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玻璃幕墻與門窗結構可靠度設計問題探討

來源:中國門窗&配套材料網　作者:* 　日期:2009-9-14
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　　一、前言
　　玻璃幕墻從1985年開始在我國應用，它是在鋁合金門窗的基礎上隨著高層建筑的興起而發展起來的輕質建筑外圍護結構。

　　2002年，我國開始實施新修訂的《建筑結構可靠度設計統一標準》（GB 50068-2001）和《建筑結構荷載規范》（GB50009-2001）及頸建筑抗震設計規范》（GB 50011-2001）三項國家標準。作為對建筑物理功能和人的安全有重大影響的建筑外圍護結構與構件，幕墻與門窗必須按照這些標準進行設計，以保證其足夠的可靠度。

　　鋁合金玻璃幕墻與門窗是世界上應用最為成熟和目前應用最為廣泛的金屬框架建筑幕墻和門窗。我國《玻璃幕墻工程技術規范》(JGJ102-96)目前正在進行修訂，《鋁合金門窗工程技術規程》于2002年8月開始編制，尚未有建筑門窗工程設計規范。認真總結國內外技術與經驗，對它們進行結構可靠度設計研究，正確編制我國的玻璃幕墻與門窗技術標準規范，以逐步建立起各種材料及型式的建筑幕墻與門窗結構可靠度設計、評估理論體系，對我國建筑幕墻與門窗工程實踐和技術發展有著重要的現實意義和深遠的歷史意義。

　　二、建筑結構可靠度分析與設計原理
　　1.結構的可靠性
　　建筑結構是組成工業與民用房屋建筑包括基礎在內的承重骨架體系，其必須滿足的基本功能要求是：（1）安全性：在正常施工和正常使用時能承受可能出現的各種作用：在設計規定的偶然事件發生時（如地震、火災等）及發生后，仍能保持必需的整體穩定性；（2）適用性：在正常使用時具有良好的工作性能；（3）耐久性：在正常維護下具有足夠的耐久性能。

　　結構的可靠性是結構安全性、適用性和耐久性的統稱，是結構在規定的時間內和規定的條件下，完成預定功能的能力。

　　2.結構的可靠度
　　結構的極限狀態設計要求。影響結構可靠性的各種隨機因素可歸納為二個均為隨機變量的綜合變量即結構的作用效應S和抗力R，結構的功能函數Z=g（R，5）=R-S也是隨機變量。當Z>0時，結構處于可靠狀態：當Z<0時，結構處于失效狀態：當Z=R-S=0時。結構處于極限狀態。結構的極限狀態設計要求為：R-S>=O，即結構的抗力要大于等于其作用效應。

　　結構的概率可靠度。由于影響結構可靠性的各種因素中荷載與作用的效應是變化不定的，結構的抗力R也是不確定的(構件材料性能不確定性、幾何參數不確定性、計算模式不確定性)，因此結構設計所要求的Z=R-S>=0的可靠目標不可能絕對保證，只能在一定的概率意義下滿足，即P（R>=S）=P，是結構的可靠概率。所以說，結構的可靠度是結構可靠性的定量描述，即結構在規定的時間內，在規定的條件下，完成預定功能的概率。而結構的失效概率Pf=1-PI。由于結構的失效概率一般為小概率事件，失效概率對結構可靠度的把握史為直觀，所以工程結構可靠度分析一般計算結構失效概率。

　　3.結構的可靠度分析與設計
　　根據人對不同安全等級的建筑結構的基本功能要求，在一定的設計基準期內對結構和構件及其連接在不同的設計比況(持久狀況、短暫狀況、偶然狀況)下，分別進行正常使用極限狀態和承載能力極限狀態的概率可靠度設計，以保證建筑結構在其規定的設計使用年限內具有足夠的可靠度。

