5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 一般規(guī)定

5.1.1 鋁合金門窗為建筑物外圍結(jié)構(gòu)的重要組成部分，一般情況下屬于易于替換的結(jié)構(gòu)構(gòu)件，承受自重以及直接作用于其上的風(fēng)荷載、地震作用和溫度作用等，不分擔(dān)主體結(jié)構(gòu)承受的各種荷載和作用。

5.1.2 鋁合金門窗是建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的組成部分，除必須具備足夠的剛度和承載能力外，鋁合金門窗自身結(jié)構(gòu)、鋁合金門窗與建筑洞口連接之間，須有一定的變形能力，以適應(yīng)主體結(jié)構(gòu)的變位。當(dāng)主體結(jié)構(gòu)在外荷載作用下產(chǎn)生的變形時(shí)，不應(yīng)使門窗構(gòu)件產(chǎn)生過(guò)大的內(nèi)力和不能承受的變形。

5.1.4 鋁合金門窗的面板玻璃為脆性材料，為了不致由于門窗受力后產(chǎn)生過(guò)大撓度導(dǎo)致玻璃破損，同時(shí)也避免因桿件變形過(guò)大而影響門窗的使用性能——開(kāi)關(guān)困難、水密性能、氣密性能降低或玻璃發(fā)生嚴(yán)重畸變等，故對(duì)鋁合金門窗受力桿件，需同時(shí)驗(yàn)算其撓度和承載力。

鋁合金門窗連接件根據(jù)不同受荷情況，需進(jìn)行抗拉(壓)、抗剪和抗承壓強(qiáng)度驗(yàn)算。

根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB50068規(guī)定，對(duì)于承載能力極限狀態(tài)，應(yīng)采用下列設(shè)計(jì)表達(dá)式進(jìn)行設(shè)計(jì)：

γ0S≤R (2)

式中：R——結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的設(shè)計(jì)值;

S——荷載效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值;

γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)。

門窗構(gòu)件的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)(γ0)，與門窗的設(shè)計(jì)使用年限和安全等級(jí)有關(guān)。考慮門窗為重要的持久性非結(jié)構(gòu)構(gòu)件，因此，門窗的安全等級(jí)一般可定為二級(jí)或三級(jí)，其結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)(γ0)可取1.0。因此，本規(guī)范設(shè)計(jì)表達(dá)式簡(jiǎn)化表示為S≤R，本承載力設(shè)計(jì)表達(dá)式具有通用意義，作用效應(yīng)設(shè)計(jì)值S可以是內(nèi)力或應(yīng)力，抗力設(shè)計(jì)值R可以是構(gòu)件的承載力設(shè)計(jì)值或材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值。

鋁合金門窗玻璃的設(shè)計(jì)計(jì)算方法按現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ113的規(guī)定執(zhí)行。按此計(jì)算方法，門窗玻璃的安全系數(shù)K=2.50，此時(shí)對(duì)應(yīng)的玻璃失效概率為1‰。

5.1.5 鋁合金門窗構(gòu)件在實(shí)際使用中，將承受自重以及直接作用于其上的風(fēng)荷載、地震作用、溫度作用等。在其所承受的這些荷載和作用中，風(fēng)荷載時(shí)主要的作用，其數(shù)值可達(dá)(1.0～5.0)kN/㎡。地震荷載方面，根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011規(guī)定，非結(jié)構(gòu)構(gòu)件的地震作用只考慮由自身重力產(chǎn)生的水平方向地震作用和支座間相對(duì)位移產(chǎn)生的附加作用，采用等效側(cè)力方法計(jì)算。因?yàn)殚T窗自重較輕，即使按最大地震作用系數(shù)考慮，門窗的水平地震荷載在各種常用玻璃配置情況下的水平方向地震作用力一般處于(0.04～0.4)kN/㎡的范圍內(nèi)，其相應(yīng)的組合效應(yīng)值僅為0.26 kN/㎡，遠(yuǎn)小于風(fēng)壓值。溫度作用方面，對(duì)于溫度變化引起的門窗桿件和玻璃的熱脹冷縮，在構(gòu)造上可以采用相應(yīng)措施有效解決，避免因門窗構(gòu)件間擠壓產(chǎn)生溫度應(yīng)力造成門窗構(gòu)件破壞，如門窗框、扇連接裝配間隙，玻璃鑲嵌預(yù)留間隙(本規(guī)范第5章第5.3.2條已規(guī)定)等。同時(shí)，多年的工程設(shè)計(jì)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)也表明，在正常的使用環(huán)境下，由玻璃中央部分與邊緣部分存在溫度差而產(chǎn)生的溫度應(yīng)力亦不致使玻璃發(fā)生破損。因此，本規(guī)范規(guī)定進(jìn)行鋁合金門窗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)僅計(jì)算主要作用效應(yīng)重力荷載和風(fēng)荷載，地震作用和溫度作用效應(yīng)不作計(jì)算，僅要求在設(shè)計(jì)構(gòu)造上采取相應(yīng)措施避免因地震作用和溫度作用效應(yīng)引起門窗構(gòu)件破壞。

