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摘要：為了解鋁合金門窗模型結(jié)構(gòu)計(jì)算的可靠性，作者運(yùn)用現(xiàn)有建筑結(jié)構(gòu)分析理論，結(jié)合現(xiàn)行有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，對常見鋁合金門窗(不包括幕墻窗)結(jié)構(gòu)計(jì)算分析思路進(jìn)行梳理，在荷載取值、窗的結(jié)構(gòu)支承體系，玻璃與鋁合金構(gòu)件連接、中空玻璃等計(jì)算分析方面提出了系統(tǒng)的方法。結(jié)論將為鋁合金（詞條“合金”由行業(yè)大百科提供）門窗結(jié)構(gòu)計(jì)算分析設(shè)計(jì)提供參考。
關(guān)鍵詞：鋁合金門窗; 內(nèi)平開窗; 外平開窗; 內(nèi)開內(nèi)傾窗
建筑設(shè)計(jì)時(shí)考慮到所賦予的使用功能、舒適性及建筑物理、建筑節(jié)能要求，通常會在墻上設(shè)置一定數(shù)量的門窗，最常用為鋁合金門窗，其框、扇桿件采用鋁合金型材，鋁合金門窗是圍護(hù)結(jié)構(gòu)，門窗以主體結(jié)構(gòu)為其支承主結(jié)構(gòu)。
鋁合金門窗面板采用玻璃材料，根據(jù)建筑設(shè)計(jì)要求可選用超白玻璃、普通無色玻璃、著色玻璃、鍍膜玻璃、貼膜玻璃;根據(jù)建筑物理要求可選用單片玻璃、中空玻璃、中空LOW-E玻璃、真空玻璃。根據(jù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求可選用浮法玻璃、半鋼化玻璃、鋼化玻璃、夾層玻璃;根據(jù)國家、地方政府、行業(yè)規(guī)定及規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的要求，人員流動性大的公共場所，易于受到人員和物體碰撞的鋁合金門窗應(yīng)采用安全玻璃;建筑物中下列部位的鋁合金門窗應(yīng)使用安全玻璃：七層及七層以上建筑物外開窗、面積大于1.5m2的窗玻璃或玻璃底邊離最終裝修面小于500mm的落地窗、傾斜安裝的鋁合金窗（詞條“鋁合金窗”由行業(yè)大百科提供）。
鑒于建筑設(shè)計(jì)對鋁合金門窗洞口尺寸的要求綜合考慮了采光、節(jié)能、裝飾等因素，尚應(yīng)考慮具體的門窗產(chǎn)品特點(diǎn)、玻璃的許用面積等有關(guān)門窗的供應(yīng)鏈要素。通常鋁合金門窗的立面分格尺寸不宜過大。
鋁合金門窗的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析方法采用彈性方法計(jì)算作用效應(yīng)組合，規(guī)則構(gòu)件可按近似公式計(jì)算，復(fù)雜構(gòu)件可按有限元方法計(jì)算;由于門窗不屬于大跨度空間結(jié)構(gòu)，總體變形須控制在較小范圍，故不考慮幾何非線性效應(yīng)。
《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50429-2007[1]第4.2.4條指出“框架結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析可采用一階彈性分析（詞條“一階彈性分析”由行業(yè)大百科提供）”。在考慮對比不同算法之前有必要明確理論和有限元方法的前提假設(shè)。簡而言之，近似公式計(jì)算涉及到材料力學(xué)基本假設(shè)，即平截面(幾何線性)、胡克定律(材料線性)和邊界不變性(邊界線性)，整體剛度保持不變;有限元分析是按線性、彈性的(幾何與材料線性)和支座接觸(邊界非線性)來模擬，整體剛度將由于接觸關(guān)系而變化。
本文通過對比不同型式、不同工況、不同計(jì)算方法來對鋁合金門窗進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。
1 鋁合金門窗的型式分類
按照圍護(hù)結(jié)構(gòu)類型可分為外門窗、內(nèi)門窗;按開啟方式，鋁合金門按轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)可分為合頁（詞條“合頁”由行業(yè)大百科提供）門、地彈簧門，按開啟方式可分為平開旋轉(zhuǎn)門、推拉平移門、折疊門;鋁合金窗可分為上懸窗（詞條“上懸窗”由行業(yè)大百科提供）、下懸窗（詞條“下懸窗”由行業(yè)大百科提供）、立轉(zhuǎn)窗、內(nèi)平開窗、外平開窗、內(nèi)開內(nèi)傾窗、平開推拉窗、提升推拉窗、提拉窗等。結(jié)合建筑設(shè)計(jì)的要求、使用者體驗(yàn)調(diào)研及結(jié)構(gòu)安全度的考量，本人不建議在大量使用平推窗作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)，此項(xiàng)的研究尚在進(jìn)行中。本文僅討論鋁合金外平開窗及內(nèi)開內(nèi)傾窗。
2 鋁合金外平開窗的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析方法
2.1. 總體信息
假設(shè)工程位于廣州市。
2.2. 風(fēng)荷載計(jì)算
鋁合金外平開窗作為外墻的一部分，屬于建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)廣東省標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》DBJ15-101-2014規(guī)定取值。
2.2.1. 閉合狀態(tài)下風(fēng)荷載
鋁合金外開啟窗在結(jié)構(gòu)效應(yīng)中在平均風(fēng)壓的基礎(chǔ)上，近似考慮脈動風(fēng)瞬間的增大因素，通過局部風(fēng)壓體型系數(shù)和陣風(fēng)系數(shù)來計(jì)算風(fēng)荷載。
風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：Wk=βgz·μsl·μz·W。
其中陣風(fēng)系數(shù)及風(fēng)壓高度變化系數(shù)按照計(jì)算高度采用插值法計(jì)算。
體型系數(shù)根據(jù)不同平面位置分別取-1.4和-1.0,同時(shí)考慮內(nèi)部壓力局部體型系數(shù)取+0.3.
