玻璃幕墻與門窗結構可靠度設計問題探討

　　一、前言

    玻璃幕墻是1985年以來開始在我國應用的建筑幕墑，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。

    我國2002年開始實施新修訂的{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。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構與構件，必須按照這些標準及其強制性條文的要求進行結構設計計算，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用最為成熟和目前應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墑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墑與門窗結構可靠度設計、評估理論體系，對我國建筑幕墑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，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

   (1)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。

    (2)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，以保證建筑結構在具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

    建筑幕墑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擴墻體結構。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擴結構和構件，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

    1)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

    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25a，門窗設計使用年限應為10a。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10a設計使用壽命確定的。

    2)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50a確定，即能承受50a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50a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)

    ①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。

    ②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)計算的圍擴結構風荷載標準值，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50a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%o  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lOa一遇。

    2)間接作用引起結構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50a內超越概率約為63％，重現期為50a。  b)設防烈度地震：其地震烈度50a內超越概率約為10％，重現期為475a。C)罕遇地震：屬于偶然作用，其地震烈度50a內超越概率2％-3％，重現期約2 000a。

    2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。對這種可變作剛，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他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

    ①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。

    ②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。

    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力。

    2)結構抗力的層次
    ①整體結構抗力：如門窗幕墻整體結構承受風荷載的能力：

    ②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；

    ③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。