進(jìn)行鋁合金門窗構(gòu)件的承載力計(jì)算時(shí)，當(dāng)重力荷載對(duì)鋁合金門窗構(gòu)件的承載能力不利時(shí)，重力荷載和風(fēng)荷載作用的分項(xiàng)系數(shù)(γG、γW)應(yīng)分別取1.2和1.4;當(dāng)重力荷載對(duì)鋁合金門窗構(gòu)件的承載能力有利時(shí)(γG、γW)應(yīng)分別取1.2和1.4。

5.1.7 鋁合金門窗年溫度變化△T應(yīng)按實(shí)際情況確定，當(dāng)不能取得實(shí)際數(shù)據(jù)時(shí)應(yīng)取80℃。

5.2 材料力學(xué)性能

5.2.1 鋁合金型材和抗拉、壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值是根據(jù)材料的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值除以材料性能分項(xiàng)系數(shù)取得的，本規(guī)范按《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50429規(guī)定材料性能分項(xiàng)系數(shù)(γf)取1.2，所以，相應(yīng)的鋁合金型材抗拉、壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為：

鋁合金型材強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)(fak)一般取鋁合金型材的規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度Rρ0.2，Rρ0.2可按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋁合金建筑型材》GB5237的規(guī)定取用。為便于設(shè)計(jì)應(yīng)用，將上式計(jì)算得到的數(shù)值取5的整數(shù)倍，表5.2.1中的鋁合金抗拉、壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值即為按照這一要求計(jì)算得出的。

因風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)γW=1.4，材料性能分項(xiàng)系數(shù)γf=1.2，本規(guī)范鋁合金型材總安全系數(shù)為K=γWγf=1.68。

5.2.2 鋁合金門窗中鋼材主要用于連接件(如連接鋼板、螺栓等)，其計(jì)算和設(shè)計(jì)要求應(yīng)按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017的規(guī)定進(jìn)行。其常用鋼材的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值亦按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017的規(guī)定采用。

5.2.4 在鋁合金門窗的實(shí)際使用中，失效概率最大的即為門窗五金件、連接構(gòu)件其承載力須滿足其產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的要求，對(duì)尚無(wú)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的受力五金件、連接件須提供由專業(yè)檢測(cè)機(jī)構(gòu)出去的產(chǎn)品承載力的檢測(cè)報(bào)告。

鋁合金門窗五金件、連接構(gòu)件主要用于門窗窗扇與窗框的連接、鎖固和門窗的連接，一旦出現(xiàn)失效，將影響窗扇的正常啟閉，甚至導(dǎo)致窗扇的墜落，宜具有較高的安全度。根據(jù)目前國(guó)內(nèi)工程的經(jīng)驗(yàn)，一般情況下，門窗五金件、連接構(gòu)件的總安全系數(shù)可取2.0，故抗力分項(xiàng)系數(shù)γR(或材料性能分項(xiàng)系數(shù)γf)可取為1.4.所以，當(dāng)門窗五金件產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或檢測(cè)報(bào)告提供了產(chǎn)品承載力標(biāo)準(zhǔn)值(產(chǎn)品正常使用極限狀態(tài)對(duì)應(yīng)的承載力)時(shí)，其承載力設(shè)計(jì)值可按承載力標(biāo)準(zhǔn)值除以相應(yīng)的抗力分項(xiàng)系數(shù)γR(或材料性能分項(xiàng)系數(shù)γf)1.4確定。特殊情況下課按總安全系數(shù)不小于2.0的原則通過(guò)分析確定相應(yīng)的承載力設(shè)計(jì)值。

