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【摘要】玻璃幕墙与门窗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。本文介绍了建筑结构可靠度分析与设计原理，探讨了幕墙与门窗的结构特点与可靠度分析要点，阐明了玻璃幕墙和门窗的结构设计要点。
【关键词】玻璃幕墙 门窗 结构 可靠度 设计
中图分类号： S611 文献标识码： A 文章编号：
一、前言
建筑结构可靠度分析与设计原理
1、结构的可靠度
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。
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。
2.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，以保证建筑结构在其规定的设计使用年限内具有足够的可靠度。
二、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。
三、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。
2、结构的稳定性问题
目前幕墙支承的跨度越来越大，受压和受弯构件的稳定性问题逐渐突出，若考虑不周，就容易造成稳定性破坏，其破坏性很突出，危险性很大。全玻幕墙的玻璃肋很薄，在风力作用下易产生受弯梁的平面外露，例如某工程玻璃肋高16m，自由边缘全长无平面外支承，存在安全隐患。因此，高8m以上的玻璃肋应考虑稳定性问题，必要时应采取防止平面外失稳的措施。作为估算，圆钢管的无支承长度不应超过直径的50倍。平面桁架、张拉索杆结构平面外应设计布置防止失稳的撑杆、拉杆或桁架。
3、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(中空玻璃外片荷载加大l0％后，再分片各自计算。
4、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)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。
(3)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。
(4)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，例如設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。
5、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。
结论
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。
【参考文献】
[1] JGJ102—2003，玻璃幕墙工程技术规范[S]．
[2] GB50009—2001，建筑结构荷载规范[S].
【关键词】玻璃幕墙 门窗 结构 可靠度 设计
中图分类号： S611 文献标识码： A 文章编号：
一、前言
建筑结构可靠度分析与设计原理
1、结构的可靠度
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。
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。
2.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，以保证建筑结构在其规定的设计使用年限内具有足够的可靠度。
二、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。
三、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。
2、结构的稳定性问题
目前幕墙支承的跨度越来越大，受压和受弯构件的稳定性问题逐渐突出，若考虑不周，就容易造成稳定性破坏，其破坏性很突出，危险性很大。全玻幕墙的玻璃肋很薄，在风力作用下易产生受弯梁的平面外露，例如某工程玻璃肋高16m，自由边缘全长无平面外支承，存在安全隐患。因此，高8m以上的玻璃肋应考虑稳定性问题，必要时应采取防止平面外失稳的措施。作为估算，圆钢管的无支承长度不应超过直径的50倍。平面桁架、张拉索杆结构平面外应设计布置防止失稳的撑杆、拉杆或桁架。
3、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(中空玻璃外片荷载加大l0％后，再分片各自计算。
4、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)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。
(3)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。
(4)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，例如設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。
5、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。
结论
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。
【参考文献】
[1] JGJ102—2003，玻璃幕墙工程技术规范[S]．
[2] GB50009—2001，建筑结构荷载规范[S].