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鋁合金門窗工程技術規范之5結構設計
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5結構設計
5.1一般規定
5.1.1鋁合金門窗為建筑物外圍結構的重要組成部分，一般情況下屬于易于替換的結構構件，承受自重以及直接作用于其上的風荷載、地震作用和溫度作用等，不分擔主體結構承受的各種荷載和作用。
5.1.2鋁合金門窗是建筑外圍護結構的組成部分，除必須具備足夠的剛度和承載能力外，鋁合金門窗自身結構、鋁合金門窗與建筑洞口連接之間，須有一定的變形能力，以適應主體結構的變位。當主體結構在外荷載作用下產生的變形時，不應使門窗構件產生過大的內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生過大撓度導致玻璃破損，同時也避免因桿件變形過大而影響門窗的使用性能——開關困難、水密性能、氣密性能降低或玻璃發生嚴重畸變等，故對鋁合金門窗受力桿件，需同時驗算其撓度和承載力。
鋁合金門窗連接件根據不同受荷情況，需進行抗拉(壓)、抗剪和抗承壓強度驗算。
根據《建筑結構可靠度設計統一標準》GB50068規定，對于承載能力極限狀態，應采用下列設計表達式進行設計：
γ0S≤R(2)
式中：R——結構構件抗力的設計值;
S——荷載效應組合的設計值;
γ0——結構重要性系數。
門窗構件的結構重要性系數(γ0)，與門窗的設計使用年限和安全等級有關。考慮門窗為重要的持久性非結構構件，因此，門窗的安全等級一般可定為二級或三級，其結構重要性系數(γ0)可取1.0。因此，本規范設計表達式簡化表示為S≤R，本承載力設計表達式具有通用意義，作用效應設計值S可以是內力或應力，抗力設計值R可以是構件的承載力設計值或材料強度設計值。
鋁合金門窗玻璃的設計計算方法按現行行業標準《建筑玻璃應用技術規程》JGJ113的規定執行。按此計算方法，門窗玻璃的安全系數K=2.50，此時對應的玻璃失效概率為1‰。
5.1.5鋁合金門窗構件在實際使用中，將承受自重以及直接作用于其上的風荷載、地震作用、溫度作用等。在其所承受的這些荷載和作用中，風荷載時主要的作用，其數值可達(1.0～5.0)kN/㎡。地震荷載方面，根據《建筑抗震設計規范》GB50011規定，非結構構件的地震作用只考慮由自身重力產生的水平方向地震作用和支座間相對位移產生的附加作用，采用等效側力方法計算。因為門窗自重較輕，即使按最大地震作用系數考慮，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，其相應的組合效應值僅為0.26kN/㎡，遠小于風壓值。溫度作用方面，對于溫度變化引起的門窗桿件和玻璃的熱脹冷縮，在構造上可以采用相應措施有效解決，避免因門窗構件間擠壓產生溫度應力造成門窗構件破壞，如門窗框、扇連接裝配間隙，玻璃鑲嵌預留間隙(本規范第5章第5.3.2條已規定)等。同時，多年的工程設計計算經驗也表明，在正常的使用環境下，由玻璃中央部分與邊緣部分存在溫度差而產生的溫度應力亦不致使玻璃發生破損。因此，本規范規定進行鋁合金門窗結構設計時僅計算主要作用效應重力荷載和風荷載，地震作用和溫度作用效應不作計算，僅要求在設計構造上采取相應措施避免因地震作用和溫度作用效應引起門窗構件破壞。
進行鋁合金門窗構件的承載力計算時，當重力荷載對鋁合金門窗構件的承載能力不利時，重力荷載和風荷載作用的分項系數(γG、γW)應分別取1.2和1.4;當重力荷載對鋁合金門窗構件的承載能力有利時(γG、γW)應分別取1.2和1.4。
5.1.7鋁合金門窗年溫度變化△T應按實際情況確定，當不能取得實際數據時應取80℃。
5.2材料力學性能
5.2.1鋁合金型材和抗拉、壓強度設計值是根據材料的強度標準值除以材料性能分項系數取得的，本規范按《鋁合金結構設計規范》GB50429規定材料性能分項系數(γf)取1.2，所以，相應的鋁合金型材抗拉、壓強度設計值為：
鋁合金型材強度標準(fak)一般取鋁合金型材的規定非比例延伸強度Rρ0.2，Rρ0.2可按現行國家標準《鋁合金建筑型材》GB5237的規定取用。為便于設計應用，將上式計算得到的數值取5的整數倍，表5.2.1中的鋁合金抗拉、壓強度設計值即為按照這一要求計算得出的。
因風荷載分項系數γW=1.4，材料性能分項系數γf=1.2，本規范鋁合金型材總安全系數為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)，其計算和設計要求應按現行國家標準《鋼結構設計規范》GB50017的規定進行。其常用鋼材的強度設計值亦按現行國家標準《鋼結構設計規范》GB50017的規定采用。
5.2.4在鋁合金門窗的實際使用中，失效概率最大的即為門窗五金件、連接構件其承載力須滿足其產品標準的要求，對尚無產品標準的受力五金件、連接件須提供由專業檢測機構出去的產品承載力的檢測報告。
