玻璃幕墻與門窗結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計問題探討

　　一、前言

    玻璃幕墻是1985年以來開始在我國應(yīng)用的建筑幕墑，它是在鋁合金門窗的基礎(chǔ)上隨著高層建筑的興起而發(fā)展起來的輕質(zhì)建筑外圍護結(jié)構(gòu)。

    我國2002年開始實施新修訂的{建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準  (GB 50068-2001)和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2001)及頸建筑抗震設(shè)計規(guī)范》(GB 50011-2001)三項國家標準。幕墑與門窗作為對建筑物理功能和人的安全使用有重大影響的建筑外圍護結(jié)構(gòu)與構(gòu)件，必須按照這些標準及其強制性條文的要求進行結(jié)構(gòu)設(shè)計計算，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(yīng)用最為成熟和目前應(yīng)用最為廣泛的金屬框架建筑幕墑和門窗。我國《玻璃幕墑工程技術(shù)規(guī)范》(JGJ102-96)目前正在進行修訂，《鋁合金門窗工程技術(shù)規(guī)程》于2002年8月開始編制，尚未有建筑門窗工程設(shè)計規(guī)范。認真總結(jié)國內(nèi)外技術(shù)與經(jīng)驗，對它們進行結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計研究，正確編制我國的玻璃幕墑與門窗技術(shù)標準規(guī)范，以逐步建立起各種材料及型式的建筑幕墑與門窗結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計、評估理論體系，對我國建筑幕墑與門窗工程實踐和技術(shù)發(fā)展有著重要的現(xiàn)實意義和深遠的歷史意義。

    二、建筑結(jié)構(gòu)可靠度分析與設(shè)計原理

    1．結(jié)構(gòu)的可靠性

    建筑結(jié)構(gòu)是組成工業(yè)與民用房屋建筑包括基礎(chǔ)在內(nèi)的承重骨架體系，具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(xiàn)的各種作用：在設(shè)計規(guī)定的偶然事件發(fā)生時(如地震、火災(zāi)等)及發(fā)生后，仍能保持必需的整體穩(wěn)定性：(2)適剛性：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(jié)構(gòu)的可靠性是結(jié)構(gòu)安全性、適用性和耐久性的統(tǒng)稱，是結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)和規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的能力。

    2．結(jié)構(gòu)的可靠度

   (1)結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)設(shè)計要求

    影響結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的作用效應(yīng)S和抗力R，結(jié)構(gòu)的功能函數(shù)Z=g(R，5)=R-S也是隨機變量。當Z>0時，結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)：當Z<0時，結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)：當Z=R-S=0時。結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)。結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)設(shè)計要求為：R-S>=O，即結(jié)構(gòu)的抗力要大于等于其作用效應(yīng)。

    (2)結(jié)構(gòu)的概率可靠度

    由于影響結(jié)構(gòu)可靠性的各種因素中荷載與作用的效應(yīng)是變化不定的，結(jié)構(gòu)的抗力R也是不確定的(構(gòu)件材料性能不確定性、幾何參數(shù)不確定性、計算模式不確定性)，因此結(jié)構(gòu)設(shè)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(jié)構(gòu)的可靠概率。所以說，結(jié)構(gòu)的可靠度是結(jié)構(gòu)可靠性的定量描述，即結(jié)構(gòu)在規(guī)定的時間內(nèi)，在規(guī)定的條件下，完成預(yù)定功能的概率。而結(jié)構(gòu)的失效概率Pf=1-PI。由于結(jié)構(gòu)的失效概率一般為小概率事件，失效概率對結(jié)構(gòu)可靠度的把握史為直觀，所以工程結(jié)構(gòu)可靠度分析一般計算結(jié)構(gòu)失效概率。

    3．結(jié)構(gòu)的可靠度分析與設(shè)計

    根據(jù)人對不同安全等級的建筑結(jié)構(gòu)的基本功能要求，在一定的設(shè)計基準期內(nèi)對結(jié)構(gòu)和構(gòu)件及其連接在不同的設(shè)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(tài)和承載能力極限狀態(tài)的概率可靠度設(shè)計，以保證建筑結(jié)構(gòu)在具規(guī)定的設(shè)計使用年限內(nèi)具有足夠的可靠度。

    4、幕墻與門窗結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計的必要性和可能性

    建筑幕墑是由各種墻面板與支承體系  (支承裝置與支承結(jié)構(gòu))組成的、不承受主體結(jié)構(gòu)重力的建筑外圍擴墻體結(jié)構(gòu)。門窗是房屋外圍護結(jié)構(gòu)開口部位的功能性部件（組合構(gòu)件）。幕墻與門窗是持久性的建筑非結(jié)構(gòu)構(gòu)件（建筑中除承重骨架體系以外的固定構(gòu)件和部件，主要包括非承重墻體等附著于主體結(jié)構(gòu)的裝飾構(gòu)件和部件等)。因此，雖然《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計統(tǒng)一標準》和《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》是適用于各種建筑結(jié)構(gòu)及構(gòu)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擴結(jié)構(gòu)和構(gòu)件，而且其所受荷載作用及力學(xué)特點與建筑主體結(jié)構(gòu)類似，所以幕墻和門窗應(yīng)該有必要而且可以按照上述《標準》和《規(guī)范》進行結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計及計算，但是要掌握非結(jié)構(gòu)構(gòu)件與主體結(jié)構(gòu)構(gòu)件的區(qū)別。