　　4.幕墻與門窗結構可靠度設計的必要性和可能性
　　建筑幕墻是由各種墻面板與支承體系（支承裝置與支承結構）組成的、不承受主體結構重力的建筑外圍護墻體結構。門窗是房屋外圍護結構開口部位的功能性部件（組合構件）。幕墻與門窗是持久性的建筑非結構構件（建筑中除承重骨架體系以外的固定構件和部件，主要包括非承重墻體等附著于主體結構的裝飾構件和部件等）。因此，雖然《建筑結構可靠度設計統一標準》和《建筑結構荷載規范》是適用于各種建筑結構及構件的，但是考慮到幕墻和門窗是對建筑物理功能、使用者和社會公眾的安全有重大影響的外圍護結構和構件，而且其所受荷載作用及力學特點與建筑主體結構類似，所以幕墻和門窗應該有必要而且可以按照上述《標準》和《規范》進行結構可靠度設計及計算，但是要掌握非結構構件與主體結構構件的區別。

　　三、幕墻與門窗結構可靠度設計分析
　　1.幕墻與門窗設計使用年限與設計基準期
　　設計使用年限。GB 50068-2001對建筑結構的設計使用年限規定分為4類（見表1）。

　　參照以上結構及構件的設計使用年限規定，考慮幕墻及門窗是重要的持久性非結構構件，因此幕墻的設計使用年限應為25年，門窗設計使用年限應為10年。新修訂的國家標準《鋁合金門》和《鋁合金窗》規定門窗反復啟閉性能，門為10萬次，窗為1萬次，就是參照日本工業標準JISA4706-1996《金屬窗》的同樣規定，按照門每天開啟30次、窗每天開啟3次的10年設計使用壽命確定的。

　　設計基準期。設計基準期是為確定結構所受的可變荷載及作用和與時間有關的材料性能取值而選用的時間參數，它不等同于結構的設計使用年限。玻璃幕墻與門窗是輕質、薄壁的建筑外圍護結構與構件，易受瞬間風的破壞，為確保其安全使用，均應按設計基準期為50年確定，即能承受50年重現期可變荷載及作用的最大值。我國《建筑外窗抗風壓性能分級及其檢測方法》(GB7106-86)制定時，就是參照英國門窗設計風荷載標準規定，采用50年一遇瞬時風速風壓為安全設計風荷載和相應的安全檢測壓力差值，并以此作為窗的抗風壓性能分級值。

　　2.幕墻與門窗所受的荷載與作用
　　1）直接作用（施加在結構上的一組集中力或分布力）
　　自重荷載：由地球引力產生的組成幕墻與門窗結構的構件材料重力，其標準值按設計尺寸與材料重力密度標準值計算。它是一種在設計基準期內量值不隨時間變化，或其變化與平均值相比可忽略不計的永久作用。工程設計時是將自重轉化為按面積分布的平均面積恒載N／M2）標準值。

　　風荷載：是垂直作用于建筑幕墻、門窗表面的水平方向風的速度壓力，在設計基準期內量值隨時間變化，或其變化與平均值相比不可忽略不計的可變作用。幕墻與門窗的風荷載代表值有二種：1)標準值Wk2按《健筑荷載規范》GB 50009）計算的圍護結構風荷載標準值，它是幕墻、門窗在其設計使用期間內可能出現的最大風荷載，其按設計基準期50年一遇出現的概率為2％，即風荷載不超過該最大值的概率（保證率為98%.2）頻遇值Wd2是幕墻、門窗在其設計使用期間內時而出現的較大風荷載值Wd=0.4Wk，風荷載超越頻遇值的總持續時間T1與設計基準期T的比值為Tl/T≤0.1，即概率為10％，相當于10年一遇。

　　2）間接作用引起結構外加變形或約束變形的原因
　　地震作用：是由地震動引起的結構動態作用，根據《建筑抗震設計規范》（GB 50011-2001)規定，非結構構件的地震作用只考慮由其自身重力產生的水平方向地震作用和支座間相對位移產生的附加作用。a)常遇地震：屬于可變作用，其地震烈度50年內超越概率約為63％，重現期為50年。b)設防烈度地震：其地震烈度50年內超越概率約為10％，重現期為475年。C)罕遇地震：屬于偶然作用，其地震烈度50年內超越概率2％-3％，重現期約2000年。

