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玻璃幕墙与门窗结构可靠度设计问题探讨

来源:中国门窗&配套材料网 　作者:* 　日期:2009-9-14
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　　 一、前言
　　玻璃幕墙从1985年开始在我国应用，它是在铝合金门窗的基础上随着高层建筑的兴起而发展起来的轻质建筑外围护结构。

　　2002年，我国开始实施新修订的《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB 50068-2001）和《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）及颈建筑抗震设计规范》（GB 50011-2001）三
　　 一、前言
　　玻璃幕墙从1985年开始在我国应用，它是在铝合金门窗的基础上随着高层建筑的兴起而发展起来的轻质建筑外围护结构。


　　2002年，我国开始实施新修订的《建筑结构可靠度设计统一标准》（GB 50068-2001）和《建筑结构荷载规范》（GB50009-2001）及颈建筑抗震设计规范》（GB 50011-2001）三项国家标准。作为对建筑物理功能和人的安全有重大影响的建筑外围护结构与构件，幕墙与门窗必须按照这些标准进行设计，以保证其足够的可靠度。


　　铝合金玻璃幕墙与门窗是世界上应用最为成熟和目前应用最为广泛的金属框架建筑幕墙和门窗。我国《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ102-96)目前正在进行修订，《铝合金门窗工程技术规程》于2002年8月开始编制，尚未有建筑门窗工程设计规范。认真总结国内外技术与经验，对它们进行结构可靠度设计研究，正确编制我国的玻璃幕墙与门窗技术标准规范，以逐步建立起各种材料及型式的建筑幕墙与门窗结构可靠度设计、评估理论体系，对我国建筑幕墙与门窗工程实践和技术发展有着重要的现实意义和深远的历史意义。


　　二、建筑结构可靠度分析与设计原理
　　1.结构的可靠性
　　建筑结构是组成工业与民用房屋建筑包括基础在内的承重骨架体系，其必须满足的基本功能要求是：（1）安全性：在正常施工和正常使用时能承受可能出现的各种作用：在设计规定的偶然事件发生时（如地震、火灾等）及发生后，仍能保持必需的整体稳定性；（2）适用性：在正常使用时具有良好的工作性能；（3）耐久性：在正常维护下具有足够的耐久性能。


　　结构的可靠性是结构安全性、适用性和耐久性的统称，是结构在规定的时间内和规定的条件下，完成预定功能的能力。


　　2.结构的可靠度
　　结构的极限状态设计要求。影响结构可靠性的各种随机因素可归纳为二个均为随机变量的综合变量即结构的作用效应S和抗力R，结构的功能函数Z=g（R，5）=R-S也是随机变量。当Z>0时，结构处于可靠状态：当Z<0时，结构处于失效状态：当Z=R-S=0时。结构处于极限状态。结构的极限状态设计要求为：R-S>=O，即结构的抗力要大于等于其作用效应。


　　结构的概率可靠度。由于影响结构可靠性的各种因素中荷载与作用的效应是变化不定的，结构的抗力R也是不确定的(构件材料性能不确定性、几何参数不确定性、计算模式不确定性)，因此结构设计所要求的Z=R-S>=0的可靠目标不可能绝对保证，只能在一定的概率意义下满足，即P（R>=S）=P，是结构的可靠概率。所以说，结构的可靠度是结构可靠性的定量描述，即结构在规定的时间内，在规定的条件下，完成预定功能的概率。而结构的失效概率Pf=1-PI。由于结构的失效概率一般为小概率事件，失效概率对结构可靠度的把握史为直观，所以工程结构可靠度分析一般计算结构失效概率。


　　3.结构的可靠度分析与设计
　　根据人对不同安全等级的建筑结构的基本功能要求，在一定的设计基准期内对结构和构件及其连接在不同的设计比况(持久状况、短暂状况、偶然状况)下，分别进行正常使用极限状态和承载能力极限状态的概率可靠度设计，以保证建筑结构在其规定的设计使用年限内具有足够的可靠度。


　　4.幕墙与门窗结构可靠度设计的必要性和可能性
　　建筑幕墙是由各种墙面板与支承体系（支承装置与支承结构）组成的、不承受主体结构重力的建筑外围护墙体结构。门窗是房屋外围护结构开口部位的功能性部件（组合构件）。幕墙与门窗是持久性的建筑非结构构件（建筑中除承重骨架体系以外的固定构件和部件，主要包括非承重墙体等附着于主体结构的装饰构件和部件等）。因此，虽然《建筑结构可靠度设计统一标准》和《建筑结构荷载规范》是适用于各种建筑结构及构件的，但是考虑到幕墙和门窗是对建筑物理功能、使用者和社会公众的安全有重大影响的外围护结构和构件，而且其所受荷载作用及力学特点与建筑主体结构类似，所以幕墙和门窗应该有必要而且可以按照上述《标准》和《规范》进行结构可靠度设计及计算，但是要掌握非结构构件与主体结构构件的区别。