2.2.2. 開啟狀態(tài)下風(fēng)荷載
開啟狀態(tài)時(shí)在結(jié)構(gòu)效應(yīng)中在平均風(fēng)壓的基礎(chǔ)仍然考慮脈動風(fēng)瞬間的增大因素，還是通過局部風(fēng)
壓體型系數(shù)和陣風(fēng)系數(shù)來計(jì)算風(fēng)荷載。
風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：Wk=βgz·μsl·μz·W。
其中陣風(fēng)系數(shù)及風(fēng)壓高度變化系數(shù)按照計(jì)算高度采用插值法計(jì)算。
開啟狀態(tài)跟閉合狀態(tài)最大的不同在于體型系數(shù)的取值，開啟狀態(tài)時(shí)窗構(gòu)件基本都突出于建筑外墻、均直接承受風(fēng)荷載，局部體型系數(shù)應(yīng)該參照廣東省標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》DBJ15-101-2014第7.4.1之5款中的D工況采用1.4的放大系數(shù)。
2.3. 地震作用計(jì)算及溫差變化考慮
根據(jù)《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010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位移產(chǎn)生的附加作用，采用等效側(cè)力方法計(jì)算。
現(xiàn)行《鋁合金門窗工程技術(shù)規(guī)范》JGJ-2010中條文說明分析如下：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/m2的范圍內(nèi)，其相應(yīng)的組合效應(yīng)值僅為0.26 kN/m2，遠(yuǎn)小于風(fēng)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(gòu)造上可以采取相應(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，玻璃相鑲預(yù)留間隙。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。
本文認(rèn)為，隨著建筑設(shè)計(jì)對于立面分格尺寸的多樣化要求，門窗設(shè)計(jì)計(jì)算應(yīng)盡可能涵蓋大部分門窗結(jié)構(gòu)類型和構(gòu)造型式，而《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50011-2010之3.7.1明確規(guī)定：非結(jié)構(gòu)構(gòu)件自身及其與結(jié)構(gòu)主體的連接，應(yīng)進(jìn)行抗震（詞條“抗震”由行業(yè)大百科提供）設(shè)計(jì);3.7.4再規(guī)定：圍護(hù)墻應(yīng)估計(jì)其設(shè)置對結(jié)構(gòu)抗震的不利影響，避免不合理設(shè)置而導(dǎo)致主體結(jié)構(gòu)的破壞;3.7.5還規(guī)定：幕墻、裝飾貼面與主體結(jié)構(gòu)應(yīng)有可靠連接，避免地震時(shí)脫落傷人。因此，本文在進(jìn)行鋁門窗結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)計(jì)算主要作用效應(yīng)重力荷載和風(fēng)荷載，也計(jì)算地震作用，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)重力荷載對鋁合金門窗構(gòu)件的承載能力不利時(shí)，重力載荷和風(fēng)載荷作用的分項(xiàng)系數(shù)(γG、γW)應(yīng)分別取1.3和1.5;當(dāng)重力荷載對鋁合金門窗構(gòu)件的承載能力有利時(shí)(γG、γW)應(yīng)分別取1.0和1.5。
鋁合金門窗年溫度變化ΔT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)可取800C。
鋁合金外平開窗作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分，動力放大系數(shù)按5.0取，水平地震影響系數(shù)最大值按相應(yīng)抗震設(shè)防烈度和設(shè)計(jì)基本地震加速度取0.10。
2.4. 承載力和撓度驗(yàn)算規(guī)定
鋁合金門窗結(jié)構(gòu)構(gòu)件采用以概率理論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法，用分項(xiàng)系數(shù)設(shè)計(jì)表達(dá)式計(jì)算;應(yīng)按下列規(guī)定承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)進(jìn)行驗(yàn)算：
1.無地震作用效應(yīng)組合時(shí)，承載力應(yīng)符合下列要求：
γ0S ≤R (2.4.1)
