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玻璃幕墙与门窗结构可靠度设计问题探讨(一)

来源:中国幕墙网收集整理  作者:石民祥 杨仕超  日期:2005-4-27
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  根据建筑结构可靠度分析与设计原理,对以金属框架为支承体系的破璃幕墙和门窗采用以概率理论为基础的极限状态设计方法进行的结构设计计算及其可靠度问题进行系绝性的分析探讨,提出对我国现行玻璃幕墙工程技术规范中幕墙结构设计有关问题的看法,以及时目前尚无规范依据的建筑门窗结构设计计算问题的看法及建议。

    2)玻璃板的总安全系数
    (一)玻璃板的破坏特征与概率玻璃是典型的脆性材料,没有屈服点,在其应力—应变直线超过弹性极限后立即断裂。玻璃破坏的特征是表面微裂纹拉应力下断裂,破坏强度是离散的,  并与支承条件、加载速率和负载持续时间有关。由于玻璃破裂起源于表面微裂纹,其数量、尺寸、形状不一且分布无规则,故决定了玻璃断裂强度本质上具有统计性。美国、日本、英国、澳人利亚等国家都是在人量玻璃风压破坏试验的基础上,采用统计的方法分析得出玻璃的风压设计图或半理论半经验强度计算公式。各有关国家和我国进行的玻璃试验证明,四边支承的普通浮法玻璃(词条“浮法玻璃”由行业大百科提供)的平均破坏荷载相对于风荷载标准值的安全系数为2.5,破坏概率为l/1000)
    (2)我国玻璃幕墙规范和建筑玻璃应用技术规程规定的玻璃总安全系数K=2.5。幕墙规范取K=Υm=1.4,取K2=Υm=k/Υm=2.5=1.785,则确定玻璃的强度设计值fk=fk/1.785.,《破璃幕墒丁程技术规范》、GJ 102—96给出的玻璃强度设计值是按日本的玻璃强度标准位fk除以上1.785确定的。

    3)铝合金型材的总安全系数
    (1)铝合金型材总安全系数K:6063铝合金建筑型材是伸长率≥8%的延性材料,其屈服阶段没有明显的流幅,以规定非比例伸长应力σp0.2作为屈服强度。世界各国铝合金结构设计的安全系数一般为1.6-1.8,美国铝业协会《铝结构设计规范》规定“采用屈服强度计算许用应力(词条“许用应力”由行业大百科提供)的建筑型构件的安全系数为1.65”,我国《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 102-96)编制时认为铝型材强度离散较大,所以规定铝合金型材的总安全系数K=1.8,可靠度要求是高的。文献[12]的作者对从一些型材厂收集的100个试样资料进行分析计算验证,证明这100个试样对于国家标准《铝合金建筑型材》GB/T  5237—2000规定的σp0.2=110MPa的保证概率为99.73%。考虑到门窗的结构重要性应比幕墙略低一些,广东省标准《铝合金门窗工程设计、施工及验收规范》DB-15-30-2002规定铝合金门窗型材的总安全系数为1.65。

    (2)铝合金型材的强度设计值:幕墙铝型材的材料性能分项系数K2=丫m=1.8/1.4=1.286,门窗铝型材(词条“门窗铝型材”由行业大百科提供)的材料性能分项系数K2=丫m=1.65/1.4=1.178。铝型材的抗拉、抗压强度(词条“抗压强度”由行业大百科提供)设计值均按其条件屈服强度标准值σp0.2除以幕墙或门窗型材的材料性能分项系数丫w求得,抗剪强度设计值是抗拉压强度设计值的0.58倍,但抗挤压(局部承压)强度设计值《规范》以前没有规定,本次修订的征求意见稿欲参照《钢结构
设计规范》的端面承压强度设计值,规定铝型材的局部承压强度设计值按其抗拉强度标准值σb的0.75倍计算。我们认为,幕墙与门窗框架及扇梃铝合金型材构件连接常刚的铆榫、螺栓螺钉等非焊接的机械联接中,与剪切同时出现的挤压,与钢结构连接时的端面刨平顶紧的端面承压有所不同,而且,根据设计要求并为保证其材料强度设计值可靠度水平的同一基准,应按照其以条件屈服强度σp0.2为基础的抗拉(压)强度设计值的适当倍数确定。

    (3)各种钢及不锈钢(词条“不锈钢”由行业大百科提供)连接件和紧固件的总安全系数和材料强度设计值:应按《钢结构设计规范》GB 50017的规定,总安全系数为1.55,材料性能分项系数K2=丫m=1.107。

    4)矸酮结构密封胶的总安全系数
    (1)玻璃的结构性胶接装配特点:隐框玻璃幕墙胶接技术,是采用主要成分为聚硅氧烷硅酮结构密封胶,直接将玻璃与铝合金框架粘接起来,形成耐老化、高性能的硅酮橡胶弹性体,来传递玻璃面板所受的荷裁并承受玻璃与金属支承框架之间由于各种作而产生的相对位移。这种胶接结构代替了传统的明框镶嵌槽机械性装配,幕墙所受的门重、风荷载、温度变化等作用全靠结构胶承受,几十年来的经验证明,硅酮结构胶(词条“硅酮结构胶”由行业大百科提供)与玻璃(或其表面优质的在线唢涂热分解镀膜真空阴极磁控溅射镀膜面)和铝合金型材(阳极氧化膜,≥15μm)表面在满足相容性情况下的界面粘接能力要高于其胶体本身的内聚力,对其进行性能检测时只允许发生内聚破坏,而不允许发生粘接破坏,
    (2)结构胶的总安全系数:考虑到结构胶接技术的多种不定性因素及其失效后果的严重性,我国《玻璃幕墙工程技术规范》对胶缝设计采用了国际上通用的允许应力设计方法,即结构胶的拉伸(词条“拉伸”由行业大百科提供)粘接强度的标准值对荷载及作用标准值的总安全系数K=5,SK<=5,SK<=Rk/K,按国际上规定的硅酮结构密封胶的拉伸粘接强度的标准值作为短期荷载极限强度Fk1=0.7MPa,长期荷载极限强度FK2是短期极限强度FK1的l/20,即FK2=0.035MPa。各取总安全系数K=5,确定短期荷载强度设计允许值F1=0.1MPa,长期荷载强度允许值F2=0.007MPa,实际上这个长期荷载强度允许值凡是硅酮结构密封胶的拉伸粘接强度标准值的l/100。
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