　　三、幕墙与门窗结构可靠度设计分析
　　1.幕墙与门窗设计使用年限与设计基准期
　　设计使用年限。GB 50068-2001对建筑结构的设计使用年限规定分为4类（见表1）。

　　参照以上结构及构件的设计使用年限规定，考虑幕墙及门窗是重要的持久性非结构构件，因此幕墙的设计使用年限应为25年，门窗设计使用年限应为10年。新修订的国家标准《铝合金门》和《铝合金窗》规定门窗反复启闭性能，门为10万次，窗为1万次，就是参照日本工业标准JISA4706-1996《金属窗》的同样规定，按照门每天开启30次、窗每天开启3次的10年设计使用寿命确定的。


　　设计基准期。设计基准期是为确定结构所受的可变荷载及作用和与时间有关的材料性能取值而选用的时间参数，它不等同于结构的设计使用年限。玻璃幕墙与门窗是轻质、薄壁的建筑外围护结构与构件，易受瞬间风的破坏，为确保其安全使用，均应按设计基准期为50年确定，即能承受50年重现期可变荷载及作用的最大值。我国《建筑外窗抗风压性能分级及其检测方法》(GB7106-86)制定时，就是参照英国门窗设计风荷载标准规定，采用50年一遇瞬时风速风压为安全设计风荷载和相应的安全检测压力差值，并以此作为窗的抗风压性能分级值。


　　2.幕墙与门窗所受的荷载与作用
　　1）直接作用（施加在结构上的一组集中力或分布力）
　　自重荷载：由地球引力产生的组成幕墙与门窗结构的构件材料重力，其标准值按设计尺寸与材料重力密度标准值计算。它是一种在设计基准期内量值不随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略不计的永久作用。工程设计时是将自重转化为按面积分布的平均面积恒载N／M2）标准值。


　　风荷载：是垂直作用于建筑幕墙、门窗表面的水平方向风的速度压力，在设计基准期内量值随时间变化，或其变化与平均值相比不可忽略不计的可变作用。幕墙与门窗的风荷载代表值有二种：1)标准值Wk2按 《健筑荷载规范》GB 50009）计算的围护结构风荷载标准值，它是幕墙、门窗在其设计使用期间内可能出现的最大风荷载，其按设计基准期50年一遇出现的概率为2％，即风荷载不超过该最大值的概率（保证率为98%.2）频遇值Wd2是幕墙、门窗在其设计使用期间内时而出现的较大风荷载值Wd=0.4Wk，风荷载超越频遇值的总持续时间T1与设计基准期T的比值为Tl/T≤0.1，即概率为10％，相当于10年一遇。


　　2）间接作用引起结构外加变形或约束变形的原因
　　地震作用：是由地震动引起的结构动态作用，根据《建筑抗震设计规范》（GB 50011-2001)规定，非结构构件的地震作用只考虑由其自身重力产生的水平方向地震作用和支座间相对位移产生的附加作用。a)常遇地震：属于可变作用，其地震烈度50年内超越概率约为63％，重现期为50年。b)设防烈度地震：其地震烈度50年内超越概率约为10％，重现期为475年。C)罕遇地震：属于偶然作用，其地震烈度50年内超越概率2％-3％，重现期约2000年。


　　温度作用：环境温度的变化使构件产生热胀冷缩的长度变化，当这种变化受到约束时会产生应力。对这种可变作用力，工程中根据经验采用构造方法处理时应按其最大值考虑。《高层民用建筑钢结构技术规程》（GJ 99-98)对幕墙构件的温度作用按其最大作用计入，即组合值系数和分项系数均取1.0，温度作用效应的标准值按当地一年内的最大温差计算。


　　3.幕墙与门窗的作用效应与抗力
　　1）结构抗力与构件承载能力
　　抗力是结构或构件及其材料承受作用效应的能力，如承载能力、刚度、抗裂度、强度等。抗力与作用效应相对应，结构抵抗变形的能力即刚度也是一种结构的抗力。

　　承载能力是构件所能承受的最大内力，或达到不适于继续承载的变形时的内力。

　　强度是材料抵抗破坏的能力，即材料截面所能承受的最大应力。


　　2）结构抗力的层次
　　整体结构抗力：如门窗幕墙整体结构承受风荷载的能力：

　　构件抗力：如竖框构件在自重轴力和风压弯矩作用下的承载能力；

　　构件截面抗力：构件截面抗弯、抗剪的能力；


　　4.幕墙与门窗结构体系的可靠度与构件的可靠度
　　结构体系是由多个构件组成的，整体结构的失效是由单个构件的失效引起的，由各个构件的失效概率估算整体结构的失效概率是结构体系可靠度分析的主要内容。然而，承载力的验算一般是针对构件的，一般所说的结构可靠度主要是指构件截面的可靠度，它不等同于结构体系的可靠度。应根据结构的传力路径和失效路径，分析各个构件的各种失效模式中失效概率大而又对结构体系的失效概率有明显影响的主要失效模式，是掌握体系可靠度的关键。