2.有地震作用效應(yīng)組合時(shí)，承載力應(yīng)符合下列要求：
γRESE≤R (2.4.2)
3.撓度應(yīng)符合下列要求：
df ≤df,lim (2.4.3)
式中： R ——結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力（詞條“抗力”由行業(yè)大百科提供）的設(shè)計(jì)值;
S —— 荷載效應(yīng)（詞條“荷載效應(yīng)”由行業(yè)大百科提供）按基本組合的設(shè)計(jì)值;
SE —— 地震作用效應(yīng)和其他荷載效應(yīng)按基本組合的設(shè)計(jì)值;
γ0——結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要性系數(shù)，應(yīng)取不小于1.0;
γRE——結(jié)構(gòu)構(gòu)件承載力抗震調(diào)整系數(shù)，應(yīng)取1.0;
df—— 構(gòu)件在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值或永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下產(chǎn)生的撓度值;
df,lim—— 構(gòu)件撓度限值;
2.5. 作用效應(yīng)組合計(jì)算
鋁合金門窗結(jié)構(gòu)構(gòu)件應(yīng)按下列規(guī)定計(jì)算作用效應(yīng)組合：
根據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)可靠度設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB 50068規(guī)定，對于作用效應(yīng)組合，應(yīng)采用下式進(jìn)行計(jì)算：
1.無地震作用效應(yīng)組合時(shí)：
S =γGSGk +γWSWk (2.5.1)
2.有地震作用效應(yīng)組合時(shí)：
S =γGSGk +γWSWk +0.5γESE (2.5.2)
式中： S —— 作用效應(yīng)組合的設(shè)計(jì)值;
SGk ——永久荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值;
SWk ——風(fēng)荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)值;
γG——永久荷載分項(xiàng)系數(shù);
γW——風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù);
γE——地震作用分項(xiàng)系數(shù);
進(jìn)行開啟窗構(gòu)件的承載力計(jì)算時(shí)，作用分項(xiàng)系數(shù)按照今年新發(fā)布的國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)》GB50068-2018有關(guān)強(qiáng)制性規(guī)定取值。
進(jìn)行鋁合金門窗構(gòu)件的承載力計(jì)算時(shí)，當(dāng)重力荷載對鋁合金門窗構(gòu)件的承載能力不利時(shí)，重力載荷和風(fēng)載荷作用的分項(xiàng)系數(shù)(γG、γW)應(yīng)分別取1.3和1.5;當(dāng)重力荷載對鋁合金門窗構(gòu)件的承載能力有利時(shí)(γG、γW)應(yīng)分別取1.0和1.5;γE取1.0。
門窗構(gòu)件撓度驗(yàn)算其風(fēng)荷載分項(xiàng)系數(shù)和永久荷載分項(xiàng)系數(shù)均應(yīng)取1.0，且可不考慮作用效應(yīng)組合。
2.6. 強(qiáng)度設(shè)計(jì)值
鋁合金外平開窗，計(jì)算允許限值根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋁合金門窗工程技術(shù)規(guī)范》JGJ214-2010規(guī)定分別按鋁合金型材（詞條“型材”由行業(yè)大百科提供）構(gòu)件、鋼型材構(gòu)件、不銹鋼構(gòu)件、鋁合金門窗五金件、連接構(gòu)件、緊固件、玻璃板材、金屬板材采用。
鋁合金門窗所采用玻璃按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ113-2015規(guī)定取值;
鋁合金型材按照國家標(biāo)準(zhǔn)《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50429-2007的規(guī)定取值，例如本項(xiàng)目采用鋁合金牌號6063T5鋁型材，其抗拉、抗壓、抗彎強(qiáng)度均取鋁合金型材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值fa=90N/mm2
