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摘要:本文概述了玻璃幕墙与门窗可靠度设计的必要性，然后探讨了幕墙与门窗所受的荷载与作用，最后对幕墙与门窗的结构特点与可靠度分析要点进行了分析。
关键词:玻璃幕墙；系统门窗；可靠度设计
中图分类号：S611文献标识码： A
一、前言
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。
二、玻璃幕墙与门窗可靠度设计的必要性
玻璃幕墙有着许多其他装饰方法无法取代的优点，在建筑领域中有着十分重要的地位。鉴于这一点，在实际的建筑设计施工中应该适宜地采用玻璃幕墙结构，同时要不断地改善其缺点，完善其中的不足之处，使其能够更好地为建筑行业的发展推波助澜。由于许多玻璃幕墙结构都是应用在高层建筑中，而高层建筑又受自然环境的影响比较大，所以要保证玻璃幕墙与门窗设计施工的可靠性。提高玻璃幕墙与门窗设计的可靠度，完善设计理念，对于建筑物的风格表现有十分重要的促进作用，能够凸显出玻璃幕墙结构在我国建筑行业发展中的重要地位，具有十分显著的时代特征，对于美化城市环境，改善人们的生活环境都具有十分重要的作用。
三、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)标准值按《建筑荷载规范》(GB50009)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(保证率)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≤O．1，即概率为10％，相当于10a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》(GB5001卜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。《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99—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值按当地一年内的最大温差计算。
图1为单面幕墙建筑窗墙比对人体热舒适温度影响曲线，该图反映了北京、上海、广州3个地区Re=0．30，0．50，0．65，0．854种情况。图1表明，在相同条件下，随着窗墙比的增大，满足人体舒适的温度下降约1-3℃。
图1窗墙比对tt的影响
四、幕墙与门窗的结构特点与可靠度分析要点
1、幕墙与门窗的结构特点
幕墙与门窗分别是悬挂和镶嵌在建筑主体结构框架上的连续性的墙体结
构和局部性的启闭部件，都是由脆性的玻璃面板和延性的金属构件组成的完整的非承重结构体系。幕墙与门窗传递自重及外部荷载作用的路径基本是一样的：玻璃面板——横框架——竖框架——主体结构。所不同的是幕墙的荷载作用最终是由竖框架的锚固点以点传递方式传至主体结构，而门窗的荷载作用最终是由四周边框锚固点近似以线传递方式传至洞口结构。
2、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(玻璃面板)的可靠度应高于延性构件(金属框架)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(门窗框与扇的配件连接)；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。
五、玻璃幕墙和门窗的结构设计要点
1、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。
2、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。
3、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。背栓式支承在國内已有应用，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。
六、建议与展望
1、建议我国的各种建筑幕墙与门窗技术规范，明确规定各类幕墙与门窗的设计使用年限、设计基准期和结构重要性系数、正常使用极限状态和承载能力(抗力)极限状态的标志和设计限值、各种极限状态设计所对应的荷载和作用效应组合，合理规定各类幕墙与门窗的正常使用极限状态和承载能力(抗力)极限状态的物理性能及力学性能验证检测具体要求。
2、作为一种新型的建筑装饰手段，玻璃幕墙的使用给我国建筑行业的发展注入了新的血液，赋予了新的活力，极大地推动了我国建筑行业的发展，在建筑发展的历史进程中具有划时代的意义。通过对玻璃幕墙与门窗结构可靠度设计过程中所应注意的问题进行探讨和分析，并采取相应的措施进行纠正，可以有效地完善设计工作，减少失误的出现，实现玻璃幕墙与门窗结构设计的合理化，提高其可靠性和建筑的安全系数，提升建筑的艺术价值，为人们的生活提供更为舒适的外界环境，同时对我国社会主义现代化建设事业的发展也具有一定的推动作用。
结束语
随着玻璃幕墙与系统门窗的不断完善，可靠度设计将会得到更多设计者的重视，在建筑业不断发展的时期下，玻璃幕墙与系统门窗结构可靠度将会发挥着越来越重要的作用。
参考文献
[1]张敏，楼文娟.双层玻璃幕墙风荷载特性的试验研究[J].第十三届全国结构风工程学术会议论文集（上册），2010(04):89-91.
[2]彦启森，赵庆珠.建筑热过程[J].建筑工业出版社，2009，(4):31-35.
[3]张芹.建筑幕墙与采光顶设计施工手册[J].中国建筑工业出版社，2012(3):141-142.
