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    幕墻結構設計要素

    來源:2022年會論文集  作者:黃慶文  日期:2022-4-22
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      摘要:為分析幕墻結構設計要素,作者運用現有結構分析理論,對常見幕墻結構設計思路進行梳理,提出了系統的方法。結論將為幕墻結構設計提供參考。
      關鍵詞:安全等級; 可靠度; 幕墻結構極限狀態設計方法; 幕墻結構設計基準期; 幕墻結構設計使用年限

      本篇文章內容由[中國幕墻網ALwindoor.com]編輯部整理發布:

      摘要:為分析幕墻結構設計要素,作者運用現有結構分析理論,對常見幕墻結構設計思路進行梳理,提出了系統的方法。結論將為幕墻結構設計提供參考。

      關鍵詞:安全等級; 可靠度; 幕墻結構極限狀態設計方法; 幕墻結構設計基準期; 幕墻結構設計使用年限

      幕墻結構應能承受在施工和使用期間可能出現的各種作用,具有相應的適應能力與抵抗能力。幕墻結構設計應規定建筑幕墻(詞條“建筑幕墻”由行業大百科提供)結構的設計使用年限,宜不小于50年,不得小于25年。幕墻結構的設計基準期應為50年。

      本文對幕墻結構設計的幾個要素:安全等級、極限狀態設計方法、可靠度水平、設計基準期、設計使用年限等進行分析,明確了以上幾個結構概念。

      1、幕墻結構安全等級及設計使用年限

      1.1. 幕墻結構安全等級

      幕墻結構是建筑幕墻中能承受作用并具有適度剛度的由各連接部件有機組合而成的系統。幕墻結構構件是幕墻結構在物理上可以區分出的部件。幕墻結構體系是幕墻結構中所有構件及其共同工作的方式。幕墻結構模型是用于幕墻結構分析及設計的理想化幕墻結構體系。

      幕墻結構設計時,應根據結構破壞可能產生的后果,即危及生命、造成經濟損失、對社會或環境產生影響等的嚴重性,采用不同的安全等級。安全等級統一劃分為一級、二級、三級共三個等級,大量的一般結構列入二級,大型公共建筑等重要結構列為一級,小型或臨時性儲存建筑等次要結構列為三級。設計文件中應明確幕墻結構的安全等級。

      同一建筑結構中的各種結構構件一般與整體結構采用相同的安全等級,可根據具體結構構件的重要程度和經濟效果進行適當調整。

      比如提高單層索網結構的安全等級所需額外費用可控,但能大程度降低整體結構破壞的可能性,保障人員生命安全,減少損失,則可將此結構構件的安全等級比整體結構的安全等級提高一級;反之,比如降低無墜落風險、高度較低幕墻的安全等級可節省大筆費用,但其破壞并不影響整體結構和其他結構構件的安全性,則可將此結構構件的安全等級比整體結構的安全等級降低一級。

      1.2. 極限狀態設計方法及可靠度水平

      幕墻結構極限狀態是整個結構或結構的一部分(如幕墻結構)超過某一特定狀態就不能滿足規定的某一功能要求,此特定狀態為該功能的極限狀態。

      極限狀態設計方法是不使結構超越規定極限狀態的設計方法。

      幕墻結構幕墻結構極限狀態分為承載能力極限狀態、正常使用極限狀態、耐久性(詞條“耐久性”由行業大百科提供)極限狀態。

      采用以概率理論為基礎的極限狀態設計方法,用分項系數(詞條“分項系數”由行業大百科提供)設計表達式計算,分為承載能力極限狀態設計、正常使用極限狀態設計、耐久性極限狀態設計。

      幕墻結構持久設計狀況是在幕墻結構使用過程中一定出現,且持續期很長的設計狀況,其持續期一般與設計使用年限為同一數量級。適用于幕墻結構使用時的正常情況。

      幕墻結構短暫設計狀況是在幕墻結構施工和使用過程中出現概率較大,與幕墻結構的設計使用年限相比,持續期很短的設計狀況。適用于幕墻結構出現的臨時情況,如施工、維修情況。