鋁合金門窗五金件、連接構(gòu)件承載力設(shè)計(jì)值應(yīng)按其產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)或產(chǎn)品檢測報(bào)告提供的承載力標(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)確定，如建筑設(shè)計(jì)無特殊要求，總安全系數(shù)K取2.0，則γR、γf取1.4。
2.7. 撓度限值
鋁合金外平開窗作圍護(hù)結(jié)構(gòu)的一部分，計(jì)算允許撓度限值根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋁合金門窗工程技術(shù)規(guī)范》JGJ214-2010規(guī)定分別按鋁合金型材構(gòu)件、鋼型材構(gòu)件、不銹鋼構(gòu)件、鋁合金門窗五金件、連接構(gòu)件、緊固件、玻璃板材、金屬板材采用。
鋁合金外平開窗具有極限狀態(tài)下易脫落傷人的特性，其限值從嚴(yán)。
鋁合金門窗所采用玻璃按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑玻璃（詞條“建筑玻璃”由行業(yè)大百科提供）應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ113-2015規(guī)定取值;
鋁合金型材按照國家標(biāo)準(zhǔn)《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50429-2007的規(guī)定取值。
鋁合金門窗主要受力桿件在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下產(chǎn)生的最大撓度應(yīng)符合下列公式規(guī)定，并應(yīng)同時(shí)滿足絕對撓度值不大于20mm;
u ≤l/150 (2.7.1)
|
式中： u |
——在荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下桿件彎曲撓度值（mm）； |
|
l |
——桿件的跨度（mm），懸臂桿件可取懸臂長度的2倍。 |
承受玻璃重量的中橫框型材在重力荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，其平行于玻璃平面方向的撓度不應(yīng)影響玻璃的正常鑲嵌和使用;鋁合金門窗受力桿件在同一方向有分布荷載和集中荷載同時(shí)作用時(shí)，其撓度應(yīng)為它們各自產(chǎn)生撓度的代數(shù)和;
風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下，四邊支承玻璃的撓度限值df,lim應(yīng)按其短邊的1/60采用。
2.8. 玻璃面板（詞條“玻璃面板”由行業(yè)大百科提供）計(jì)算
鋁合金外開啟窗的玻璃風(fēng)荷載分配按照變形協(xié)同原理將總荷載分配至各片。
鋁合金門窗的玻璃面板計(jì)算方法視面板尺寸大小而不同。
將玻璃面板在風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值作用下?lián)隙认拗礵f,lim定為其短邊的1/60;短邊為600mm，則撓度限值為10mm，已超出玻璃厚度6mm，實(shí)際已屬于大撓度變形。
在任何情況下特別是特殊現(xiàn)狀或者超大尺寸情況，選用專業(yè)的有限元計(jì)算分析軟件來分析玻璃面板的受力和變形都是可行的。
框支承矩形玻璃面板的受力狀態(tài)為四邊支承板，現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋁合金門窗工程技術(shù)規(guī)范》JGJ214-2010沒有給出專門的近似計(jì)算公式，設(shè)計(jì)人員可按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003之6.1提供的公式或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ113-2015提供的公式得出玻璃面板的最大設(shè)計(jì)應(yīng)力值和最大撓度值。
2.9. 鋁合金外開窗主要受力桿件計(jì)算
開啟窗分別鎖閉和開啟兩種狀態(tài)計(jì)算。
2.9.1. 鎖閉狀態(tài)下窗扇計(jì)算
開啟窗在鎖閉狀態(tài)時(shí)，鉸鏈與側(cè)邊、鎖點(diǎn)共同作為窗扇的支點(diǎn)協(xié)同作用，可采用有限元分析
方法來計(jì)算其構(gòu)件的應(yīng)力和撓度及支座反力。
風(fēng)荷載由面板傳遞：Wk=βgz·μsl·μz·W。
該項(xiàng)按照廣東省荷載規(guī)范計(jì)算得到的風(fēng)荷載較國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012計(jì)算所得風(fēng)荷載增加大約5%。
閉合狀態(tài)下窗扇屬于非直接承受風(fēng)荷載的構(gòu)件，體型系數(shù)根據(jù)不同平面位置分別取-1.4和-1.0,同時(shí)考慮內(nèi)部壓力局部體型系數(shù)取+0.3.
