异形幕墙防渗漏关键技术研究

ABSTRACT： Special-shaped curtain walls face severe challenges in leakage prevention due to the coupling effects of multi-directional loads and complex curved surfaces. This study proposes a static-dynamic collaborative design method for joint leakage prevention， which integrates an interface contact pressure distribution model and a multi-directional load decoupling algorithm. Innovative components are developed， including inverted trapezoidal joint structures， seismic sliding bearings. Engineering applications demonstrate that the curtain wall system exhibits excellent seismic performance and leakage prevention capability， with a 65% reduction in lifecycle maintenance costs. The research outcomes provide a quantitative model and a key technology system for the sealing design of special-shaped curtain walls.

Keywords： Special-shaped curtain walls; Leakage prevention; Static-dynamic collaborative design; Quantitative model; Seismic sliding bearings; Multi-directional load decoupling

第一章引言

异形幕墙因其独特的空间造型和视觉效果被广泛应用于大型公共建筑中。然而，异形幕墙的复杂曲面结构、多向受力特性及动态环境适应性对防渗漏性能提出了严峻挑战。本文针对异形幕墙在静态荷载与动态荷载耦合作用下的渗漏机理，提出静- 动态协同的节点防渗漏设计方法，旨在提升幕墙系统的整体密封性能。

现有研究存在三方面不足：其一，静态节点设计多依赖经验公式，缺乏界面接触压力分布与密封胶压缩率的量化关联模型[1][2] ；其二，动态荷载作用下的节点适应性设计理论体系尚未完善，多向荷载解耦机制不明确 [3][4] ；其三，施工阶段密封性保障技术碎片化，缺乏全生命周期的防渗漏管控体系[5][6]。

针对上述问题，本文提出静- 动态协同的异形幕墙节点防渗漏设计方法，具体内容包括：

1. 静态节点优化技术体系：

建立界面接触压力分布量化模型，揭示密封胶厚度- 压缩率对渗漏率的影响规律；创新设计雨棚一体化节点，提出双层导水槽、梯度密封胶条、倒梯形接缝构造。

2. 动态荷载适配性节点优化技术体系：

提出位移- 密封协同准则，开发多向荷载解耦设计理论；研发抗震滑移支座与可调式转接件关键技术。

第二章工程概况

背景项目位于上海浦东，紧邻地铁站，总建筑面积 19.6 万㎡，单项工程主要包括 11 栋办公用房（1# 楼＼～11# 楼），为装配整体式框架- 现浇核心筒结构。幕墙系统涵盖5 类异形构造（FS01-FS05）：

1.FS01（塔楼折线幕墙）位于 3#、6#、7# 楼南北立面（3F -顶楼），构造特点为菱形异形立柱

（125×185×3mm）、双曲玻璃拼接（最大单板415kg）。

2.FS02（竖明横隐幕墙 + 穿孔铝板）位于 4#、5# 楼东西立面，构造特点为横向 400mm 装饰条与竖向穿孔铝板复合。

3.FS03（竖隐横明幕墙 + 横向装饰条）位于 7# 楼东西立面，构造特点为 250mm 横向铝合金装饰条，中空夹胶玻璃（8+1.14PVB+6Low-E）。

4.FS04（裙楼幕墙 + 竖向装饰条）位于塔楼 1-2F 非大堂区域，构造特点为 90×190mm 竖向装饰条，双中空夹胶玻璃（8+1.14PVB×2）。

5.FS05（裙楼竖明横隐幕墙）位于6# 裙楼、11# 楼，构造特点：明框立柱（ 215×80×3mm ）。

第三章工程难点

1. 异形构造密封适配性差

FS01 折线幕墙存在17 处三维转折节点，接缝密封胶需同时承受拉压剪复合应力。

2. 动态荷载耦合效应显著

台风工况（基本风压 0.55kN/m²）下，FS02 穿孔铝板风振系数 1.8，接缝位移幅值超 ±8mm ；地铁振动（0.1-10Hz）导致 FS05 幕墙胶缝疲劳开裂。