5.2.5 為方便使用，本規(guī)范在附錄A中收錄了門窗常用緊固件和焊縫的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值或承載力設(shè)計(jì)值。本規(guī)范計(jì)算門窗常用緊固件材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值時(shí)所取的抗力分項(xiàng)系數(shù)γR(或材料性能分項(xiàng)系數(shù)γf)分別為：

1 不銹鋼螺栓、螺釘：總安全系數(shù)K=3，抗拉：γf=2.15;抗剪：γR=2.857;

2 抽芯鉚釘：總安全系數(shù)K=1.8，γR=1.286;

3 焊縫材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50017的規(guī)定采用。

5.4 鋁合金門窗主要受力桿件計(jì)算

5.4.1 對(duì)于鋁合金門窗桿件這類細(xì)長(zhǎng)構(gòu)件來(lái)說(shuō)，受荷后起控制作用的旺旺是桿件的撓度，因此進(jìn)行門窗工程計(jì)算時(shí)，可先按門窗桿件撓度計(jì)算選取合適的桿件，然后進(jìn)行桿件強(qiáng)度的復(fù)核。門窗中橫框型材受力形式是雙彎桿件，當(dāng)門窗垂直安裝時(shí)，中橫框型材水平方向承受風(fēng)荷載作用力，垂直方向承受玻璃的重力。為使中橫框型材下面框架內(nèi)的玻璃鑲嵌安裝和使用不受影響，本規(guī)范要求驗(yàn)算在承受重力荷載作用下中橫框型材平行于玻璃平面方向的撓度值。

5.4.2 門窗型材細(xì)長(zhǎng)桿件受彎后其最大彎曲正應(yīng)力遠(yuǎn)大于最大彎曲剪應(yīng)力，所以在對(duì)門窗桿件進(jìn)行強(qiáng)度復(fù)核時(shí)可僅進(jìn)行最大彎曲正應(yīng)力的驗(yàn)算。同時(shí)，因鋁合金門窗自重較輕，其在豎框桿件中產(chǎn)生的軸力通常情況下都很小，可忽略不計(jì)。

在進(jìn)行受理?xiàng)U件截面抗彎承載力驗(yàn)算時(shí)，鋁型材的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值(f)可按本規(guī)范5.2.1條的規(guī)定采用(fa);當(dāng)鋁型材中加有鋼芯時(shí)，其鋼芯的抗彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)值f可按本規(guī)范5.2.2條的規(guī)定采用(fb)

按《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50429規(guī)定，鋁合金型材截面塑性發(fā)展系數(shù)(γ)，當(dāng)采用強(qiáng)硬化(T4、T5狀態(tài))型材時(shí)取1.00;當(dāng)采用弱硬化(T6狀態(tài))型材時(shí)根據(jù)不同的截面形狀分別可取1.00或1.05，而對(duì)于鋁合金門窗常用截面形狀，大部分都取γ=1.00。為方便實(shí)際計(jì)算應(yīng)用，本規(guī)范規(guī)定在進(jìn)行鋁合金門窗受力桿件截面抗彎承載力驗(yàn)算時(shí)統(tǒng)一取γ=1.00。

5.4.3 鋁合金門窗框、扇主要受力桿件的力學(xué)模型，應(yīng)根據(jù)門窗的立面分格情況、開(kāi)啟形式、框扇連接鎖固方式等，按照《建筑結(jié)構(gòu)靜力學(xué)計(jì)算手冊(cè)》計(jì)算方法，分別簡(jiǎn)化為承受各類分布荷載或集中荷載的簡(jiǎn)支梁和懸臂梁等來(lái)進(jìn)行計(jì)算。為方便使用，本規(guī)范在附錄B中，規(guī)定了門窗桿件撓度、彎矩的簡(jiǎn)化計(jì)算方法，可參照?qǐng)?zhí)行。