[4]刘忠伟，马眷荣.建筑玻璃在现代建筑中的应用[J].中国建材工业出版社，2013(5):78-81.
关键词:玻璃幕墙；系统门窗；可靠度设计
中图分类号：S611文献标识码： A
一、前言
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。
二、玻璃幕墙与门窗可靠度设计的必要性
玻璃幕墙有着许多其他装饰方法无法取代的优点，在建筑领域中有着十分重要的地位。鉴于这一点，在实际的建筑设计施工中应该适宜地采用玻璃幕墙结构，同时要不断地改善其缺点，完善其中的不足之处，使其能够更好地为建筑行业的发展推波助澜。由于许多玻璃幕墙结构都是应用在高层建筑中，而高层建筑又受自然环境的影响比较大，所以要保证玻璃幕墙与门窗设计施工的可靠性。提高玻璃幕墙与门窗设计的可靠度，完善设计理念，对于建筑物的风格表现有十分重要的促进作用，能够凸显出玻璃幕墙结构在我国建筑行业发展中的重要地位，具有十分显著的时代特征，对于美化城市环境，改善人们的生活环境都具有十分重要的作用。
三、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)标准值按《建筑荷载规范》(GB50009)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(保证率)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≤O．1，即概率为10％，相当于10a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》(GB5001卜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。《高层民用建筑钢结构技术规程》(JGJ99—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值按当地一年内的最大温差计算。
图1为单面幕墙建筑窗墙比对人体热舒适温度影响曲线，该图反映了北京、上海、广州3个地区Re=0．30，0．50，0．65，0．854种情况。图1表明，在相同条件下，随着窗墙比的增大，满足人体舒适的温度下降约1-3℃。
图1窗墙比对tt的影响
四、幕墙与门窗的结构特点与可靠度分析要点
1、幕墙与门窗的结构特点
幕墙与门窗分别是悬挂和镶嵌在建筑主体结构框架上的连续性的墙体结
构和局部性的启闭部件，都是由脆性的玻璃面板和延性的金属构件组成的完整的非承重结构体系。幕墙与门窗传递自重及外部荷载作用的路径基本是一样的：玻璃面板——横框架——竖框架——主体结构。所不同的是幕墙的荷载作用最终是由竖框架的锚固点以点传递方式传至主体结构，而门窗的荷载作用最终是由四周边框锚固点近似以线传递方式传至洞口结构。
2、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(玻璃面板)的可靠度应高于延性构件(金属框架)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(门窗框与扇的配件连接)；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。
五、玻璃幕墙和门窗的结构设计要点
1、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。
2、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。
3、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。背栓式支承在國内已有应用，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。
六、建议与展望
1、建议我国的各种建筑幕墙与门窗技术规范，明确规定各类幕墙与门窗的设计使用年限、设计基准期和结构重要性系数、正常使用极限状态和承载能力(抗力)极限状态的标志和设计限值、各种极限状态设计所对应的荷载和作用效应组合，合理规定各类幕墙与门窗的正常使用极限状态和承载能力(抗力)极限状态的物理性能及力学性能验证检测具体要求。
2、作为一种新型的建筑装饰手段，玻璃幕墙的使用给我国建筑行业的发展注入了新的血液，赋予了新的活力，极大地推动了我国建筑行业的发展，在建筑发展的历史进程中具有划时代的意义。通过对玻璃幕墙与门窗结构可靠度设计过程中所应注意的问题进行探讨和分析，并采取相应的措施进行纠正，可以有效地完善设计工作，减少失误的出现，实现玻璃幕墙与门窗结构设计的合理化，提高其可靠性和建筑的安全系数，提升建筑的艺术价值，为人们的生活提供更为舒适的外界环境，同时对我国社会主义现代化建设事业的发展也具有一定的推动作用。
结束语
随着玻璃幕墙与系统门窗的不断完善，可靠度设计将会得到更多设计者的重视，在建筑业不断发展的时期下，玻璃幕墙与系统门窗结构可靠度将会发挥着越来越重要的作用。
参考文献
[1]张敏，楼文娟.双层玻璃幕墙风荷载特性的试验研究[J].第十三届全国结构风工程学术会议论文集（上册），2010(04):89-91.
[2]彦启森，赵庆珠.建筑热过程[J].建筑工业出版社，2009，(4):31-35.
[3]张芹.建筑幕墙与采光顶设计施工手册[J].中国建筑工业出版社，2012(3):141-142.
[4]刘忠伟，马眷荣.建筑玻璃在现代建筑中的应用[J].中国建材工业出版社，2013(5):78-81.