      幕墻結構偶然設計狀況是在幕墻結構施工和使用過程中出現概率較小,與幕墻結構的設計使用年限相比,持續期很短的設計狀況。適用于幕墻結構出現的異常情況,如撞擊、爆炸、火災情況。

      幕墻結構地震設計狀況是在幕墻結構遭受地震的設計狀況。適用于幕墻結構遭受地震的情況。

      承載能力極限狀態是對應于幕墻結構或結構構件達到最大承載力或不適于繼續承載的變形的狀態。當幕墻結構或結構構件出現下列狀態之一時,就認定超過承載能力極限狀態:幕墻結構構件或連接因應力超過材料強度而破壞,或應過度變形而不適于繼續承載(如幕墻鋼結構已經達到屈服強度,變形持續擴大,無法繼續承載);幕墻結構或結構構件喪失穩定(如幕墻空間結構已經喪失穩定,如超高全玻幕墻玻璃肋結構已經側向失去穩定,無法繼續承載);幕墻結構或結構構件疲勞破壞(如幕墻開啟結構及連接多次啟閉已經疲勞破壞,無法繼續承載)。

      正常使用極限狀態是對應于幕墻結構或結構構件達到正常使用的某一項規定限值的狀態。當幕墻結構或結構構件出現下列狀態之一時,就認定超過正常使用極限狀態:影響幕墻正常使用或建筑外觀效果的變形(如玻璃幕墻變形過大);影響幕墻正常使用的局部損壞(如石材面板有個別裂縫)。

      正常使用極限狀態包括不可逆正常使用極限狀態和可逆正常使用極限狀態。

      不可逆正常使用極限狀態是當產生超越正常使用的作用卸除后,該作用產生的后果不可恢復的正常使用極限狀態?赡嬲J褂脴O限狀態是當產生超越正常使用的作用卸除后,該作用產生的后果可恢復的正常使用極限狀態。

      耐久性極限狀態是對應于幕墻結構或結構構件在環境影響下出現的劣化達到耐久性能的某一項規定限值或標志的狀態。當幕墻結構或結構構件出現下列狀態之一時,就認定超過耐久性極限狀態:影響幕墻承載能力和正常使用的材料性能劣化(如幕墻鋼結構防腐涂層已經喪失保護作用,密封膠老化(詞條“老化”由行業大百科提供));影響幕墻耐久性能的裂縫、變形、缺口、外觀、材料削弱(如石材面板有超過一定長度的裂縫)。

      幕墻結構設計應對幕墻結構各個的極限狀態分別進行分析計算。

      作用是施加于幕墻結構上的力和引起幕墻結構或幕墻結構構件外加變形或約束變形的的原因。

      施加于幕墻結構上的力是直接作用,即荷載。

      引起幕墻結構外加變形或約束變形的原因是間接作用。

      地震作用及層間變形等因素作用下,由于幕墻邊界條件發生變化而產生的位移和變形屬于幕墻結構外加變形。

      溫度變化等因素作用下,引起幕墻外部約束而產生的幕墻內部變形屬于幕墻結構約束變形。

      作用按照隨時間的變化分為永久作用、可變作用、偶然作用。

      作用效應是由作用引起的幕墻結構或幕墻結構構件的反應。包括構件截面內力(拉力、壓力、剪力、彎矩(詞條“彎矩”由行業大百科提供)、扭矩)及變形、裂縫。

      結構抗力是幕墻結構和幕墻結構構件承受作用效應和環境影響的能力。

      對幕墻結構的環境影響可分為永久影響、可變影響、偶然影響。

      對幕墻結構的環境影響可具有機械的、物理的、化學的、生物的性質,有可能使幕墻結構的材料性能隨時間方式不同程度的退化,行不利方向發展,降低材料力學性能,影響幕墻結構的安全性和適用性。其中環境濕度的因素最關鍵。