　　5.幕墙与门窗的结构特点与可靠度分析要点
　　1）幕墙与门窗的结构特点
　　幕墙与门窗分别是悬挂和镶嵌在建筑主体结构框架上的连续性的墙体结构和局部性的启闭部件，都是由脆性的玻璃面板和延性的金属构件组成的完整的非承重结构体系。幕墙与门窗传递自重及外部荷载作用的路径基本是一样的：玻璃面板——横框架——竖框架——主体结构。所不同的是幕墙的荷载作用最终是由竖框架的锚固点以点传递方式传至主体结构，而门窗的荷载作用最终是由四周边框锚固点近似以线传递方式传至洞口结构。因而，幕墙的竖框（立柱)和门窗的中横框或中竖框就是幕墙和门窗结构体系的主要受力构件。如果主要受力构件抵抗风压等作用变形的抗力不足则会造成玻璃面板的脆性破坏失效。


　　2）幕墙与门窗结构可靠度分析要点
　　考虑幕墙与门窗结构整体体系的可靠度、构件的可靠度二个层次，宜按结构体系进行可靠度设计，根据结构破坏特点选定主要破坏模式，控制和调整关键构件的失效概率，提高整个结构可靠度设计的合理性。


　　脆性构件（玻璃面板）的可靠度应高于延性构件金属框架）的可靠度。

　　构件的抗力或承载力由低到高的顺序应是：a)玻璃：b)玻璃与框架的连接：c)框架：d)框架构件连接们窗框与扇的配件连接：e)框架与主体结构的锚固连接：f)支承幕墙的结构构件和门窗洞口结构构什。

　　非结构构件的设计使用年限、安全等级、重要性及可靠度不应高于结构构件。

　　6.幕墙与门窗的结构极限状态设计表达式
　　为便于采用基本变量的标准值进行设计，使结构获得较好的可靠度一致性，根据我国标准规范，幕墙与门窗极限状态方程转化为多个分项系数的极限状态设计通用表达式：

　　7.荷载与作用效应的基本组合
　　1)无地震作用的基本组合：根据《建筑结构荷载规范》，为风荷载起控制作用的组合：

　　2)有地震作用的基本组合：根据《建筑抗震设计规范》，为地震作用起控制作用的组合：

　　我国《高层民用建筑钢结构技术规程》（GJ 99-98）规定：对于主体建筑钢结构构件的作用效应组合及其幕墙构件的连接钢件和紧固件的作用效应组合，风荷载组合值系数应该取0.2。

　　8.构件材料的结构设计可靠度水平(设计安全度)
　　1)结构设计安全度确定的校准法
　　采刚以荷载和作用的标准值以及材料性能标准值为基础的多个分项系数的极限状态设计法，首先要确定构件材料性能标准值与载和作用的标准值之间的总安全度即可靠度水平。我国建筑结构规范和建筑幕墙规范均采用国际上实际应用的校准法，就是通过对现行设计规范下的结构进行可靠度分析，经综合调整来确定未来结构设计可靠度。其特点是对不同破坏后果的结构及不同破坏性质的构件采刚不问的可靠度水平，但在总体上基本保持新旧规范可靠度水平的一致性。我国结构设计统一标准和荷载规范规定的永久荷载分项系数ΥC和可变倚载分项系数ΥQ，是在荷载标准值已给定的前提下，使按极限状态设计表达式所得的各类结构构件的可靠指标与规定的目标可靠指标之间在总体上误差最小为原则经优化后选定的。对于幕墙结构设计来说，起控制作用的可变作用风荷载分项系数Υw和水平地震作用分项系数Υeh分别为1.4和1.3，因此取可变荷载分项系数Υq=1.4。按构件材料性能标准与荷载和作用的标准值之间的总安全度K=ΥqΥm，分别选定不同构件材料的总安全度K，计算材料性能分项系数Υm=K/Υq，  从而得到材料性能设计值。

　　2)玻璃板的总安全系数
　（1）玻璃板的破坏特征与概率。玻璃是典型的脆性材料，没有屈服点，在其应力—应变直线超过弹性极限后立即断裂。玻璃破坏的特征是表面微裂纹在拉应力下断裂，破坏强度是离散的，  并与支承条件、加载速率和负载持续时间有关。由于玻璃破裂起源于表面微裂纹，其数量、尺寸、形状不一且分布无规则，故决定了玻璃断裂强度本质上具有统计性。美国、日本、英国、澳人利亚等国家都是在人量玻璃风压破坏试验的基础上，采用统计的方法分析得出玻璃的风压设计图或半理论半经验强度计算公式。各有关国家和我国进行的玻璃试验证明，四边支承的普通浮法玻璃的平均破坏荷载相对于风荷载标准值的安全系数为2.5，破坏概率为l/1000。

