本文引用自《建筑科学》
BUILDING SCIENCE2000 Vol.16 No.3 P.46-48,57
中美玻璃幕墙工程构件承载力验算的比较
高小旺 葛学礼 夏偕田 朱立新
［摘 要］ 对中国JGJ 102-96《玻璃幕墙工程技术规范》和美国1986铝型材规范《Specifications for Aluminum Structures》中，关于幕墙工程的构件承载力验算和风荷载作用下构件承载力验算归一化进行比较，并对有关问题进行了探讨。
［关键词］ 幕墙工程; 风荷载; 构件承载力
［中图分类号］ TU321.+1; TU382 ［文献标识码］ A
［文章编号］1002-8528（2000）03-0046-03
Comparison of Checking Calculations of Load-bearing Capacity of Members
for Glass Curtain Wall between China and United States
GAO Xiao-wang, GE Xue-li, XIA Xie-tian, ZHU Li-xin
(China National Centre for Quality Supervision and Test of Construction Engineering, Beijing 100013,China)
［Abstract］ The paper describes the comparison results of the checking calculation on the load-bearing capacity of the members for glass curtain wall engineering between the Technical Code for Glass Curtain Wall Engineering (JGJ 102-96) of China and the Specifications for Aluminum Structures of the United States.
［Keywords］ curtain wall engineering； wind load；load-bearing capacity of members
文献［1］对中国《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 102-96和《Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures》ANSI A58.1-1982中，关于幕墙风荷载的计算进行了比较。由于结构和幕墙工程的安全性与可靠性，不仅与荷载作用的取值有关，而且还与构件承载力验算表达式等有关。作为中美幕墙工程设计方面的比较，应包括荷载作用取值和幕墙工程构件承载力验算这两个方面。本文着重对中美玻璃幕墙工程构件承载力验算和风荷载作用下构件承载力验算的归一化等进行比较，并对有关问题进行了探讨。
1 中、美有关幕墙规范构件承载力验算方法
1.1 中国幕墙工程技术规范的构件承载力的验算方法
（1）玻璃幕墙构件内力。玻璃幕墙构件内力应采用弹性方法计算，其截面最大应力设计值不应超过材料强度的设计值,即
σ≤f (1)
式中，σ为荷载和作用产生的截面最大应力设计值；f为材料强度设计值。
（2）荷载和作用效应组合。荷载和作用效应可按下式进行组合：
(2)
式中，S为荷载和作用效应组合后的设计值；SG为重力荷载作为永久荷载产生的效应；SW、SE、ST分别为风荷载、地震作用和温度作用作为可变荷载和作用产生的效应，按不同的组合情况，三者可分别作为第1个、第2个和第3个可变荷载和作用产生的效应；γG、γW、γE、γT为各效应的分项系数，γG为1.2，γW为1.4，γE为1.3，γT为1.2；ψW、ψE、ψT分别为风荷载、地震作用和温度作用效应的组合系数，其值取决于各效应分别 作为第1个、第2个和第3个可变荷载和作用时的效应，当两个及其以上的可变荷载或作用（风荷载、地震作用和温度作用）参加组合时，第1个可变荷载或作用效应的组合系数可按1.0采用，第2个可变荷载或作用效应的组合系数可按0.6采用，第3个可变荷载或作用效应的组合系数可按0.2采用。