      對幕墻結構的環境影響應盡量采用定量描述,也可根據材料特點,按其抗侵蝕性的程度劃分等級,設計按等級采取相應構造措施。

      幕墻結構對持久設計狀況(如幕墻結構使用時正常情況)應進行承載能力極限狀態設計,采用作用的基本組合;應進行正常使用極限狀態設計;宜進行耐久性極限狀態設計。

      幕墻結構對短暫設計狀況(如幕墻結構施工、維修時情況)應進行承載能力極限狀態設計,采用作用的基本組合;根據需要進行正常使用極限狀態設計;可不進行耐久性極限狀態設計。

      幕墻結構對偶然設計狀況(如撞擊、爆炸、火災情況)應進行承載能力極限狀態設計,采用作用的偶然組合(詞條“偶然組合”由行業大百科提供);可不進行正常使用極限狀態設計;可不進行耐久性極限狀態設計。

      幕墻結構對地震設計狀況應進行承載能力極限狀態設計,采用作用的地震組合;根據需要進行正常使用極限狀態設計;可不進行耐久性極限狀態設計。

      不可逆正常使用極限狀態設計,宜采用作用的標準組合(詞條“標準組合”由行業大百科提供)?赡嬲J褂脴O限狀態設計,宜采用作用的頻遇組合。對于長期效應是決定性因素的正常使用極限狀態設計,宜采用作用的準永久組合。

      幕墻結構設計值應采用按各作用組合中最不利的效應設計值。幕墻結構極限狀態設計應使幕墻結構的抗力大于等于幕墻結構的作用效應。

      幕墻結構可靠度是幕墻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。

      幕墻結構可靠性是幕墻結構在規定的時間內,在規定的條件下,完成預定功能的能力。

      幕墻結構可靠指標是度量幕墻結構可靠度的數值指標,是失效概率運算值負的標準正態分布函數的反函數。

      幕墻結構設計應使幕墻結構在規定的設計使用年限內以規定的可靠度滿足規定的各項功能要求。功能要求包括安全性、適用性、耐久性。

      可靠度水平的設置應根據幕墻結構的安全等級、失效模式確定,對安全性、適用性、耐久性可采用不同的可靠度水平。

      可靠度應采用可靠指標度量,而可靠指標應根據分析結合使用經驗確定?煽恐笜耸嵌攘磕粔Y構構件可靠性大小的尺度,目標可靠指標是分項系數法采用的各分項系數取值的基本依據。安全等級每相差一級,可靠指標取值相差0.5。

      幕墻結構持久設計狀況按承載能力極限狀態設計的可靠指標是以結構安全等級劃分為二級時延性破壞取值3.2作為基準,其他情況相應增加減少0.5?煽恐笜伺c失效概率運算值負相關。

      幕墻結構持久設計狀態按正常使用極限狀態設計的可靠指標是根據作用效應的可逆程度在0至1.5間選取,作用效應可逆程度較高的可靠指標作用效應取低值,作用效應可逆程度較低的可靠指標作用效應取高值。作用效應可逆的可靠指標作用效應取0,作用效應可逆程度較低的可靠指標作用效應取1.5。