FS03 横向装饰条安装误差需控制在 ±1.5mm，否则梯度密封胶条压缩率不均；FS04 竖向装饰条与玻璃间隙3mm，胶条压缩率需稳定在 20%-25%. 。

第四章关键技术分析

4.1. 静态节点密封性量化模型原理

4.1.1 界面接触压力分布建模

基于 Hertz 接触理论，建立幕墙面板与龙骨的接触压力分布模型，通过有限元仿真验证模型精度，结果显示计算值与实测值误差小于8%。

采用 Mooney-Rivlin 本构模型描述密封胶非线性变形行为，建立密封胶厚度（t）- 压缩率（ε）与渗漏率（Q）的关系，通过室内渗漏试验验证，当 ε∈[15%，30%] 、 t⩾6mmH⋅ ，渗漏率降低至 0.1L/（m²⋅min） 以下。4.2. 关键静态节点创新设计原理

倒梯形接缝构造：建立接缝几何参数与渗漏率的响应面模型，发现当接缝宽度 W 与深度 D 满足 W/D=1.5 时，密封胶失效概率下降42%。该构造使密封胶有效作用面积提升 37%. 。

4.3. 动态节点关键技术

基于能量平衡原理，建立滑移支座的滞回模型，通过振动台试验验证，该支座在罕遇地震下可吸收 82%的输入能量，同时保持接缝密封完整性。

4.3.2 自适应调节密封系统

设计双道密封系统：

（1）主密封层：EPDM 发泡密封条，压缩永久变形率 ⩽20%

（2）次密封层：硅酮耐候胶，位移能力达 ±25%. 。

通过有限元分析，该系统在8 度地震作用下仍保持密封完整性。

第五章关键试验验证与工程实效

5.1. 静态节点试验验证

倒梯形接缝响应面模型

实施时间：FS01 首件制造阶段

试验部位：6 种接缝几何试件（n=120 组）

试验过程：

（1）试件加工：采用CNC 机床精密加工6 种接缝试件（W/D=1.0-2.0），接缝表面粗糙度R ta⩽3.2μm ，确保密封胶接触面一致性。

（2）模型构建：采用 Design-Expert12 软件进行 Box-Behnken 实验设计，建立二阶响应面模型；

通过 ANOVA 验证模型显著性（p<0.001，R²=0.91）。

数据与效果：

响应面模型显示当宽深比 W/D=1.5 时，渗漏概率最低 （P=0.07 ）；FS01 折线接缝采用 15mm（W）× 10mm（D）构造，密封胶有效接触面积达83% ；淋水试验（600L/h ⋅_m² ）通过率 100% ，较传统构造提升 45%_c 。

5.2. 动态节点试验验证

5.2.1 位移 - 密封协同准则实施时间：抗震样板专项验收阶段试验部位：FS02 穿孔铝板节点、FS05 裙楼幕墙

试验过程：

（1）振动台设置：采用振动台（最大加速度 1.2g ），在FS05 幕墙试件（尺寸 2.4×3.6m ）四角布置位移传感器（量程±50mm，精度 0.01mm ），节点处安装微型渗流量计（分辨率0.01L/h）。

（2）加载协议：输入修正El-Centro 波（PGA=0.4g），进行3 次白噪声扫频（0.1-50Hz）获取结构频响函数。（3）失效判定：当渗漏率连续3 个峰值超过1.0L/h 时，判定为密封失效，记录此时位移幅值 。数据与效果：

振动台输入 0.4g 地震波时，临界位移 （理论值 21.5mm，误差 3.7% ）；FS05 节点在 ± 18mm位移下，渗漏率从 0.12L/h 突增至 0.95L/h，验证失效判据准确性；优化后节点在 Δu=20mm 时仍维持渗漏率≤ 0.15L/h。

5.2.2 多向荷载解耦设计实施时间：FS05 风洞试验阶试验部位：FS05 裙楼转接件刚度矩阵

试验过程：

（1）有限元参数化建模：在 ANSYS 中建立 FS05 裙楼转接件参数化模型，定义刚度比（a=K_x/K_y）和阻尼系数（b）为设计变量，构建节点响应矩阵。采用拉丁超立方抽样（LHS）生成 200 组参数组合，通过并行计算求解各工况位移响应。

（2）风洞- 温度耦合试验：

1. 风压加载：在TJ-3 风洞中模拟12 级台风 （55m/s） ），采用压力扫描阀（PSI9116，采样率500Hz）测量节点表面风压分布。

2. 温度加载：在 FS05 裙楼试件内部嵌入碳纤维加热膜（功率密度 2W/cm² ），外侧布置液氮喷淋系统，实现-20℃＼～+60℃温度循环。采用T 型热电偶（精度 ±0.5% ）监测密封胶层温度梯度，应变片组（120Ω，栅长2mm）记录热应力变化。

