玻璃幕墻與門窗結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)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(hù)結(jié)構(gòu)。

    我國2002年開始實(shí)施新修訂的{建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)  (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(jì)規(guī)范》(GB 50011-2001)三項(xiàng)國家標(biāo)準(zhǔn)。幕墑與門窗作為對(duì)建筑物理功能和人的安全使用有重大影響的建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)與構(gòu)件，必須按照這些標(biāo)準(zhǔn)及其強(qiáng)制性條文的要求進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)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(jìn)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(jì)規(guī)范。認(rèn)真總結(jié)國內(nèi)外技術(shù)與經(jīng)驗(yàn)，對(duì)它們進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)研究，正確編制我國的玻璃幕墑與門窗技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)、評(píng)估理論體系，對(duì)我國建筑幕墑與門窗工程實(shí)踐和技術(shù)發(fā)展有著重要的現(xiàn)實(shí)意義和深遠(yuǎn)的歷史意義。

    二、建筑結(jié)構(gòu)可靠度分析與設(shè)計(jì)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(shí)能承受可能出現(xiàn)的各種作用：在設(shè)計(jì)規(guī)定的偶然事件發(fā)生時(shí)(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(shí)具有良好的工作性能：(3)耐久性：在正常維護(hù)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(shí)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(jì)要求

    影響結(jié)構(gòu)可靠性的各種隨機(jī)因素可歸納為二個(gè)均為隨機(jī)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(jī)變量。當(dāng)Z>0時(shí)，結(jié)構(gòu)處于可靠狀態(tài)：當(dāng)Z<0時(shí)，結(jié)構(gòu)處于失效狀態(tài)：當(dāng)Z=R-S=0時(shí)。結(jié)構(gòu)處于極限狀態(tài)。結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)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(jì)算模式不確定性)，因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)所要求的Z=R-S>=0的可靠目標(biāo)不可能絕對(duì)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(shí)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(duì)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(jì)算結(jié)構(gòu)失效概率。

    3．結(jié)構(gòu)的可靠度分析與設(shè)計(jì)

    根據(jù)人對(duì)不同安全等級(jí)的建筑結(jié)構(gòu)的基本功能要求，在一定的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)對(duì)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件及其連接在不同的設(shè)計(jì)比況(持久狀況、短暫狀況、偶然狀況)下，分別進(jìn)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(jì)，以保證建筑結(jié)構(gòu)在具規(guī)定的設(shè)計(jì)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(jì)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(kuò)墻體結(jié)構(gòu)。門窗是房屋外圍護(hù)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(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》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(duì)建筑物理功能、使用者和社會(huì)公眾的安全有重大影響的外圍擴(kuò)結(jié)構(gòu)和構(gòu)件，而且其所受荷載作用及力學(xué)特點(diǎn)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(biāo)準(zhǔn)》和《規(guī)范》進(jìn)行結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)及計(jì)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(jì)分析

    1．幕墻與門窗設(shè)計(jì)使用年限與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期

    1)設(shè)計(jì)使用年限

    GB 50068-2001對(duì)建筑結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)使用年限應(yīng)為25a，門窗設(shè)計(jì)使用年限應(yīng)為10a。新修訂的國家標(biāo)準(zhǔn)《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(biāo)準(zhǔn)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(jì)使用壽命確定的。

    2)設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期

   設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期是為確定結(jié)構(gòu)所受的可變荷載及作用和與時(shí)間有關(guān)的材料性能取值而選用的時(shí)間參數(shù)，它不等同于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)使用年限。玻璃幕墻與門窗是輕質(zhì)、薄壁的建筑外圍護(hù)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(jì)基準(zhǔn)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(jí)及其檢測(cè)方法》(GB7106-86)制定時(shí)，就是參照英國門窗設(shè)計(jì)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，采用50a一遇瞬時(shí)風(fēng)速風(fēng)壓為安全設(shè)計(jì)風(fēng)荷載和相應(yīng)的安全檢測(cè)壓力差值，并以此作為窗的抗風(fēng)壓性能分級(jí)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(biāo)準(zhǔn)值按設(shè)計(jì)尺寸與材料重力密度標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算。它是一種在設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)量值不隨時(shí)間變化，或其變化與平均值相比可忽略不計(jì)的永久作用。工程設(shè)計(jì)時(shí)是將自重轉(zhuǎn)化為按面積分布的平均面積恒載N／M2)標(biāo)準(zhǔn)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(jì)基準(zhǔn)期內(nèi)量值隨時(shí)間變化，或其變化與平均值相比不可忽略不計(jì)的可變作用。幕墻與門窗的風(fēng)荷載代表值有二種：1)標(biāo)準(zhǔn)值Wk2按 《健筑荷載規(guī)范》GB 50009)計(jì)算的圍擴(kuò)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，它是幕墻、門窗在其設(shè)計(jì)使用期間內(nèi)可能出現(xiàn)的最大風(fēng)荷載，其按設(shè)計(jì)基準(zhǔn)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(jì)使用期間內(nèi)時(shí)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(shí)間T1與設(shè)計(jì)基準(zhǔn)期T的比值為Tl／T≤0．1，即概率為10％，相當(dāng)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(dòng)引起的結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)作用，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)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(duì)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(zhǎng)度變化，當(dāng)這種變化受到約束時(shí)會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。對(duì)這種可變作剛，工程中根據(jù)經(jīng)驗(yàn)采用構(gòu)造方法處理時(shí)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(duì)幕墻構(gòu)件的溫度作用按其最大作用計(jì)入，即組合值系數(shù)和分項(xiàng)系數(shù)均取1.0，溫度作用效應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)他按當(dāng)?shù)匾荒陜?nèi)的最大溫差計(jì)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(qiáng)度等。抗力與作用效應(yīng)相對(duì)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(dá)到不適于繼續(xù)承載的變形時(shí)的內(nèi)力。

    ③強(qiáng)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。