構(gòu)件的劣化行為。
3 結(jié)束語
當(dāng)前，既有玻璃幕墻（尤其是既有隱框幕墻）的科學(xué)管養(yǎng)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估尚缺少幕墻結(jié)構(gòu)長期性能演化規(guī)律和評(píng)估方法等方而的理論信息，對(duì)玻璃幕墻劣化行為的需求尤為迫切。此外，了解了玻璃幕墻的劣化行為，對(duì)幕墻行業(yè)內(nèi)各領(lǐng)域均有裨益。設(shè)計(jì)者可推算幕墻結(jié)構(gòu)的后續(xù)性能，留足安全余量；建設(shè)者可明確幕墻性能的關(guān)鍵影響因素，做好構(gòu)造措施；檢測者和管理者可確定幕墻結(jié)構(gòu)的狀態(tài)和風(fēng)險(xiǎn)，做好評(píng)估預(yù)測和管養(yǎng)維護(hù)。因此，后續(xù)應(yīng)該著重研究玻璃幕墻的劣化行為，掌握玻璃幕墻長期性能演化規(guī)律。