玻璃幕墙应按各效应组合中的最不利组合进行设计。
（3）玻璃幕墙的横梁截面承载力。玻璃幕墙的横梁截面承载力应符合下式要求：
(3)
式中，
Mx为横梁绕x轴（幕墙平面内方向）的弯矩设计值（N.mm）；
My为横梁绕y轴（垂直于幕墙平面方向）的弯矩设计值（N.mm）；
Wx为横梁截面绕x轴（幕墙平面内方向）的截面抵抗矩（mm3 ）；
Wy为横梁截面绕y轴（垂直于幕墙平面方向）的截面抵抗矩（mm3 ）；
γ为塑性发展系数，可取为1.05；
fa为铝型材受拉强度设计值（N/mm2 ）。
（4）偏心受拉的玻璃幕墙立柱截面承载力。偏心受拉的玻璃幕墙立柱截面承载力应符合下式要求：
(4)
式中，
N为立柱拉力设计值（N）；
M为立柱弯矩设计值（N.mm）；
A0为立柱的净截面面积（mm2 ）；
W为在弯矩作用方向的净截面抵抗矩（mm3 ）；
γ为塑性发展系数，可取为1.05；
fa为铝型材的受拉强度设计值（N/mm2 ）。
（5）偏心受压的玻璃幕墙立柱截面承载力。偏心受压的玻璃幕墙立柱截面承载力应符合下式要求：
(5)
式中，φ1为轴心受压构件的稳定系数，铝合金立柱的φ1值可通过试验确定。
1.2 美国有关幕墙规范的构件承载力验算方法
（1）荷载效应组合。美国《 Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures》ASNI A58.1－1982 中规定，在结构构件采用允许应力设计时，应采用下列基本组合：
①D
②D+L+(Lτ or S or R)
③D(W or E) （6）
④D+L+(Lτ or S or R)+(W or E)
式中，D为恒荷载效应；L为投入使用和居住产生的活荷载效应；Lτ为屋面活荷载效应；W为风荷载；E为地震荷载；S为雪荷载；R为雨荷载。
对于幕墙立柱、横梁内力和变形的计算，采用式(6)的基本组合。
（2）幕墙横梁、立柱允许应力的取值。在美国 《Specifications for Aluminum Structures》 中对铝型材构件的材料指标、安全系数取值、不同长细比构件的允许应力等给予了规定，并规定在计算允许应力时，当只考虑风荷载（或地震荷载）的单独作用或其与设计恒荷载和活荷载组合时，规范中所提供的应力值可提高1/3。
梁的外缘拉伸应力：
梁内压缩，外缘应力：
式中，Ftu为铝型材的拉伸极限强度；
Fcy为铝型材的压缩极限强度；
Lb为梁的反弯点与支座点的距离或悬臂梁自由端与支座之间的距离；
ry为梁的回转半径；E为铝型材的弹性模量；
Ny为安全系数，对于建筑物中的构件取为1.65；
Dc、Bc为纵向弯曲公式中的常数，对于T6型铝型材，采用式(12)和式(13)计算：
对于6063-T6型铝型材，Specifications for Aluminum Structures 中表3.3.29分别列出了各种不同断面和不同受力状态下的允许应力值。在恒荷载作用下，按表中第4项取值，沿弱轴受弯：
在风荷载作用下，单腹板梁，沿强轴受弯：
2 风荷载作用下幕墙构件承载力验算的比较
2.1 风荷载作用下构件强度设计值和允许应力取值的比较
中国《玻璃幕墙工程技术规范》采用的是基于概率的多项系数的设计表达式，其抗力分项系数为1.286；而美国的铝型材设计(《Specifications for Aluminum Structures》规范)仍采用允许应力的验算，两国规范构件承载力设计值和允许应力取值的比较列于表1。
注：美国规范中允许应力还没有包括在风荷载作用下再提高1/3的情况。
2.2 风荷载作用下构件承载力验算归一化的比较
