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玻璃钢幕墙与门窗结构可靠度设计问题探讨

一、前言 
玻璃幕墙是1985年以来开始在我国应用的建筑幕墙,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。 
我国2002年开始实施新修订的{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。幕墒与门窗作为对建筑物理功能和人的安全使用有重大影响的建筑外围护结构与构件,必须按照这些标准及其强制性条文的要求进行结构设计计算,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墒和门窗。我国《玻璃幕墒工程技术规范》(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墒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墒与门窗结构可靠度设计、评估理论体系,对我国建筑幕墒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,具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)适刚性: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 
(1)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。 
(2)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,以保证建筑结构在具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 
建筑幕墒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扩墙体结构。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扩结构和构件,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 
1)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 
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25a,门窗设计使用年限应为10a。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10a设计使用寿命确定的。 
2)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50a确定,即能承受50a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50a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) 
①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。 
②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)计算的围扩结构风荷载标准值,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50a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%o 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lOa一遇。 
2)间接作用引起结构外加变形或约束变形的原因 
①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50a内超越概率约为63%,重现期为50a。 b)设防烈度地震:其地震烈度50a内超越概率约为10%,重现期为475a。C)罕遇地震:属于偶然作用,其地震烈度50a内超越概率2%-3%,重现期约2 000a。 
2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。对这种可变作刚,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他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 
①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。 
②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。 
③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 
①整体结构抗力:如门窗幕墙整体结构承受风荷载的能力: 
②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; 
③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。

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