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摘要：玻璃幕墙与门窗产业的不断壮大，其发展过程依然存在一些问题和不足需要改进，在科技不断进步的新时期，加强对玻璃幕墙与系统门窗结构可靠度设计问题探讨，对确保人们生活的有序进行有着重要意义
关键词：玻璃幕墙；门窗结构；可靠度设计
采用玻璃幕墙具有诸多优势，既可以改善建筑环境，而且安装方便，可将建筑的功能、结构、节能、美学等内容有机地结合起来，同时能够使建筑在不同的环境角度下呈现出不同的形态外观，给人以动态变化的美感。因此，玻璃幕墙在建筑行业中的地位是十分重要的。
一、幕墙与门窗所受的荷载与作用
1、直接作用
（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）标准值按规范计算的围护结构风荷载标准值，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为98％。2）频遇值Wd：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与设计基准期的比值为T1/T≤0.1，即概率为10％，相当于10a一遇。
2、间接作用
（1）地震作用：是由地震动引起的结构动态作用，根据规定，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2000a。
（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。对这种可变作用，工程中根据经验采用构造方法处理时应按其最大值考虑。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值按当地一年内的最大温差计算。
二、玻璃幕墙和门窗的结构设计要点
1、幕墙与门窗结构可靠度分析要点
（1）考虑幕墙与门窗结构整体体系的可靠度、构件的可靠度二个层次，宜按结构体系进行可靠度设计，根据结构破坏特点选定主要破坏模式，控制和调整关键构件的失效概率，提高整个结构可靠度设计的合理性。
（2）脆性构件的可靠度应高于延性构件的可靠度。
（3）构件的抗力或承载力由低到高的顺序应是：玻璃：玻璃与框架的连接；框架；框架构件连接；框架与主体结构的锚固连接；支承幕墙的结构构件和门窗洞口结构构件。
（4）非结构构件的设计使用年限、安全等级、重要性及可靠度不应高于结构构件。
2、幕墙和门窗设计的一般要求
目前建筑幕墙类型繁多，构造形式多变，无法对其连接构造做出十分具体的规定，因此在设计原则上要求建筑幕墙与门窗应有足够的承载力、刚度、稳定性和相对于主体结构的位移能力。其中，相对于主体结构的位移能力通过胶缝、构件间的缝隙、可微动连接（如长圆孔螺栓等）、可动连接（如铰支座、滑动连接、摇臂机构、弹簧机构等）来实现，不一定要求处处连接均为螺栓连接。因此，规定所有连接均采用螺栓是不尽合理的。只要满足幕墙与主体结构间有一定位移能力的要求，部分节点采用焊接是可以的。主要原因是玻璃受力不均匀，例如两个吊夹松紧不一致，拉力不一致；两个吊夹不在一个平面上，玻璃受平面外剪力和弯曲；玻璃下端支承橡胶垫块厚薄高低不同等。要防止玻璃开裂，就要加强施工中的管理，消除上列各种因素。
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3、防止玻璃肋失稳的措施
玻璃肋厚度小板面宽，形成的薄腹梁在风吸力作用下，自由边缘受压，易丧失稳定。当肋高超过12m时，宜采取防止失稳的措施，例如设置固定于自由边缘的水平不锈钢拉杆、设置水平玻璃肋等。在风荷载标准值作用下，玻璃肋的挠度不宜大于跨度的1/200。
4、点支承玻璃
（1）面板。在支承点附近，玻璃面板会产生很大的应力，面板应采用钢化玻璃、钢化夹层玻璃或钢化中空玻璃。采用有限元方法精确分析点支承玻璃的应力在理论上是可行的，但在工程中应用有一定的难度：在孔洞或夹片支承处边界条件难以准确给出，若约束条件稍有差异，其应力计算结果因相差很大难以应用，因此在工程设计中仍多采用公式计算。采用弹性小挠度计算公式时，应考虑折减系数。点支承面板的挠度值由风荷载标准值或重力荷载标准值计算得出，其限值取支承点问沿长边距离的1/60。