    三、幕墻與門窗結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計分析

    1．幕墻與門窗設(shè)計使用年限與設(shè)計基準期

    1)設(shè)計使用年限

    GB 50068-2001對建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限規(guī)定分為4類

    參照以上結(jié)構(gòu)及構(gòu)件的設(shè)計使用年限規(guī)定，考慮幕墻及門窗是重要的持久性非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，  因此幕墻的設(shè)計使用年限應(yīng)為25a，門窗設(shè)計使用年限應(yīng)為10a。新修訂的國家標準《鋁合金門》和《鋁合金窗》規(guī)定門窗反復(fù)啟閉性能，門為10萬次，窗為1萬次，就是參照日本工業(yè)標準JISA4706-1996《金屬窗》的同樣規(guī)定，按照門每天開啟30次、窗每天開啟3次的10a設(shè)計使用壽命確定的。

    2)設(shè)計基準期

   設(shè)計基準期是為確定結(jié)構(gòu)所受的可變荷載及作用和與時間有關(guān)的材料性能取值而選用的時間參數(shù)，它不等同于結(jié)構(gòu)的設(shè)計使用年限。玻璃幕墻與門窗是輕質(zhì)、薄壁的建筑外圍護結(jié)構(gòu)與構(gòu)件，易受瞬間風(fēng)的破壞，為確保其安全使用，均應(yīng)按設(shè)計基準期為50a確定，即能承受50a重現(xiàn)期可變荷載及作用的最大值。我國《建筑外窗抗風(fēng)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(shè)計風(fēng)荷載標準規(guī)定，采用50a一遇瞬時風(fēng)速風(fēng)壓為安全設(shè)計風(fēng)荷載和相應(yīng)的安全檢測壓力差值，并以此作為窗的抗風(fēng)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(jié)構(gòu)上的一組集中力或分布力)

    ①自重荷載：由地球引力產(chǎn)生的組成幕墻與門窗結(jié)構(gòu)的構(gòu)件材料重力，其標準值按設(shè)計尺寸與材料重力密度標準值計算。它是一種在設(shè)計基準期內(nèi)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(shè)計時是將自重轉(zhuǎn)化為按面積分布的平均面積恒載N／M2)標準值。

    ②風(fēng)荷載：是垂直作用于建筑幕墻、門窗表面的水平方向風(fēng)的速度壓力，在設(shè)計基準期內(nèi)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(fēng)荷載代表值有二種：1)標準值Wk2按 《健筑荷載規(guī)范》GB 50009)計算的圍擴結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載標準值，它是幕墻、門窗在其設(shè)計使用期間內(nèi)可能出現(xiàn)的最大風(fēng)荷載，其按設(shè)計基準期50a一遇出現(xiàn)的概率為2％，即風(fēng)荷載不超過該最大值的概率（保證率)為98%o  2)頻遇值Wd2是幕墻、門窗在其設(shè)計使用期間內(nèi)時而出現(xiàn)的較大風(fēng)荷載值Wd=0.4Wk，風(fēng)荷載超越頻遇值的總持續(xù)時間T1與設(shè)計基準期T的比值為Tl／T≤0．1，即概率為10％，相當于lOa一遇。

    2)間接作用引起結(jié)構(gòu)外加變形或約束變形的原因

    ①地震作用：是由地震動引起的結(jié)構(gòu)動態(tài)作用，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計規(guī)范》GB 50011-2001)規(guī)定，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震作用只考慮由其自身重力產(chǎn)生的水平方向地震作用和支座間相對位移產(chǎn)生的附加作用。  a)常遇地震：屬于可變作用，其地震烈度50a內(nèi)超越概率約為63％，重現(xiàn)期為50a。  b)設(shè)防烈度地震：其地震烈度50a內(nèi)超越概率約為10％，重現(xiàn)期為475a。C)罕遇地震：屬于偶然作用，其地震烈度50a內(nèi)超越概率2％-3％，重現(xiàn)期約2 000a。

    2溫度作用：環(huán)境溫度的變化使構(gòu)件產(chǎn)生熱脹冷縮的長度變化，當這種變化受到約束時會產(chǎn)生應(yīng)力。對這種可變作剛，工程中根據(jù)經(jīng)驗采用構(gòu)造方法處理時應(yīng)按其最大值考慮。《高層民用建筑鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)程》GJ 99-98)對幕墻構(gòu)件的溫度作用按其最大作用計入，即組合值系數(shù)和分項系數(shù)均取1.0，溫度作用效應(yīng)的標準他按當?shù)匾荒陜?nèi)的最大溫差計算。

    3．幕墻與門窗的作用效應(yīng)與抗力

    1)結(jié)構(gòu)抗力與構(gòu)件承載能力

    ①抗力是結(jié)構(gòu)或構(gòu)件及其材料承受作用效應(yīng)的能力，如承載能力、剛度、抗裂度、強度等。抗力與作用效應(yīng)相對應(yīng)，結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力即剛度也是一種結(jié)構(gòu)的抗力。

    ②承載能力是構(gòu)件所能承受的最大內(nèi)力，或達到不適于繼續(xù)承載的變形時的內(nèi)力。

    ③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(yīng)力。

    2)結(jié)構(gòu)抗力的層次
    ①整體結(jié)構(gòu)抗力：如門窗幕墻整體結(jié)構(gòu)承受風(fēng)荷載的能力：

    ②構(gòu)件抗力：如豎框構(gòu)件在自重軸力和風(fēng)壓彎矩作用下的承載能力；

    ③構(gòu)件截面抗力：構(gòu)件截面抗彎、抗剪的能力；

    4．幕墻與門窗結(jié)構(gòu)體系的可靠度與構(gòu)件的可靠度。