根據(jù)有限元分析可以看出，如果側(cè)框和底框邊長過長而支點(diǎn)偏少，應(yīng)力和變形會較大，會造成漏水、損壞甚至脫落;反之，如果采用合適的構(gòu)件尺寸和支點(diǎn)數(shù)量，應(yīng)力和變形會控制在合適的范圍。
閉合狀態(tài)下矩形窗扇也可以按近似公式計(jì)算，將玻璃面板的荷載按照三角形或梯形傳遞至各框，各框再按照兩支座或多支座梁分析;組合門窗尚需增加集中荷載。
2.9.2. 開啟狀態(tài)下窗扇計(jì)算
開啟狀態(tài)則非常復(fù)雜，構(gòu)件不再是非直接承受風(fēng)荷載構(gòu)件，
風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：Wk=βgz·μs1·μz·W。
其中陣風(fēng)系數(shù)及風(fēng)壓高度變化系數(shù)按照計(jì)算高度采用插值法計(jì)算。
由于本地區(qū)屬于基本風(fēng)壓大于或等于0.50 kPa地區(qū)，廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)將峰值因子由2.5提高到3.0，因此該項(xiàng)按照廣東省荷載規(guī)范計(jì)算得到的風(fēng)荷載較國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012計(jì)算所得風(fēng)荷載增加大約5%。
開啟狀態(tài)跟鎖閉狀態(tài)第一個不同是體型系數(shù)的取值，開啟狀態(tài)時(shí)窗構(gòu)件均直接承受風(fēng)荷載，局部風(fēng)壓體型系數(shù)應(yīng)該參照廣東省標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》DBJ15-101-2014第7.4.1之5款采用1.4的放大系數(shù)。
開啟狀態(tài)跟鎖閉狀態(tài)第二個不同是鎖點(diǎn)沒有參與工作，完全靠滑撐和撐擋作為窗扇支座。
開啟狀態(tài)還須分別考慮正風(fēng)壓和負(fù)風(fēng)壓兩者情況，因?yàn)榇暗母鳂?gòu)件會處于受拉或受壓兩種完全不同的受力狀態(tài)。
開啟狀態(tài)由于其受力的復(fù)雜程度，難以按照近似公式計(jì)算，基本上采用有限元分析方法計(jì)算其各構(gòu)件的應(yīng)力和撓度。
開啟過程中，窗的各構(gòu)件受力狀態(tài)隨滑撐、撐擋打開角度的變化而變化，開啟呈不同角度時(shí)最不利構(gòu)件會不同，應(yīng)分別計(jì)算開啟至一定角度工況和開啟至最大限位角度工況，以找出不同構(gòu)件最不利受力狀況。
2.10. 結(jié)構(gòu)膠計(jì)算
鋁合金外平開窗的結(jié)構(gòu)膠計(jì)算根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《玻璃幕墻工程（詞條“玻璃幕墻工程”由行業(yè)大百科提供）計(jì)算規(guī)范》JGJ102-2003規(guī)定取值：分別計(jì)算在各種荷載作用組合下鋁合金框與玻璃粘接（詞條“粘接”由行業(yè)大百科提供）結(jié)構(gòu)膠寬度、厚度和中空玻璃結(jié)構(gòu)膠寬度。
2.11. 窗五金件和連接件計(jì)算
鋁合金外平開窗的配件計(jì)算分別考慮在各種荷載作用組合下分析驗(yàn)算滑撐、撐擋、鎖點(diǎn)及其相應(yīng)連接件的承載力和撓度。
2.11.1 鋁合金窗受力五金件和連接件應(yīng)進(jìn)行承載力計(jì)算。
2.11.2 鋁合金窗五金件和連接件的承載力計(jì)算應(yīng)符合下列公式規(guī)定：
σ≤f (2.11.1-1)
S ≤R (2.11.1-2)
|
式中： σ |
——五金件和連接件截面在荷載作用下產(chǎn)生的最大應(yīng)力設(shè)計(jì)值（N/mm2）； |
|
f |
——五金件和連接件材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（N/mm2）； |
|
S |
——五金件和連接件荷載設(shè)計(jì)值（N）； |
|
R |
——五金件和連接件承載力設(shè)計(jì)值（N）。 |
2.11.3 鋁合金窗五金件應(yīng)可靠連接，并應(yīng)通過計(jì)算或試驗(yàn)確定承載能力。
2.11.4 鋁合金窗構(gòu)件應(yīng)采用角碼、接插件進(jìn)行連接，連接件應(yīng)能承受構(gòu)件的剪力。
2.11.5 鋁合金窗構(gòu)件連接處的連接件、螺栓、螺釘和鉚釘（詞條“鉚釘”由行業(yè)大百科提供）設(shè)計(jì)，應(yīng)符合現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50429-2007的相關(guān)規(guī)定。