      幕墻結構持久設計狀態按耐久性極限狀態設計的可靠指標是根據作用效應作用效應的可逆程度在1.0至2.0間選取。

      1.3. 設計基準期

      設計基準期是為確定可變作用的取值而選用的時間參數。設計基準期是規定的標準時段,其確定了最大可變作用的概率分布及其統計參數。

      幕墻結構的設計基準期為50年,即幕墻結構的可變作用取值是按50年確定的。

      1.4. 設計使用年限

      幕墻結構的設計使用年限是設計規定的幕墻結構或幕墻結構構件不需大修即可按照預定目的使用的年限。

      永久作用是在設計使用年限內始終存在且其量值變化與平均值相比可以忽略不計的作用和變化是單調的且其趨于某個限值的作用。

      可變作用是在設計使用年限內其量值隨時間變化,且其變化與平均值相比不可以忽略不計的作用?煞譃槭褂脮r推力、施工荷載、風荷載、雪荷載、撞擊荷載、地震作用、溫度作用。

      偶然作用是在設計使用年限內不一定出現,而一旦出現其量值很大,且持續期很短的作用。

      當界定幕墻為易于替換的結構構件時,幕墻結構的設計使用年限為25年;當界定幕墻為普通房屋和構筑物的結構構件時,幕墻結構的設計使用年限為50年;當界定幕墻為標志性建筑和特別重要的建筑結構時,幕墻結構的設計使用年限為100年。

      當建筑設計有特殊規定時,幕墻結構的設計使用年限按照規定確定且不得小于25年。

      幕墻結構設計應評估環境影響。當幕墻所處的環境對其耐久性有較大影響時,應根據不同的環境類別采用相應的構造設計、防護要求、加工水平、施工措施、驗收標準等,應在設計使用年限內定期檢修及維護,不影響安全和正常使用。

      2、結構設計及結構分析

      2.1. 結構設計及結構分析原則和結構模型

      幕墻結構應按圍護結構設計。幕墻結構設計應考慮永久荷載(詞條“永久荷載”由行業大百科提供)、風荷載、地震作用和施工、清洗、維護荷載。大跨度空間結構和預應力結構應考慮溫度作用?煞謩e計算施工階段和正常使用階段的作用效應。與水平面夾角小于75°的建筑幕墻還應考慮雪荷載、活荷載、積灰荷載。幕墻結構設計的基準期為50年。

      幕墻結構應根據傳力途徑對幕墻面板、支承結構(詞條“支承結構”由行業大百科提供)、連接件錨固件等依次設計和結構分析計算,確保幕墻的安全適用。幕墻結構應滿足承載能力極限狀態、正常使用極限狀態、耐久性極限狀態的要求。主體結構應能夠承受幕墻傳遞的荷載和作用。連接件與主體結構的錨固承載力設計值應大于連接件本身的承載力設計值。幕墻結構應具有足夠的承載能力、剛度、穩定性和相對于主體結構的位移能力。幕墻結構構件應能夠承受幕墻傳遞的荷載和作用。幕墻連接件應有足夠的承載能力和剛度。必要時幕墻結構設計與主體結構設計會同校核主體結構與幕墻結構的相互影響。異型空間結構及索結構應考慮主體結構和幕墻支承結構的協同作用。

      采用以概率理論為基礎的極限狀態設計方法,用分項系數設計表達式計算,分為承載能力極限狀態設計、正常使用極限狀態設計、耐久性極限狀態設計。

      幕墻結構應按各效應組合中的最不利組合設計。幕墻結構設計值應采用按各作用組合中最不利的效應設計值。幕墻結構極限狀態設計應使幕墻結構的抗力大于等于幕墻結構的作用效應。

      幕墻結構分析是確定結構上作用效應的過程和方法?刹捎媒Y構計算、結構模型試驗、原型試驗(如幕墻抗風壓性能試驗)等方法。

      幕墻結構分析的精度應能滿足結構設計要求,必要時宜進行試驗驗證(如點支式玻璃幕墻(詞條“點支式玻璃幕墻”由行業大百科提供)支承裝置及玻璃孔邊應力分析)。

      幕墻結構分析宜考慮環境對幕墻結構的材料力學性能(詞條“力學性能”由行業大百科提供)的影響(如濕度對結構膠)。對幕墻結構的環境影響可根據材料特點,按其抗侵蝕性的程度劃分等級,設計按等級采取相應構造措施。

      建立幕墻結構分析模型一般要對結構原型適當簡化,突出考慮決定性因素,忽略次要因素,合理考慮構件及連接的力-變形關系因素。采用的基本假定和計算模型應能夠合理描述所考慮的極限狀態幕墻結構的作用效應。

