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淺談:建筑幕墻可靠性設計原理與實踐

來源:2019年會論文集  作者:陳峻  日期:2019-7-29
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   摘要:本文從土木結構工程和機械產品可靠性理論出發,對幕墻結構安全的可靠性原理和概念進行了研究和梳理,并將幕墻結構可靠性原理與幕墻構造設計、幕墻安全評估進行關聯,使傳統的幕墻結構可靠性設計理論化和具體化,是對幕墻工程結構安全設計實踐與理論結合進行了有益的嘗試和創新,旨在提升幕墻設計結構可靠性分析的能力,為幕墻工程安全評估、工程質量安全保障提供理論上的參考依據。上篇僅針對幕墻可靠性原理加以闡述,使讀者理解幕墻可靠性的內涵和外延。
    關鍵詞:可靠度 可靠性

  1 前言

  我們在幕墻設計實踐過程中,常常會遇到既有建筑改造之前,需要檢測以判斷幕墻產品的可靠度;幕墻結構工程師和幕墻系統設計師對同一個節點細部安全的可靠性理解大相徑庭;幕墻結構評審時,專家的評判和被審查者的工程實踐經驗和理論認知差距較大時,評審往往陷入尷尬的局面……。實際上新材料(詞條“新材料”由行業大百科提供)、新工藝、新技術在幕墻工程應用中遇到的審查;復雜空間結構設計(詞條“結構設計”由行業大百科提供)帶來的跨專業問題;建筑幕墻使用壽命到期問題;由于建筑功能要求日益苛刻的需要,導致幕墻系統結構設計的復雜性;災害性氣候對幕墻的損害,而導致社會公共安全及索賠問題,都對建筑幕墻可靠性提出新的要求和挑戰。

  一種適合于幕墻的結構可靠性理論,可用來指導技術人員進行科學合理的設計,除去思想上的疑惑,在結構安全設計上提高效率,在安全評估上能有明確和快速決斷的依據,有效降低幕墻維修的成本;同時,隨著我國幕墻工程越來越復雜,幕墻系統結構安全的可靠性日益引起行業重視,它關系到幕墻工程的質量安全和社會成本總投入,也涉及到幕墻技術的發展和理論創新。

  2 可靠性概念

  幕墻作為一個產品,系統可靠性是靠前期設計、生產制造、施工安裝、使用管理等一系列工程環節來保障的,但首先是被設計出來的。傳統的結構設計和強度校核是基于確定性分析,即結構計算時假定結構的幾何尺寸、材料的物理性能以及所受的載荷均是確定的。但實際上這些因素都帶有隨機性:例如建筑立面(詞條“建筑立面”由行業大百科提供)上的風等載荷都是不確定的,鋼(詞條“鋁”由行業大百科提供)結構材料中用的材料物理性能參數可能與提供的有所差別,名義尺寸與實際結構不完全一致;計算中引入的假設和計算模型與實際情況有偏離等等。這些因素都會影響對結構真實可靠性評價。慣用的確定性分析中為了考慮這些不確定因素的影響只是簡單地引入安全因子概念,使許用應力略低于材料地試驗數據或認為地加大幾何尺寸,以抵消一些偏危險地因素,提高安全感。安全因子K:

  盡管如此,結構發生破壞的事件還時有發生。這是由于客觀世界的規律引起:(1)隨機現象,是因為難以全部估計的多種偶然因素存在,通常無法事先準確斷定未來事件的結果,表現出因果關系不充分,在一些條件下,某些結果并不總是滿足“必然如此”。它除了客觀事物有這種特性外,還包括主觀認識的不完整性。(2)模糊現象,是因為難以對周圍某些事物給出明確的定義和確定性的評定標準,通常無法絕對判定事物屬于何類型。判斷事件屬性時其邊界的不清楚性是模糊事件的特點。以強度問題為例,如計算求得的最大應力值小于或等于許用應力值,則認為結構沒有破壞,但計算值超過哪怕是超過一點點,則結構被認為是失效了。而事實上應力的允許范圍具有模糊性,從允許到不允許是逐步過渡的。(3)不準確或不完整的信息:對自然界現象認識不足或辨別和了解能力的局限性。

  在工程實踐中,上面三種不確定現象均存在。二十世紀五十年代以來,學者和專家對可靠性進行了不斷研究后,形成了基于上述規律的較為成熟的可靠性理論--隨機可靠性分析理論。

  根據GB/T21086建筑幕墻[1]的定義是:由面板支承結構體系(支承裝置與支承結構)組成的、可相對主體有一定位移能力或自身有一定變形能力、不承擔主體結構所受作用的建筑外圍護墻。幕墻是一個結構概念也有別于傳統的建筑結構體系,由于它由面板和支撐結構體系組成,兼顧工程結構、機械設計范疇。可靠性概念可從這兩方面來進行考慮。

