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導(dǎo)讀
抗風(fēng)壓性能是關(guān)系門窗安全的基本性能,一般需要通過測試或計算評估,那么我們?yōu)槭裁匆獪y評該性能,又如何測評呢?
首先,來看看我們?yōu)槭裁匆獪y評門窗抗風(fēng)壓性能?
門窗在使用過程中主要承受風(fēng)荷載作用,而風(fēng)荷載與建筑物所在地、建筑高度、所在建筑物的位置等密切相關(guān)。
舉個例子:北京和廈門,分別取20m和100m高度,計算墻面區(qū)和墻角區(qū)的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值/設(shè)計值,結(jié)果見下表。
由于荷載數(shù)值并不直觀,以北京市20m高建筑物墻面區(qū)荷載為1.00,則各荷載比值見最后一列,結(jié)論是北京和廈門地區(qū)20m和100m高建筑物風(fēng)荷載最大差異可達(dá)5.10倍。
同時,門窗抗風(fēng)壓性能與玻璃、窗框構(gòu)造、窗型尺寸等又密切相關(guān),窗型相同尺寸增大時,門窗抗風(fēng)壓性能成指數(shù)遞減。
門窗中橫/豎框一般簡化為簡支梁模型,長度和撓度限值均增加為2倍時,承受風(fēng)壓值反而下降為約1/8;某中豎框窗,尺寸由1500×1500mm增大為1500×3000mm時,變形量約增大為18.63倍,撓度限值增長為2倍時,承受風(fēng)壓將下降90%。
《孫子兵法》有云:兵者,國之大事,死生之地,存亡之道,不可不察也。這里套用一下:抗風(fēng)壓者,窗之大事,不可不察也!
那么,我們?nèi)绾沃篱T窗在多大風(fēng)荷載時,是否還安全呢?
這就需要對門窗抗風(fēng)壓性能進(jìn)行測評,可以說這是保證門窗安全的第一步!
門窗抗風(fēng)壓性能包括玻璃、主要受力桿件正常使用極限狀態(tài)下的剛度(以撓度表征)要求和承載能力極限狀態(tài)下的強(qiáng)度(以應(yīng)力表征)要求。
以鋁合金門窗為例,抗風(fēng)壓性能應(yīng)符合GB/T 8478-2020《鋁合金門窗》中“5.6.1抗風(fēng)壓性能”的要求。
其中,抗風(fēng)壓性能分級指標(biāo)值P3對應(yīng)的就是風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值,而1.5P3對應(yīng)的是風(fēng)荷載設(shè)計值。
門窗主要受力桿件面法線撓度允許值,在P3時單層玻璃、夾層玻璃時相對撓度值為L/100,中空玻璃時為L/150,且撓度最大值不允許超過20mm;1.5P3時不應(yīng)出現(xiàn)危及人身安全的損壞。
玻璃面板,在P3時撓度允許值為其短邊邊長的1/60,在1.5P3時玻璃面板不應(yīng)發(fā)生破壞。
這個是從測試角度的說法,從計算角度,門窗主受力桿件、玻璃面板在P3時撓度允許值不能超標(biāo),在1.5P3時則是應(yīng)力不超過桿件和面板的強(qiáng)度設(shè)計值。
以門窗玻璃為例,可簡化為四邊簡支板力學(xué)模型,見下圖。
在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下,其撓度允許值為其短邊邊長的1/60;在風(fēng)荷載設(shè)計值作用下,玻璃最大應(yīng)力不應(yīng)超過其強(qiáng)度設(shè)計值,見下表。
假定玻璃尺寸為1200×1800 mm時,則風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下其最大撓度不能超過20 mm,風(fēng)荷載設(shè)計值作用下5mm或6mm厚鋼化玻璃最大應(yīng)力不應(yīng)超過84N/m㎡。
鋁合金窗框風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下相對撓度允許值為L/100(單層玻璃和夾層玻璃)和L/150(中空玻璃),絕對撓度允許值為20mm;風(fēng)荷載設(shè)計值作用下,窗框最大應(yīng)力不應(yīng)超過材料強(qiáng)度設(shè)計值,見下表。
以某1500 mm×1500 mm中空玻璃隔熱鋁合金窗為例,分格見下圖。
風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下,中豎框相對撓度值不應(yīng)超過L/150,即10 mm;風(fēng)荷載設(shè)計值作用下,6063-T5鋁合金型材最大應(yīng)力不應(yīng)超過90 N/m㎡。
我們了解了不同地區(qū)、不同高度建筑物不同部位的風(fēng)荷載有較大差別,也了解了標(biāo)準(zhǔn)對門窗玻璃和框的強(qiáng)度(應(yīng)力)、剛度(撓度)的明確規(guī)定,那么我們?nèi)绾闻袛嘧约旱漠a(chǎn)品能否達(dá)到要求呢?