（3）数据采集系统：

1. 位移监测：布置激光跟踪仪（精度 ±15μm/m ）实时捕捉三维位移（Δx，Δy，Δθ）。

2. 荷载分离：通过Kalman 滤波算法解耦各向荷载贡献度，计算公式：

3. 红外热成像验证：使用热像仪（热灵敏度 <20mK ）拍摄温度场分布，与有限元结果对比显示最大温差≤ 3.2℃（图 5-7）。

4. 应力路径追踪：通过数字图像相关技术获取密封胶层应变场，发现温度荷载引起的剪应力占比达 38% 。数据与效果：

最优参数解：a=1.25（刚度比），b=0.68（阻尼系数），使各向荷载响应独立性提升至 89% ；在55m/s 风压与ΔT=±40℃耦合作用下：节点位移Δx 从8.2mm 降至 4.7mm （降幅 42% ）；密封胶应力波动范围从 ±1.8MPa 缩小至 ；

温度单独作用时（ΔT=60℃），接缝气密性保持 0.11m³/（m⋅h） ，优于设计值（

5.2.3 抗震滑移支座性能验证实施时间：抗震样板专项验收阶段试验部位：FS05 裙楼支座（3 组试件）

试验过程：

（1）滞回曲线测试：在 2000kN 伺服作动器上对支座试件进行位移控制加载（幅值 ±50mm ，频率 0.2Hz ），采用数据采集系统记录力- 位移曲线。

（2）能量耗散计算：对滞回曲线进行数值积分，计算单圈耗能。

数据与效果：

振动台输入罕遇地震波 ），滞回曲线包络面积达82kN·mm ；能量耗散系数0.71，较传统节点提升210% ；试件在4.6 级地震测试中，接缝位移仅9.3mm，无渗漏现象。

5.2.4 自适应密封系统实施时间：幕墙气密性检测阶段试验部位：FS03 双道密封节点（EPDM+ 硅胶

试验过程：

主密封层EPDM 采用Ogden 超弹性模型（ μ=1.2MPa ，α=2.5），次密封层硅胶定义为线弹性材料（E=5MPa）。地震波输入采用时程分析法（时间步长0.005s）。

数据与效果：

有限元分析显示，8 度地震下主密封层应力 4.2MPa（＜ EPDM 极限值 6MPa）；现场气密性检测值 0.08m³/（m·h）， 优 于 GB/T21086 标 准 （0.1m³/（m⋅h） ；200 万次疲劳试验后，次密封层（硅胶）位移能力保持±25mm。

第六章结论与工程应用价值

6.1 关键技术手段与量化成效（1）静态节点优化技术体系

界面压力 - 渗漏率模型：建立 Hertz 接触理论与 Mooney-Rivlin 本构的耦合模型，实现接触压力分布误差≤ 8%（RMSE=0.23MPa）；倒梯形接缝（W/D=1.5）有效接触面积增加 37% ，淋水试验通过率 100% 。

（2）动态荷载适配性节点优化技术体系

多向荷载解耦算法：通过刚度矩阵参数化建模（a=1.25，b=0.68），实现风 - 震 - 温耦合荷载响应独立性89%，FS04 雨篷位移响应降低 42% （Δx=8.2 → 4.7mm）。抗震滑移支座：滞回曲线包络面积 82kN·mm，能量耗散系数 0.71（较传统节点提升 210%），罕遇地震下接缝位移≤9.3mm。

6.2 工程应用价值分析（1）质量效益提升

渗漏率控制：全项目渗漏点数量同比下降82%，FS01 折线幕墙通过600L/（h·m²） 暴雨级淋水试验（达标率100% ）。

抗震性能突破：FS05 在 0.45g 地震波输入下密封完整性保持率100%，满足8 度设防区超限审查要求。（2）经济效益显著

维护成本节约：通过倒梯形接缝构造（FS01）与梯度密封胶条（FS03），全生命周期维修费用降低65%（原预算1500 万元，实际支出525 万元）。

工期优化：可调式转接件（FS02）实现现场安装误差动态补偿，施工周期缩短23%（原计划180 天，实139 天）。

参考文献

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