      2.2. 風荷載

      根據《建筑結構荷載規范》規定取值。

      2.3. 地震作用計算及溫差變化考慮

      幕墻結構構件的地震作用只考慮由自身重力產生的水平方向地震作用和支座(詞條“支座”由行業大百科提供)間相對位移產生的附加作用,采用等效側力方法計算。

      對于溫度作用引起的幕墻構件熱脹冷縮,在構造上可以有效解決。

      進行幕墻構件的承載力計算時,當重力荷載對幕墻構件的承載能力不利時,重力載荷和風載荷作用的分項系數(γG、γW)應分別取1.3和1.5;當重力荷載對幕墻構件的承載能力有利時(γG、γW)應分別取1.0和1.5。

      2.4. 作用及效應計算

      幕墻結構采用以概率理論為基礎的極限狀態設計方法,用分項系數設計表達式計算,按承載能力極限狀態和正常使用極限狀態設計應符合下列規定:

      規則構件可按解析或近似公式計算作用效應。具有復雜邊界或荷載的構件,可采用有限元方法計算作用效應。采用有限元方法作結構驗算時,應明確計算的邊界條件、模型的結構形式、截面特征、材料特性、荷載加載情況等信息。轉角(詞條“轉角”由行業大百科提供)部位的幕墻結構應考慮不同方向的風荷載組合。

      變形較大的幕墻結構,作用效應計算時應考慮幾何非線性影響。復雜結構應考慮結構的穩定性。

      3、結論

      針對幕墻結構設計的幾個要素:安全等級、極限狀態設計方法、可靠度水平、設計基準期、設計使用年限、結構設計等,本文進行了其內在本質的邏輯關系分析,明確了以上幾個結構概念,為理清幕墻結構設計思路建立了良好的理論基礎。提出主要的觀點:幕墻結構設計使用年限應在設計中規定,宜不小于50年,不得小于25年;會通過結構試驗方法來證明特殊幕墻結構計算經驗公式。

      參考文獻:

      1.中華人民共和國國家標準《鋁合金結構設計規范》GB50429-2007 [S]中國計劃出版社

      2 .中華人民共和國行業標準《玻璃幕墻工程技術規范JGJ102-2003 [S]中國建筑工業出版社

    作者單位 廣東世紀達建設集團有限公司

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    專家介紹

     黃慶文

    鋁門窗幕墻委員會專家組

    工作單位:廣東世紀達建設集團有限公司

    技術職稱:高級工程師

    專業:個人業績 主編了《點支式玻璃幕墻工程技術規程》CECS127-2001,參編了《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ102-2003、國標《建筑幕墻》、《建筑玻璃采光頂》、《既有建筑幕墻鑒定與加固規程》、《鋁合金結構設計規范》、《采光頂與金屬屋面工程技術規范》、《建筑幕墻檢測標準》、《鋁合金門窗》等標準; 參與了《點支式玻璃幕墻支承裝置》及《鋼拉索柱型接頭》等標準的審查工作; 發表過《點式全玻璃幕墻結構設計簡介》(鋁門窗幕墻行業年會論文集)、《南京奧林匹克體育中心游泳館單層索網采光頂的設計》(鋁門窗幕墻行業年會論文集)、《提倡個性設計,爭做精品工程》(鋁門窗幕墻行業年會論文集)、《高強單片防火玻璃在建筑中的應用》(《建筑學報》2002.2)等多篇論文; 參與發明了四項實用新型專利——鋼桁架端部支座頭萬向調節機構、背栓式金屬板干掛幕墻、幕墻用可調角度轉角型材系統、木質格珊裝飾系統。

    專長:建筑幕墻、屋面設計與施工管理、鋼結構設計

    原文地址:http://www.52mqw.com/info/2022-4-22/49193-1.htm
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