方法有兩個:一是抗風(fēng)壓性能測試,二是抗風(fēng)壓計算。
門窗抗風(fēng)壓性能測試應(yīng)按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 7106《建筑外門窗氣密、水密、抗風(fēng)壓性能檢測方法》采用模擬靜壓箱法進(jìn)行,見下圖。
箱體內(nèi)模擬目標(biāo)工程風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值測試試件撓度,模擬風(fēng)荷載設(shè)計值測試試件是否破壞。
以上述某1500×1500 mm中空玻璃隔熱鋁合金窗為例,假定抗風(fēng)壓性能檢測結(jié)果見下圖。
由于變形檢測時P1取為0.4P3,因此當(dāng)相對撓度達(dá)到0.4×L/150=L/375=4mm時,對應(yīng)壓力即為P1,也就是上圖中的1.8 kPa。
根據(jù)P3=2.5P1的對應(yīng)關(guān)系可知,P3為4.5 kPa,即該窗的抗風(fēng)壓性能等級為8級;與目標(biāo)工程風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk比較,即可知該窗抗風(fēng)壓性能是否符合要求。
說完了測試,來看看門窗抗風(fēng)壓性能如何計算。
門窗抗風(fēng)壓計算可按JGJ 214《鋁合金門窗工程技術(shù)規(guī)范》、JGJ 103《塑料門窗工程技術(shù)規(guī)程》、JGJ 113《建筑玻璃技術(shù)規(guī)程》和JGJ 102《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行。
玻璃計算包括荷載分配、應(yīng)力計算、等效厚度及撓度計算等過程,可按標(biāo)準(zhǔn)采用公式法進(jìn)行,示例如下:
也可采用有限元模擬計算,見下圖。
門窗框的強(qiáng)度/剛度計算可按JGJ214《鋁合金門窗工程技術(shù)規(guī)范》中“附錄B鋁合金門窗桿件設(shè)計計算方法”進(jìn)行,包括桿件荷載計算、截面參數(shù)讀取、彎矩和應(yīng)力計算、撓度變形計算等過程。
不同支承條件和荷載形式下桿件彎矩計算公式,見下表。
不同支承條件和荷載形式下桿件撓度計算公式,見下表。
桿件計算時也有很多問題可以深入探討,如慣性矩和抵抗矩、門窗框扇桿件力學(xué)模型簡化、隔熱鋁型材等效慣性矩等,筆者也有相關(guān)文章可供參考。
好了,做個小結(jié):
門窗在使用過程中主要承受風(fēng)荷載作用,而風(fēng)荷載與建筑物所在地、建筑高度、所在建筑物的位置等密切相關(guān);門窗抗風(fēng)壓性能與玻璃、窗框構(gòu)造、窗型尺寸等又密切相關(guān),窗型相同尺寸增大時,門窗抗風(fēng)壓性能成指數(shù)遞減。
風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值下,玻璃面板撓度最大允許值為短邊邊長的1/60,框的最大撓度允許值根據(jù)面板不同分別為L/100和L/150,且不超過20mm;風(fēng)荷載設(shè)計值下,玻璃和框的最大應(yīng)力不應(yīng)超過材料強(qiáng)度設(shè)計值。
測試和計算是門窗抗風(fēng)壓性能評價的重要手段。門窗抗風(fēng)壓性能測試應(yīng)按照GB/T 7106《建筑外門窗氣密、水密、抗風(fēng)壓性能檢測方法》采用模擬靜壓箱法進(jìn)行,抗風(fēng)壓計算可根據(jù)規(guī)范要求采用公式法、有限元模擬等方法進(jìn)行。
“抗風(fēng)壓者,窗之大事,不可不察也!”,昔者魯班制木尚需規(guī)矩,今人選窗豈能不察?愿諸君擇窗如擇將,使居所固若金湯,雖狂風(fēng)驟至,亦可安枕無憂矣!
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