2.11.6 連接螺栓、螺釘直徑、數(shù)量及螺栓的中心距、邊距，應(yīng)滿足構(gòu)件承載能力的需要。螺釘直接通過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)采取加強(qiáng)措施。
2.12. 窗與洞口的連接計(jì)算
應(yīng)分別考慮在各種荷載作用組合下分析驗(yàn)算窗與洞口連接件的承載力。鋁合金門窗與洞口連接應(yīng)牢固可靠，鋁合金門窗與金屬附框的連接、金屬附框與主體結(jié)構(gòu)的連接應(yīng)通過計(jì)算或試驗(yàn)確定承載能力。
3 鋁合金內(nèi)開內(nèi)傾窗的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析方法
3.1. 總體信息
假設(shè)工程位于廣州市。
3.2. 風(fēng)荷載計(jì)算
鋁合金內(nèi)開內(nèi)傾窗作為外墻的一部分，屬于建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)廣東省標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》DBJ15-101-2014規(guī)定取值。
3.2.1. 鎖閉狀態(tài)下風(fēng)荷載
內(nèi)開內(nèi)傾窗在鎖閉狀態(tài)下的結(jié)構(gòu)效應(yīng)中也通過局部風(fēng)壓體型系數(shù)和陣風(fēng)系數(shù)來計(jì)算風(fēng)荷載。
其中陣風(fēng)系數(shù)及風(fēng)壓高度變化系數(shù)按照計(jì)算高度采用插值法計(jì)算。
由于本地區(qū)屬于基本風(fēng)壓大于或等于0.50 kPa地區(qū)，廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)將峰值因子由2.5提高到3.0，因此該項(xiàng)按照廣東省荷載規(guī)范計(jì)算得到的風(fēng)荷載較國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012計(jì)算所得風(fēng)荷載增加大約5%。
窗的局部體型系數(shù)根據(jù)不同平面位置分別取-1.4和-1.0,同時(shí)考慮內(nèi)部壓力局部體型系數(shù)取+0.3.
3.2.2. 開啟狀態(tài)下風(fēng)荷載
開啟狀態(tài)時(shí)在結(jié)構(gòu)效應(yīng)中在平均風(fēng)壓的基礎(chǔ)仍然考慮脈動風(fēng)瞬間的增大因素，還是通過局部風(fēng)
壓體型系數(shù)和陣風(fēng)系數(shù)來計(jì)算風(fēng)荷載。
風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：Wk=βgz·μs1·μz·W。
其中陣風(fēng)系數(shù)及風(fēng)壓高度變化系數(shù)按照計(jì)算高度采用插值法計(jì)算。
由于本地區(qū)屬于基本風(fēng)壓大于或等于0.50 kPa地區(qū)，廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)將峰值因子由2.5提高到3.0，因此該項(xiàng)按照廣東省荷載規(guī)范計(jì)算得到的風(fēng)荷載較國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012計(jì)算所得風(fēng)荷載增加大約5%。
開啟狀態(tài)分兩種工況：內(nèi)平開和內(nèi)傾斜。這兩種狀態(tài)在廣東省標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》DBJ15-101-2014和國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012中都沒有規(guī)定，經(jīng)過分析，我們可以大致推論出其風(fēng)荷載的局部體型系數(shù)不折減也不放大，體型系數(shù)內(nèi)壓值取0.4μsl。
3.3. 地震作用計(jì)算
窗屬于建筑外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《玻璃幕墻工程計(jì)算規(guī)范》JGJ102-2003規(guī)定取值：動力放大系數(shù)按5.0取，水平地震影響系數(shù)最大值按相應(yīng)抗震設(shè)防烈度和設(shè)計(jì)基本地震加速度取0.10。
3.4. 作用效應(yīng)組合計(jì)算同2.5規(guī)定
3.5. 強(qiáng)度設(shè)計(jì)值與撓度限值同2.6及2.7規(guī)定
3.6. 玻璃面板計(jì)算
面板有可能處于傾斜狀態(tài)，應(yīng)采用安全玻璃。
內(nèi)開內(nèi)傾窗分三種工況計(jì)算玻璃面板受力及撓度：鎖閉狀態(tài)、內(nèi)開狀態(tài)、內(nèi)傾狀態(tài)。