  2.1 建筑結構可靠性

  [2]建筑結構可靠性包含了結構安全性、適用性、耐久性幾個方面的含義,即(1)能承受在正常施工和正常使用時可能出現的各種作用;(2)在正常使用時具有良好的工作性能;(3)在正常維護狀態下具有足夠的耐久性能;(4)在偶然事件發生時及發生后,仍能保持必須的整體穩定性。

  在規定的時間和條件下,工程結構完成預定功能的概率,是工程結構可靠性的概率度量。工程結構可靠性,是指在規定時間和條件下,工程結構具有的滿足預期的安全性、適用性和耐久性等功能的能力。由于影響可靠性的各種因素存在著不定性,如荷載、材料性能等的變異,計算模型的不完善,制作質量的差異等,而且這些影響因素是隨機的,因而工程結構完成預定功能的能力只能用概率度量。結構能夠完成預定功能的概率,稱為可靠概率;結構不能完成預定功能的概率,稱為失效概率

  幕墻結構設計的可靠性與建筑結構設計的可靠性要求是完全吻合的,幕墻結構體系的設計和選擇與可靠性有著直接的關系。

  2.2 機械可靠性

  機械可靠性指產品在規定條件下和規定時間內完成規定功能的能力。包含4個要素(1)產品:任何設備、系統或元器件。(2)規定條件:包括使用時的環境條件和工作條件。環境條件:溫度、濕度、振動、沖擊、輻射等;工作條件:維護方法、儲存條件、操作人員水平等。(3)規定時間:產品的規定壽命。(4)規定功能:產品必須具備的功能和技術指標。

  固有可靠性指的是產品在設計、生產中已經確定的可靠性,它是產品內在的可靠性。與產品的制造、設計與生產有關;使用可靠性是指產品在使用中的可靠性,它與產品的運輸、儲藏、保管及使用過程中的操作水平、維修和環境等因素有關。

  可見,機械系統和產品的可靠性與幕墻的產品可靠性要求也是一致的,幕墻產品種類也有很多,如鉸鏈(詞條“鉸鏈”由行業大百科提供)風撐預埋件通風器等,而幕墻材料玻璃鋁合金型材結構密封膠(詞條“結構密封膠”由行業大百科提供)等,也符合機械產品可靠性的概念。

  2.3 建筑幕墻可靠性

  工程結構的隨機可靠性分析與機械系統和產品的可靠性分析從本質上均是基于經典可靠性理論。然而,工程結構的隨機可靠性與機械產品等可靠性在一些重要方面還是有一定差別,因為機械產品多數是批量生產,且可以假定在名義上是相同的,可以根據統計概率得出破壞概率,但對工程結構尤其是大型工程結構常常無法以類似方法確定破壞概率。工程中需要預測結構破壞事件的數量,在設計階段要從各個方面預估結構件強度或撓度特性,綜合其概率模型。這個模型應該包括對所受載荷和結構抗破壞能力有影響的所有隨機不確定因素。

  從工程交付上看,幕墻是一個產品,具有機械可靠性的屬性,可理解為可靠性是指建筑在滿足建筑外觀要求和幕墻設計使用年限內持續滿足建筑幕墻物理性能的能力。從結構工程上看,幕墻可靠性是指在建筑幕墻使用年限內和各種自然作用下,幕墻結構具有滿足預期的安全性、適用性和耐久性等功能的能力。由此可以看出,幕墻兼顧產品和結構功能的雙重屬性本質上是一致的,對幕墻產品可靠性定義可理解為:建筑幕墻的可靠性是指幕墻面板和支撐結構體系在設計使用年限內和正常設計、施工、使用條件下,達到預期的安全性、適用性和耐久性等建筑物理性能的能力。在這里,面板不僅是指玻璃、石材等面材,也包括板塊之間嵌縫密封膠密封條;而支撐結構不僅包括受力龍骨轉接件(詞條“轉接件”由行業大百科提供)埋件,也包括開窗器、鉸鏈等有結構傳力作用的五金附件。

  2.4 結構可靠度

  結構可靠度是結構可靠性的概率量度,即結構在規定的條件下和規定的時間內,完成規定功能的概率,是時間的概率。規定時間是指幕墻設計使用年限,目前國家和行業規范界定幕墻設計使用年限為25年;規定條件是指正常的設計、施工、使用條件,而不考慮認為過失所造成的事故。幕墻結構可靠度應該是結構安全性、適用性和耐久性的統稱。

  可靠度含有五個要素:對象、規定條件、規定時間、規定功能和概率。其中,前三個要素是可靠性的前提,是確切的具體的,這三個要素中不會也不允許包含模糊性,幕墻工程實踐中的模糊性主要出現在對是否“完成規定功能”的判斷和界定上,也就是說,在“完成”和“未完成”之間并不存在明顯的界限,因此事實上,更準確的說法應該是“在某種程度上完成規定功能”,這樣一來,可靠性的定義中就體現出了其可能存在的模糊性。因此,為了解決這個問題,引入了概率論和數理統計的數學模型,兩者把實際問題中涉及到的模糊因素用數學表達式表示出來,使問題得以量化和精確化,可以將數學的研究對象從必然現象擴展到隨機現象的領域,為人們比較準確地描述和處理具有模糊性的現象和事物提供了一種有效的數學手段。