　　溫度作用：環境溫度的變化使構件產生熱脹冷縮的長度變化，當這種變化受到約束時會產生應力。對這種可變作用力，工程中根據經驗采用構造方法處理時應按其最大值考慮。《高層民用建筑鋼結構技術規程》（GJ 99-98)對幕墻構件的溫度作用按其最大作用計入，即組合值系數和分項系數均取1.0，溫度作用效應的標準值按當地一年內的最大溫差計算。

　　3.幕墻與門窗的作用效應與抗力
　　1）結構抗力與構件承載能力
　　抗力是結構或構件及其材料承受作用效應的能力，如承載能力、剛度、抗裂度、強度等。抗力與作用效應相對應，結構抵抗變形的能力即剛度也是一種結構的抗力。

　　承載能力是構件所能承受的最大內力，或達到不適于繼續承載的變形時的內力。

　　強度是材料抵抗破壞的能力，即材料截面所能承受的最大應力。

　　2）結構抗力的層次
　　整體結構抗力：如門窗幕墻整體結構承受風荷載的能力：

　　構件抗力：如豎框構件在自重軸力和風壓彎矩作用下的承載能力；

　　構件截面抗力：構件截面抗彎、抗剪的能力；

　　4.幕墻與門窗結構體系的可靠度與構件的可靠度
　　結構體系是由多個構件組成的，整體結構的失效是由單個構件的失效引起的，由各個構件的失效概率估算整體結構的失效概率是結構體系可靠度分析的主要內容。然而，承載力的驗算一般是針對構件的，一般所說的結構可靠度主要是指構件截面的可靠度，它不等同于結構體系的可靠度。應根據結構的傳力路徑和失效路徑，分析各個構件的各種失效模式中失效概率大而又對結構體系的失效概率有明顯影響的主要失效模式，是掌握體系可靠度的關鍵。

　　5.幕墻與門窗的結構特點與可靠度分析要點
　　1）幕墻與門窗的結構特點
　　幕墻與門窗分別是懸掛和鑲嵌在建筑主體結構框架上的連續性的墻體結構和局部性的啟閉部件，都是由脆性的玻璃面板和延性的金屬構件組成的完整的非承重結構體系。幕墻與門窗傳遞自重及外部荷載作用的路徑基本是一樣的：玻璃面板——橫框架——豎框架——主體結構。所不同的是幕墻的荷載作用最終是由豎框架的錨固點以點傳遞方式傳至主體結構，而門窗的荷載作用最終是由四周邊框錨固點近似以線傳遞方式傳至洞口結構。因而，幕墻的豎框（立柱)和門窗的中橫框或中豎框就是幕墻和門窗結構體系的主要受力構件。如果主要受力構件抵抗風壓等作用變形的抗力不足則會造成玻璃面板的脆性破壞失效。

　　2）幕墻與門窗結構可靠度分析要點
　　考慮幕墻與門窗結構整體體系的可靠度、構件的可靠度二個層次，宜按結構體系進行可靠度設計，根據結構破壞特點選定主要破壞模式，控制和調整關鍵構件的失效概率，提高整個結構可靠度設計的合理性。

　　脆性構件（玻璃面板）的可靠度應高于延性構件金屬框架）的可靠度。

　　構件的抗力或承載力由低到高的順序應是：a)玻璃：b)玻璃與框架的連接：c)框架：d)框架構件連接們窗框與扇的配件連接：e)框架與主體結構的錨固連接：f)支承幕墻的結構構件和門窗洞口結構構什。