鋁合金門窗五金件、連接構件主要用于門窗窗扇與窗框的連接、鎖固和門窗的連接，一旦出現失效，將影響窗扇的正常啟閉，甚至導致窗扇的墜落，宜具有較高的安全度。根據目前國內工程的經驗，一般情況下，門窗五金件、連接構件的總安全系數可取2.0，故抗力分項系數γR(或材料性能分項系數γf)可取為1.4.所以，當門窗五金件產品標準或檢測報告提供了產品承載力標準值(產品正常使用極限狀態對應的承載力)時，其承載力設計值可按承載力標準值除以相應的抗力分項系數γR(或材料性能分項系數γf)1.4確定。特殊情況下課按總安全系數不小于2.0的原則通過分析確定相應的承載力設計值。
5.2.5為方便使用，本規范在附錄A中收錄了門窗常用緊固件和焊縫的強度設計值或承載力設計值。本規范計算門窗常用緊固件材料強度設計值時所取的抗力分項系數γR(或材料性能分項系數γf)分別為：
1不銹鋼螺栓、螺釘：總安全系數K=3，抗拉：γf=2.15;抗剪：γR=2.857;
2抽芯鉚釘：總安全系數K=1.8，γR=1.286;
3焊縫材料強度設計值按現行國家標準《鋼結構設計規范》GB50017的規定采用。
5.4鋁合金門窗主要受力桿件計算
5.4.1對于鋁合金門窗桿件這類細長構件來說，受荷后起控制作用的旺旺是桿件的撓度，因此進行門窗工程計算時，可先按門窗桿件撓度計算選取合適的桿件，然后進行桿件強度的復核。門窗中橫框型材受力形式是雙彎桿件，當門窗垂直安裝時，中橫框型材水平方向承受風荷載作用力，垂直方向承受玻璃的重力。為使中橫框型材下面框架內的玻璃鑲嵌安裝和使用不受影響，本規范要求驗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門窗型材細長桿件受彎后其最大彎曲正應力遠大于最大彎曲剪應力，所以在對門窗桿件進行強度復核時可僅進行最大彎曲正應力的驗算。同時，因鋁合金門窗自重較輕，其在豎框桿件中產生的軸力通常情況下都很小，可忽略不計。
在進行受理桿件截面抗彎承載力驗算時，鋁型材的抗彎強度設計值(f)可按本規范5.2.1條的規定采用(fa);當鋁型材中加有鋼芯時，其鋼芯的抗彎強度設計值f可按本規范5.2.2條的規定采用(fb)
按《鋁合金結構設計規范》GB50429規定，鋁合金型材截面塑性發展系數(γ)，當采用強硬化(T4、T5狀態)型材時取1.00;當采用弱硬化(T6狀態)型材時根據不同的截面形狀分別可取1.00或1.05，而對于鋁合金門窗常用截面形狀，大部分都取γ=1.00。為方便實際計算應用，本規范規定在進行鋁合金門窗受力桿件截面抗彎承載力驗算時統一取γ=1.00。
5.4.3鋁合金門窗框、扇主要受力桿件的力學模型，應根據門窗的立面分格情況、開啟形式、框扇連接鎖固方式等，按照《建筑結構靜力學計算手冊》計算方法，分別簡化為承受各類分布荷載或集中荷載的簡支梁和懸臂梁等來進行計算。為方便使用，本規范在附錄B中，規定了門窗桿件撓度、彎矩的簡化計算方法，可參照執行。
5.5連接設計
5.5.1鋁合金門窗構件的端部連接節點、窗扇連接鉸鏈、合頁和鎖緊裝置等門窗五金件和連接件的連接點，在門窗結構受力體系體系中相當于受力桿件簡支梁和懸臂梁的支座，應有足夠的連接強度和承載力，以保證門窗結構體系的受力和傳力。在我國多年的鋁合金門窗實際工程經驗中，實際使用中損壞和在風壓作用下發生的損毀，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、鉚釘拉脫而導致鏈接失效而引起。因此，在鋁合金門窗工程設計中，應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計，應按荷載和作用的分布和傳遞，正確設計、計算門窗連接節點，根據連接形式和承載情況，進行五金件、連接件及緊固件的抗拉(壓)、抗剪切和抗擠壓等強度校核計算。
5.5.2在進行鋁合金門窗五金件和連接件強度計算時，根據不同連接件情況，可分別采用應力表達式：σ≤f或承載力表達式：S≤R進行計算。
通常情況下，進行連接件強度計算時，一般可采用應力表達式進行計算;而門窗五金件產品標準或產品檢測報告所提供的一般為產品承載力，在此情況下，采用承載力表達式進行計算將較為直觀、簡單。
5.5.8不同金屬相互接觸處，容易產生雙金屬腐蝕，所以要求設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生雙金屬腐蝕，一般可不設置絕緣墊片。
5.5.9連接螺栓、螺釘或鉚釘的中心距和中心至構件邊緣的距離，應按《鋁合金結構設計規范》GB50429規定執行，同時應滿足構件受剪面進行驗算。同事，當螺釘直接通過型材孔壁螺紋受力連接時，應驗算螺紋承載力。必要時，應采取相應的補強措施，如采用加襯板等，或改變連接方式。
5.6隱框窗硅酮結構密封膠設計
5.6.1硅酮結構密封膠在施工前，應進行與玻璃、型材的剝離試驗，以及相接觸的有機材料的相容性試驗，合格后方能使用。如果硅酮結構密封與接觸材料不相容，會導致結構膠粘結力下降或喪失。
5.6.2硅酮結構密封膠的粘結寬度、厚度的設計計算，《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ102均作了詳細規定。在進行隱框窗結構膠粘接寬度、厚度的設計計算時，應考慮風荷載效應和玻璃自重效應，按照非抗震設計計算公式進行設計計算。
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