　　（2）我国玻璃幕墙规范和建筑玻璃应用技术规程规定的玻璃总安全系数K=2.5。幕墙规范取K=Υm=1.4，取K2=Υm=k/Υm=2.5=1.785，则确定玻璃的强度设计值fk=fk/1.785。《玻璃幕墙工程技术规范》（GJ102—96）给出的玻璃强度设计值是按日本的玻璃强度标准位fk除以1.785确定的。


　　3)铝合金型材的总安全系数
　（1）铝合金型材总安全系数K：6063铝合金建筑型材是伸长率≥8％的延性材料，其屈服阶段没有明显的流幅，以规定非比例伸长应力σp0.2作为屈服强度。世界各国铝合金结构设计的安全系数一般为1.6-1.8，美国铝业协会《铝结构设计规范》规定“采用屈服强度计算许用应力的建筑型构件的安全系数为1.65”，我国《玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ 102-96)编制时认为铝型材强度离散较大，所以规定铝合金型材的总安全系数K=1.8，可靠度要求是高的。从一些型材厂收集的100个试样资料进行分析计算验证，证明这100个试样对于国家标准《铝合金建筑型材》GB/T5237—2000规定的σp0.2=110MPa的保证概率为99.73％。考虑到门窗的结构重要性应比幕墙略低一些，广东省标准《铝合金门窗工程设计、施工及验收规范》DB-15-30-2002规定铝合金门窗型材的总安全系数为1.65。

　（2）铝合金型材的强度设计值：幕墙铝型材的材料性能分项系数K2=Υm=1.8/1.4=1.286，门窗铝型材的材料性能分项系数K2=Υm=1.65/1.4=1.178。铝型材的抗拉、抗压强度设计值均按其条件屈服强度标准值σp0.2除以幕墙或门窗型材的材料性能分项系数Υw求得，抗剪强度设计值是抗拉压强度设计值的0.58倍，但抗挤压强度设计值《规范》以前没有规定，本次修订的征求意见稿欲参照《钢结构设计规范》的端面承压强度设计值，规定铝型材的局部承压强度设计值按其抗拉强度标准值σb的0.75倍计算。我们认为，幕墙与门窗框架及扇梃铝合金型材构件连接常用的铆榫、螺栓、螺钉等非焊接的机械联接中，与剪切同时出现的挤压，与钢结构连接时的端面刨平顶紧的端面承压有所不同，而且，根据设计要求并为保证其材料强度设计值可靠度水平的同一基准，应按照以条件屈服强度σp0.2为基础的抗拉（压）强度设计值的适当倍数确定。

　　（3）各种钢及不锈钢连接件和紧固件的总安全系数和材料强度设计值：应按《钢结构设计规范》GB 50017的规定，总安全系数为1.55，材料性能分项系数K2=Υm=1.107。

　　4)硅酮结构密封胶的总安全系数
　　（1）玻璃的结构性胶接装配特点：隐框玻璃幕墙胶接技术，是采用主要成分为聚硅氧烷的硅酮结构密封胶，直接将玻璃与铝合金框架粘接起来，形成耐老化、高性能的硅酮橡胶弹性体，来传递玻璃面板所受的荷裁并承受玻璃与金属支承框架之间由于各种作而产生的相对位移。这种胶接结构代替了传统的明框镶嵌槽机械性装配，幕墙所受的自重、风荷载、温度变化等作用全靠结构胶承受，几十年来的经验证明，硅酮结构胶与玻璃和铝合金型材表面在满足相容性情况下的界面粘接能力要高于其胶体本身的内聚力，对其进行性能检测时只允许发生内聚破坏，而不允许发生粘接破坏。

  （2）结构胶的总安全系数：考虑到结构胶接技术的多种不定性因素及其失效后果的严重性，我国《玻璃幕墙工程技术规范》对胶缝设计采用了国际上通用的允许应力设计方法，即结构胶的拉伸粘接强度的标准值对荷载及作用标准值的总安全系数K=5，SK<=5，SK<=Rk/K，按国际上规定的硅酮结构密封胶的拉伸粘接强度的标准值作为短期荷载极限强度Fk1=0.7MPa，长期荷载极限强度FK2是短期极限强度FK1的1/20，即FK2=0.035MPa。各取总安全系数K=5，确定短期荷载强度设计允许值F1=0.1MPa，长期荷载强度允许值F2=0.007MPa，实际上这个长期荷载强度允许值是硅酮结构密封胶的拉伸粘接强度标准值的l/100。□
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