5.5 連接設(shè)計(jì)

5.5.1 鋁合金門窗構(gòu)件的端部連接節(jié)點(diǎn)、窗扇連接鉸鏈、合頁(yè)和鎖緊裝置等門窗五金件和連接件的連接點(diǎn)，在門窗結(jié)構(gòu)受力體系體系中相當(dāng)于受力桿件簡(jiǎn)支梁和懸臂梁的支座，應(yīng)有足夠的連接強(qiáng)度和承載力，以保證門窗結(jié)構(gòu)體系的受力和傳力。在我國(guó)多年的鋁合金門窗實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)中，實(shí)際使用中損壞和在風(fēng)壓作用下發(fā)生的損毀，很多情況都是由于五金件和連接體本身承載力不足或鏈接螺釘、鉚釘拉脫而導(dǎo)致鏈接失效而引起。因此，在鋁合金門窗工程設(shè)計(jì)中，應(yīng)高度注意門窗五金件和連接件承受力校核和連接可靠性設(shè)計(jì)，應(yīng)按荷載和作用的分布和傳遞，正確設(shè)計(jì)、計(jì)算門窗連接節(jié)點(diǎn)，根據(jù)連接形式和承載情況，進(jìn)行五金件、連接件及緊固件的抗拉(壓)、抗剪切和抗擠壓等強(qiáng)度校核計(jì)算。

5.5.2 在進(jìn)行鋁合金門窗五金件和連接件強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，根據(jù)不同連接件情況，可分別采用應(yīng)力表達(dá)式：σ≤f或承載力表達(dá)式：S≤R進(jìn)行計(jì)算。

通常情況下，進(jìn)行連接件強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，一般可采用應(yīng)力表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算;而門窗五金件產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或產(chǎn)品檢測(cè)報(bào)告所提供的一般為產(chǎn)品承載力，在此情況下，采用承載力表達(dá)式進(jìn)行計(jì)算將較為直觀、簡(jiǎn)單。

5.5.8 不同金屬相互接觸處，容易產(chǎn)生雙金屬腐蝕，所以要求設(shè)置絕緣墊片或采取其他防腐措施。在正常條件下，鋁合金與不銹鋼材料接觸不易發(fā)生雙金屬腐蝕，一般可不設(shè)置絕緣墊片。

5.5.9 連接螺栓、螺釘或鉚釘?shù)闹行木嗪椭行闹翗?gòu)件邊緣的距離，應(yīng)按《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50429規(guī)定執(zhí)行，同時(shí)應(yīng)滿足構(gòu)件受剪面進(jìn)行驗(yàn)算。同事，當(dāng)螺釘直接通過(guò)型材孔壁螺紋受力連接時(shí)，應(yīng)驗(yàn)算螺紋承載力。必要時(shí)，應(yīng)采取相應(yīng)的補(bǔ)強(qiáng)措施，如采用加襯板等，或改變連接方式。

5.6 隱框窗硅酮結(jié)構(gòu)密封膠設(shè)計(jì)

5.6.1 硅酮結(jié)構(gòu)密封膠在施工前，應(yīng)進(jìn)行與玻璃、型材的剝離試驗(yàn)，以及相接觸的有機(jī)材料的相容性試驗(yàn)，合格后方能使用。如果硅酮結(jié)構(gòu)密封與接觸材料不相容，會(huì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)膠粘結(jié)力下降或喪失。

5.6.2 硅酮結(jié)構(gòu)密封膠的粘結(jié)寬度、厚度的設(shè)計(jì)計(jì)算，《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102均作了詳細(xì)規(guī)定。在進(jìn)行隱框窗結(jié)構(gòu)膠粘接寬度、厚度的設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮風(fēng)荷載效應(yīng)和玻璃自重效應(yīng)，按照非抗震設(shè)計(jì)計(jì)算公式進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。