　　非結構構件的設計使用年限、安全等級、重要性及可靠度不應高于結構構件。

　　6.幕墻與門窗的結構極限狀態設計表達式
　　為便于采用基本變量的標準值進行設計，使結構獲得較好的可靠度一致性，根據我國標準規范，幕墻與門窗極限狀態方程轉化為多個分項系數的極限狀態設計通用表達式：

　　7.荷載與作用效應的基本組合
　　1)無地震作用的基本組合：根據《建筑結構荷載規范》，為風荷載起控制作用的組合：

　　2)有地震作用的基本組合：根據《建筑抗震設計規范》，為地震作用起控制作用的組合：

　　我國《高層民用建筑鋼結構技術規程》（GJ 99-98）規定：對于主體建筑鋼結構構件的作用效應組合及其幕墻構件的連接鋼件和緊固件的作用效應組合，風荷載組合值系數應該取0.2。

　　8.構件材料的結構設計可靠度水平(設計安全度)
　　1)結構設計安全度確定的校準法
　　采剛以荷載和作用的標準值以及材料性能標準值為基礎的多個分項系數的極限狀態設計法，首先要確定構件材料性能標準值與載和作用的標準值之間的總安全度即可靠度水平。我國建筑結構規范和建筑幕墻規范均采用國際上實際應用的校準法，就是通過對現行設計規范下的結構進行可靠度分析，經綜合調整來確定未來結構設計可靠度。其特點是對不同破壞后果的結構及不同破壞性質的構件采剛不問的可靠度水平，但在總體上基本保持新舊規范可靠度水平的一致性。我國結構設計統一標準和荷載規范規定的永久荷載分項系數ΥC和可變倚載分項系數ΥQ，是在荷載標準值已給定的前提下，使按極限狀態設計表達式所得的各類結構構件的可靠指標與規定的目標可靠指標之間在總體上誤差最小為原則經優化后選定的。對于幕墻結構設計來說，起控制作用的可變作用風荷載分項系數Υw和水平地震作用分項系數Υeh分別為1.4和1.3，因此取可變荷載分項系數Υq=1.4。按構件材料性能標準與荷載和作用的標準值之間的總安全度K=ΥqΥm，分別選定不同構件材料的總安全度K，計算材料性能分項系數Υm=K/Υq，  從而得到材料性能設計值。

　　2)玻璃板的總安全系數
　（1）玻璃板的破壞特征與概率。玻璃是典型的脆性材料，沒有屈服點，在其應力—應變直線超過彈性極限后立即斷裂。玻璃破壞的特征是表面微裂紋在拉應力下斷裂，破壞強度是離散的，  并與支承條件、加載速率和負載持續時間有關。由于玻璃破裂起源于表面微裂紋，其數量、尺寸、形狀不一且分布無規則，故決定了玻璃斷裂強度本質上具有統計性。美國、日本、英國、澳人利亞等國家都是在人量玻璃風壓破壞試驗的基礎上，采用統計的方法分析得出玻璃的風壓設計圖或半理論半經驗強度計算公式。各有關國家和我國進行的玻璃試驗證明，四邊支承的普通浮法玻璃的平均破壞荷載相對于風荷載標準值的安全系數為2.5，破壞概率為l/1000。

　　（2）我國玻璃幕墻規范和建筑玻璃應用技術規程規定的玻璃總安全系數K=2.5。幕墻規范取K=Υm=1.4，取K2=Υm=k/Υm=2.5=1.785，則確定玻璃的強度設計值fk=fk/1.785。《玻璃幕墻工程技術規范》（GJ102—96）給出的玻璃強度設計值是按日本的玻璃強度標準位fk除以1.785確定的。