（2）支承装置。采用带球铰支承头的钢爪支承装置是目前应用最多、最为成熟的支承方式。由于支承头穿过玻璃，必须注意密封防渗；中空玻璃还要采用多道密封措施防止漏气。采用夹片式支承装置，玻璃可以不用开孔，不存在漏气问题，在广州会展中心、天津泰丰植物园中应用效果很好。夹片中应设置水平托板和柔性垫片支承玻璃自重。背栓式支承在国内已有应用，背部开锥孔，用锥形锚栓固定的方式可以避免出现冷桥，板面美观。背栓式连接对设备、支承装置和施工工艺有较高的技术要求，要总结经验，推广应用。
5、框支承玻璃构造
玻璃面板计算弹性薄板应力和挠度计算公式。只有在玻璃板挠度不大于板厚的一半时才是正确的。在玻璃实用范围内，挠度远大于板厚之半，计算出的应力与挠度偏大，不能正确反映实际情况，因此要采用折减系数予以调整。“夹层玻璃系数厚度取单片玻璃厚度的1.25倍、中窄玻璃等效厚度取单片玻璃的1.2倍”的方法，只在两片玻璃等厚度、等强度时才适用。在玻璃厚度不等、一片钢化一片非钢化时，不能采用这种简单的折算方法。必须将外荷载按其厚度的三次方比例分配。
6、全玻构造
（1）全玻构造的支承方式。规定一个统一的高度，超出此高度后就必须吊挂的作法不十分合理。应对不同的玻璃厚度规定不同的高度限制。规定厚度不超过12mm时，下端支承玻璃最大高度为4m；15ram时为5m；19mm时为6m是较为合理的。
（2）面板与肋板连接节点设计。面板与肋板连接节点的设计面板通过固定在玻璃肋上的不锈钢夹具固定，不锈钢夹具通过不锈钢螺栓固定于玻璃肋板上，连接节点如图1图2 所示。全玻幕墙采用肋板后置形式，不锈钢夹具材质室外为316，室内为304，外盖黑色。单个夹具承受拉/压力15KN，剪力11KN，夹具两侧角度调节为±5°，且当两侧面板角度为175°时内空净尺寸调节满足±4mm，同时满足承载力要求。采用无孔驳接系统连接固定玻璃，省去了玻璃钻孔加工工序，缩短了生产周期，避免中空玻璃孔部密封不好而造成的漏气，导致中间层结水雾。玻璃面板与玻璃肋板之间采用黑色单组份结构硅酮密封胶连接，既满足结构受力需要，又保证立面美观。
（3）玻璃肋的材质。目前已经有工程发生施工过程中钢化玻璃肋自爆、突然飞散的事例。玻璃肋是幕墙的支承结构，一旦自爆或在冲击下飞散，面板将失去支承而坍落，造成较严重的后果。因此，玻璃肋不宜采用单片钢化玻璃，因为浮法玻璃开裂后并不立即飞散，有时间采取抢救措施。对采用点支承的玻璃肋，则应采用钢化夹层玻璃。
（4）防止玻璃开裂的措施。全玻幕墙和门窗玻璃开裂的一个主要原因是玻璃变形受限，例如玻璃在上、下不锈钢槽中空隙过小，密封胶硬化；玻璃嵌入结构、装修的槽口中未留足够空隙或后加装修顶死玻璃板面等。玻璃开裂的另一个主要原因是玻璃受力不均匀，例如两个吊夹松紧不一致，拉力不一致；两个吊夹不在一个平面上，玻璃受平面外剪力和弯曲；玻璃下端支承橡胶垫块厚薄高低不同等。要防止玻璃开裂，就要加强施工中的管理，消除上列各种因素。
（5）防止玻璃肋失稳的措施。玻璃肋厚度小板面宽，形成的薄腹梁在风吸力作用下，自由边缘受压，易丧失稳定。当肋高超过12m时，宜采取防止失稳的措施，例如设置固定于自由边缘的水平不锈钢拉杆、设置水平玻璃肋等。在风荷载标准值作用下，玻璃肋的挠度不宜大于跨度的1／200。
结束语
总之，对国内外技术与经验总结并对其进行结构可靠度设计研究，正确编制我国的玻璃幕墙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墙与门窗结构可靠度设计、评估理论体系，对我国建筑幕墙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。
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[5]罗忆，黄圻，刘忠伟。建筑幕墙设计与施工（第二版），化学工业出版社，2012（4）.
论文作者:杨文洪
论文发表刊物:《基层建设》2015年17期
论文发表时间:2015/12/1
标签：玻璃论文; 幕墙论文; 荷载论文; 结构论文; 门窗论文; 构件论文; 挠度论文; 《基层建设》2015年17期论文;