  根據工程結構設計的原理,幕墻結構可靠性的因素歸納為兩個綜合值,結構構件(詞條“結構構件”由行業大百科提供)的荷載作用S和抗力(詞條“抗力”由行業大百科提供)R,引入結構極限狀態方程:

  其中Z為結構功能函數。由于影響荷載作用S和結構抗力R分別有由很多其下屬的基本隨機變量(如形狀、材性等)組成,將這些隨機變量設為X1,X2,…,Xn ,則結構功能函數的一般形式為:

  極限狀態作為結構可靠性的臨界判斷狀態,可分為承載能力與正常使用狀態,其中承載能力極限狀態對應于幕墻結構或構件達到最大承載能力或不適于繼續承載的變形:

  (1) 整個幕墻結構體系或其中一部分作為剛體失去平衡(如傾覆等);

  (2) 幕墻結構構件或連續因材料強度被超過而破壞(包括疲勞破壞),或因過度的塑性(詞條“塑性”由行業大百科提供)變形而不適于繼續承載;

  (3) 幕墻結構轉變為機動體系;

  (4) 幕墻結構或結構構件喪失穩定(如壓屈等)。

  正常使用極限狀態,對應于結構或結構構件達到正常使用或耐久性能的某項規定限值。

  (1) 影響幕墻正常使用或外觀的變形;

  (2) 影響幕墻耐久性能的局部損壞(包括材料裂縫);由此可得出:

  (a) Z > 0 結構可靠

  (b) Z < 0 結構失效

  (c) Z = 0 結構處于極限狀態

  以上是結構可靠性設計的基本判定公式。

  引入可靠概率:結構能完成預定功能的概率(ps);失效概率:結構不能完成預定功能的概率(pf)概念:

  失效概率pf 越小,結構的可靠性越高;失效概率pf 越大,結構的可靠性越低。通常以失效概率pf來度量結構可靠度。

圖2.1安全概率和失效概率的關系圖

  實際上,失效概率pf的計算相當復雜,引用結構可靠指標(詞條“可靠指標”由行業大百科提供)β來代替失效概率pf,

圖2.2可靠指標與失效概率的關系圖

  如前面所述,當結構功能函數Z為多個隨機變量組成的非線性函數時,且變量并不都服從正態分布或對數正態分布,此時基本上無法求解功能函數值,需要近似簡化,以近似概率法分析可靠度,常見的有中心點法和驗算點法,本文不在詳述。

  3 幕墻可靠性數學基礎

  3.1 可靠性分析中常用的概率分布

  產品的可靠度都是隨機變量,要運用概率論理論和方法來研究這些隨機變量的規律。通常的做法是先討論幾種典型的已被證實的重要分布類型,再把產品的現場或試驗數據用計算機進行模擬,進行統計學處理,用來判別處理結果和哪一種分布函數吻合,則稱這種隨機變量符合某種函數分布,運用函數分布曲線,可快速簡便估算出某一時刻的函數值,即可靠度。與幕墻工程相關的常見的分布函數有:二項分布、泊松分布、正態分布、對數正態分布、指數分布、威爾分布等。

  (1) 離散型隨機變量的分布:隨機變量可能的取值為有限個,每一個不同的變量值對應一個明確的概率值。

  (2) 連續性隨機變量:在給定區間(或無限區間)內可取的任意數值的隨機變量。通常電子零部件、機械產品的壽命都屬于連續性隨機變量,如幕墻開啟扇執手、鉸鏈、電動開窗器等,

  計算結果如下表3-1:

  繪制圖形為圖3-1:

  4 小結

  本文針對工程可靠性概念,對幕墻結構可靠性的原理概念進行了梳理和定義,兼具結構工程和機械產品的雙重功能的幕墻系統,具有復雜的功能,文章介紹了用于可靠性研究的基本數學模型,并對幕墻部分產品可靠度計算舉例,闡明了以后可靠性分析所用的基本數學工具。

  由于篇幅有限,后續相關針對幕墻可靠性設計與分析的方法、案例應用的論述,另文詳敘,待續未完。

  參考文獻

  [1]國家標準《建筑幕墻》,GB/T21086-2007

  [2]國家標準《建筑可靠度統一設計標準》,GB 50068-2001

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專家介紹

 陳峻

鋁門窗幕墻委員會專家組

工作單位:現代設計集團華東建筑設計研究院有限公司 

技術職稱:高工

專業:1、幕墻咨詢、顧問 2、建筑表皮設計

專長:1.建筑表皮設計咨詢;建筑相關幕墻的規范、標準。 2.建筑幕墻、鋁質門窗的技術開發、設計、咨詢顧問及施工管理。

原文地址:http://www.52mqw.com/info/2019-7-29/46236-1.htm
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