　　3)鋁合金型材的總安全系數
　（1）鋁合金型材總安全系數K：6063鋁合金建筑型材是伸長率≥8％的延性材料，其屈服階段沒有明顯的流幅，以規定非比例伸長應力σp0.2作為屈服強度。世界各國鋁合金結構設計的安全系數一般為1.6-1.8，美國鋁業協會《鋁結構設計規范》規定“采用屈服強度計算許用應力的建筑型構件的安全系數為1.65”，我國《玻璃幕墻工程技術規范》（JGJ 102-96)編制時認為鋁型材強度離散較大，所以規定鋁合金型材的總安全系數K=1.8，可靠度要求是高的。從一些型材廠收集的100個試樣資料進行分析計算驗證，證明這100個試樣對于國家標準《鋁合金建筑型材》GB/T5237—2000規定的σp0.2=110MPa的保證概率為99.73％。考慮到門窗的結構重要性應比幕墻略低一些，廣東省標準《鋁合金門窗工程設計、施工及驗收規范》DB-15-30-2002規定鋁合金門窗型材的總安全系數為1.65。

　（2）鋁合金型材的強度設計值：幕墻鋁型材的材料性能分項系數K2=Υm=1.8/1.4=1.286，門窗鋁型材的材料性能分項系數K2=Υm=1.65/1.4=1.178。鋁型材的抗拉、抗壓強度設計值均按其條件屈服強度標準值σp0.2除以幕墻或門窗型材的材料性能分項系數Υw求得，抗剪強度設計值是抗拉壓強度設計值的0.58倍，但抗擠壓強度設計值《規范》以前沒有規定，本次修訂的征求意見稿欲參照《鋼結構設計規范》的端面承壓強度設計值，規定鋁型材的局部承壓強度設計值按其抗拉強度標準值σb的0.75倍計算。我們認為，幕墻與門窗框架及扇梃鋁合金型材構件連接常用的鉚榫、螺栓、螺釘等非焊接的機械聯接中，與剪切同時出現的擠壓，與鋼結構連接時的端面刨平頂緊的端面承壓有所不同，而且，根據設計要求并為保證其材料強度設計值可靠度水平的同一基準，應按照以條件屈服強度σp0.2為基礎的抗拉（壓）強度設計值的適當倍數確定。

　　（3）各種鋼及不銹鋼連接件和緊固件的總安全系數和材料強度設計值：應按《鋼結構設計規范》GB 50017的規定，總安全系數為1.55，材料性能分項系數K2=Υm=1.107。

　　4)硅酮結構密封膠的總安全系數
　　（1）玻璃的結構性膠接裝配特點：隱框玻璃幕墻膠接技術，是采用主要成分為聚硅氧烷的硅酮結構密封膠，直接將玻璃與鋁合金框架粘接起來，形成耐老化、高性能的硅酮橡膠彈性體，來傳遞玻璃面板所受的荷裁并承受玻璃與金屬支承框架之間由于各種作而產生的相對位移。這種膠接結構代替了傳統的明框鑲嵌槽機械性裝配，幕墻所受的自重、風荷載、溫度變化等作用全靠結構膠承受，幾十年來的經驗證明，硅酮結構膠與玻璃和鋁合金型材表面在滿足相容性情況下的界面粘接能力要高于其膠體本身的內聚力，對其進行性能檢測時只允許發生內聚破壞，而不允許發生粘接破壞。

  （2）結構膠的總安全系數：考慮到結構膠接技術的多種不定性因素及其失效后果的嚴重性，我國《玻璃幕墻工程技術規范》對膠縫設計采用了國際上通用的允許應力設計方法，即結構膠的拉伸粘接強度的標準值對荷載及作用標準值的總安全系數K=5，SK<=5，SK<=Rk/K，按國際上規定的硅酮結構密封膠的拉伸粘接強度的標準值作為短期荷載極限強度Fk1=0.7MPa，長期荷載極限強度FK2是短期極限強度FK1的1/20，即FK2=0.035MPa。各取總安全系數K=5，確定短期荷載強度設計允許值F1=0.1MPa，長期荷載強度允許值F2=0.007MPa，實際上這個長期荷載強度允許值是硅酮結構密封膠的拉伸粘接強度標準值的l/100。□

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