風(fēng)荷載分配按照變形協(xié)同原理將總荷載分配至各片。
在任何情況下特別是特殊現(xiàn)狀或者超大尺寸情況，選用專業(yè)的有限元計(jì)算分析軟件來分析玻璃面板的受力和變形都是可行的。
框支承矩形玻璃面板的受力狀態(tài)為四邊支承板，現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋁合金門窗工程技術(shù)規(guī)范》JGJ214-2010沒有給出專門的近似計(jì)算公式，設(shè)計(jì)人員可按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003之6.1提供的公式或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)規(guī)程》JGJ113-2015提供的公式得出玻璃面板的最大設(shè)計(jì)應(yīng)力值和最大撓度值。
鎖閉狀態(tài)與2.8所述是一樣的計(jì)算方法。
內(nèi)開狀態(tài)與2.8所述是基本一樣的計(jì)算方法，但風(fēng)荷載取值按照3.2.2規(guī)定。
內(nèi)傾狀態(tài)則有較大的不同：需考慮自重荷載產(chǎn)生的平面外應(yīng)力和變形。
3.7. 鋁合金內(nèi)開啟內(nèi)傾窗主要受力桿件計(jì)算
分別鎖閉和內(nèi)開、內(nèi)傾三種狀態(tài)計(jì)算。
3.7.1. 鎖閉狀態(tài)下窗扇計(jì)算
窗在鎖閉狀態(tài)時(shí)，鉸鏈與側(cè)邊、鎖點(diǎn)共同作為窗扇的支點(diǎn)協(xié)同作用，可采用有限元分析
方法來計(jì)算其構(gòu)件的應(yīng)力和撓度及支座反力。
鎖閉狀態(tài)下矩形窗扇也可以按近似公式計(jì)算，將玻璃面板的荷載按照三角形或梯形傳遞至各框，各框再按照兩支座或多支座梁分析。
以上兩種狀態(tài)可采用與2.9.1相同的計(jì)算方法。
3.7.2. 內(nèi)開狀態(tài)下窗扇計(jì)算
內(nèi)開狀態(tài)下，構(gòu)件不再是非直接承受風(fēng)荷載構(gòu)件，
風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：Wk=βgz·μs1·μz·W。
其中陣風(fēng)系數(shù)及風(fēng)壓高度變化系數(shù)按照計(jì)算高度采用插值法計(jì)算。
由于本地區(qū)屬于基本風(fēng)壓大于或等于0.50 kPa地區(qū)，廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)將峰值因子由2.5提高到3.0，因此該項(xiàng)按照廣東省荷載規(guī)范計(jì)算得到的風(fēng)荷載較國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012計(jì)算所得風(fēng)荷載增加大約5%。
內(nèi)開狀態(tài)跟鎖閉狀態(tài)第一個不同是體型系數(shù)的取值，開啟狀態(tài)時(shí)窗構(gòu)件均直接承受風(fēng)荷載，風(fēng)荷載的局部體型系數(shù)不折減也不放大，體型系數(shù)內(nèi)壓值取0.4μsl。
內(nèi)開狀態(tài)跟鎖閉狀態(tài)第二個不同是鎖點(diǎn)沒有參與工作，完全靠內(nèi)倒限位器、傳動桿和合頁作為窗扇支座。
內(nèi)開狀態(tài)還須分別考慮正風(fēng)壓和負(fù)風(fēng)壓兩者情況，因?yàn)榇暗母鳂?gòu)件會處于受拉或受壓兩種完全不同的受力狀態(tài)。
內(nèi)開狀態(tài)由于其受力的復(fù)雜程度，難以按照近似公式計(jì)算，基本上采用有限元分析方法計(jì)算其各構(gòu)件的應(yīng)力和撓度。
內(nèi)開過程中，窗的各構(gòu)件受力狀態(tài)隨打開角度的變化而變化，開啟呈不同角度時(shí)最不利構(gòu)件會不同，應(yīng)分別計(jì)算開啟至一定角度工況和開啟至最大限位角度工況，以找出不同構(gòu)件最不利受力狀況。
3.7.3. 內(nèi)傾狀態(tài)下窗扇計(jì)算
內(nèi)傾斜狀態(tài)則非常復(fù)雜，構(gòu)件不是非直接承受風(fēng)荷載構(gòu)件，
風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值：Wk=βgz·μs1·μz·W。
其中陣風(fēng)系數(shù)及風(fēng)壓高度變化系數(shù)按照計(jì)算高度采用插值法計(jì)算。
由于本地區(qū)屬于基本風(fēng)壓大于或等于0.50 kPa地區(qū)，廣東省地方標(biāo)準(zhǔn)將峰值因子由2.5提高到3.0，因此該項(xiàng)按照廣東省荷載規(guī)范計(jì)算得到的風(fēng)荷載較國家標(biāo)準(zhǔn)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012計(jì)算所得風(fēng)荷載增加大約5%。
內(nèi)傾狀態(tài)跟鎖閉狀態(tài)第一個不同是體型系數(shù)的取值，開啟狀態(tài)時(shí)窗構(gòu)件均直接承受風(fēng)荷載，風(fēng)荷載的局部體型系數(shù)不折減也不放大，體型系數(shù)內(nèi)壓值取0.4μsl。
內(nèi)傾狀態(tài)跟鎖閉狀態(tài)第二個不同是鎖點(diǎn)沒有參與工作，完全靠內(nèi)倒限位器、傳動桿和合頁作為窗扇支座。
內(nèi)傾狀態(tài)跟鎖閉狀態(tài)第三個不同是需因傾斜角度產(chǎn)生的應(yīng)力和變形。
內(nèi)傾狀態(tài)還須分別考慮正風(fēng)壓和負(fù)風(fēng)壓兩者情況，因?yàn)榇暗母鳂?gòu)件會處于受拉或受壓兩種完全不同的受力狀態(tài)。
內(nèi)傾斜狀態(tài)由于其受力的復(fù)雜程度，難以按照近似公式計(jì)算，基本上采用有限元分析方法計(jì)算其各構(gòu)件的應(yīng)力和撓度。
內(nèi)傾斜過程中，窗的各構(gòu)件受力狀態(tài)隨打開角度的變化而變化，開啟呈不同角度時(shí)最不利構(gòu)件會不同，應(yīng)分別計(jì)算開啟至一定角度工況和開啟至最大限位角度工況，以找出不同構(gòu)件最不利受力狀況。
3.8. 結(jié)構(gòu)膠計(jì)算
鋁合金內(nèi)開內(nèi)傾斜窗基本采用明框構(gòu)造，不需計(jì)算結(jié)構(gòu)膠。若設(shè)計(jì)采用隱框構(gòu)造，則結(jié)構(gòu)膠計(jì)算根據(jù)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003規(guī)定取值：分別計(jì)算在各種荷載作用組合下鋁合金框與玻璃粘接結(jié)構(gòu)膠寬度、厚度和中空玻璃結(jié)構(gòu)膠寬度。
3.9. 窗五金件和連接件計(jì)算
窗的配件計(jì)算分別考慮在各種荷載作用組合下分析驗(yàn)算內(nèi)倒限位器、合頁、傳動桿、鎖點(diǎn)及其相應(yīng)連接件的承載力和撓度。
過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)采取加強(qiáng)措施。
3.10. 窗與洞口的連接計(jì)算
應(yīng)分別考慮在各種荷載作用組合下分析驗(yàn)算窗與洞口連接件的承載力。鋁合金門窗與洞口連接應(yīng)牢固可靠，鋁合金門窗與金屬附框的連接、金屬附框與主體結(jié)構(gòu)的連接應(yīng)通過計(jì)算或試驗(yàn)確定承載能力。
4 有關(guān)風(fēng)荷載取值和結(jié)構(gòu)計(jì)算方法的建議
4.1 由于鋁合金門窗在建筑外墻中屬于局部，特別是開啟狀態(tài)時(shí)屬于可能出現(xiàn)的開啟洞口，本文特別希望能通過專門的風(fēng)洞試驗(yàn)方法進(jìn)行模擬，以確定相應(yīng)的風(fēng)壓系數(shù)。
4.2 由于鋁合金門窗工作狀態(tài)的復(fù)雜性，特別是開啟工況更加復(fù)雜，一般的力學(xué)分析方法很難真正反映實(shí)際，而有限元分析模擬的邊界條件也會很大程度地影響計(jì)算結(jié)果，本文特別希望能通過結(jié)合專門的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法進(jìn)行模擬，得到一定數(shù)量的數(shù)據(jù)，最終能夠證明貼合實(shí)際的鋁合金門窗結(jié)構(gòu)計(jì)算經(jīng)驗(yàn)公式，方便廣大門窗設(shè)計(jì)人員使用。
5 結(jié)論
針對鋁合金門窗，本文進(jìn)行了結(jié)構(gòu)計(jì)算分析方法的梳理，重點(diǎn)分析了鋁合金外平開窗和鋁合金內(nèi)開內(nèi)傾窗兩者型式，分別考慮鎖閉和開啟狀態(tài)，提出主要的觀點(diǎn)：鋁合金窗在開啟狀態(tài)時(shí)和鎖閉狀態(tài)有很大的不同，兩者計(jì)算方法不一樣;希望通過風(fēng)洞試驗(yàn)方法得出更科學(xué)的風(fēng)壓系數(shù);會通過結(jié)構(gòu)試驗(yàn)方法來證明鋁合金門窗結(jié)構(gòu)計(jì)算有關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式。
[1] 中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50429-2007 [S]中國計(jì)劃出版社
2 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《鋁合金門窗工程技術(shù)規(guī)范》JGJ214-2010 [S]中國建筑工業(yè)出版社
作者單位：廣東世紀(jì)達(dá)建設(shè)集團(tuán)有限公司