（1）归一化比较公式。上面对中国与美国规范风荷载的取值和构件承载力设计值以及允许应力取值进行了比较，应该说上述比较还没有清楚地说明问题，这是因为构件承载力验算的要求是抗力（设计值或允许应力）应大于或等于荷载效应，而中国与美国规范在风荷载作用效应和构件抗力取值上均有差异。为了进行深入的分析，我们在构件抗力取值上均采用中国《玻璃幕墙工程技术规范》fa的取值（fa=fyk/1.286），把美国允许应力取值用下式转化为中国玻璃幕墙规范的取值（幕墙横梁、立柱长细比小于S1）：
(18)
式中，1.65为美国建筑铝型材的安全系数。
对于采用美国幕墙规范的比较，由于允许应力的归一化乘了1.283的增大系数，因此在美国规范的风荷载作用效应项上也应乘以相应的系数，并还应考虑在风荷载作用下允许承载能力提高1/3。对于同一幕墙工程，作用在立柱、横梁上风荷载作用效应的比较，同样可转化为风荷载作用值的比较。当幕墙横梁、立柱长细比不大于S1时，其比较公式为：
(19)
式中，η1为幕墙横梁、立柱长细比不大于S1时，以中国《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102－96为标 准的中美幕墙规范风荷载的比较系数；wU为按美国规范计算的风荷载标准值；wC为按中国幕墙规范计算的风荷载标准值。
对于幕墙横梁和立柱长细比为S2时，则η2为：
(20)
式中，η2为幕墙横梁、立柱长细比为S2时，以中国幕墙规范为标准的中美幕墙等效风荷载效应的比较系数。
（2）构件长细比不大于S1的比较。对于构件长细比不大于S1的横梁、立柱，其比较系数可采用式（19）计算。我们进行了不同总高度的玻璃幕墙工程墙角与墙面部位构件承载力验算归一化的比较，图1列出了总高度为200 m 的玻璃幕墙工程墙角与墙面部位构件承载力验算归一化的比较结果。图中A(D)、B(C)、C(B)、D(A)，括号外为中国规范地面粗糙度类别，括号内是相应的美国规范地貌曝露类别。
分析图1所示的结果可以看出，在墙角部位的1/3总高度以下的底部，美国ANSI A58.1-1982 较中国规范的计算结果要大一些；在房屋的中上部，美国规范比中国幕墙规范的计算结果要小一些，而且越靠近顶层其差值越大。在墙面部位，美国规范与中国幕墙规范的计算结果相比要小得多，大体为50％～30％之间。
图1 墙角与墙面部位构件承载力验算归一化的比较结果
（3）构件长细比为S2的比较。构件长细比为S2的横梁、立柱，其比较系数可采用式（20）计算。比较式（20）与式（19）可以看出，η2与η1仅在系数上有所差别，因此，对于不同总高度的玻璃幕墙工程，墙角与墙面部位构件承载力验算归一化的比较结果，其曲线形状完全一致，只是构件长细比的值不同。
构件长细比为94，采用美国铝型材规范时A6063-T6铝型材构件外缘压缩的允许应力为67.83N/mm2 ，为构件长细比小于23时允许应力的66％，而中国幕墙规范构件承载力与构件的长细比无关。同样，在构件长细比为S2的比较中，其墙角部位，美国规范要比中国规范的计算结果大一些，而在墙面部位还是中国幕墙规范比美国规范的计算结果大。
（4）构件长细比为S1～S2之间情况的比较。构件长细比在S1～S2之间时，由于其抗力计算公式是随构件长细比增大而线性递减，所以构件长细比为S1～S2之间的归一化比较为相应长细比为S1和S2时比较系数的连线。
3 结 论
通过对中、美幕墙规范构件承载力验算公式及归一化的比较，我们初步得出以下结论：
（1）中国幕墙规范采用以概率为基础的多系数表达式，美国铝型材规范采用允许应力的构件截面验算表达式。中国幕墙规范的风荷载分项系数为1.4，铝型材的抗力分项系数为1.286，其总安全系数为1.8；美国铝型材规范的总安全系数对于建筑为1.65，而在风荷载或地震作用下其允许应力可提高1/3，这样在风荷载或地震作用下其总安全系数为1.238。显然，对于幕墙工程的铝型材构件，中国幕墙规范所取总安全系数要比美国规范大45%左右。
（2）中国幕墙规范的构件承载力验算没有考虑区分不同长细比，即不论构件的长细比为多少均采用材料的强度设计值，而是用受力构件的壁厚不小于3mm来控制构件的最低设计要求。美国铝型材规范中构件的承载能力或允许应力与构件的长细比有关，当构件长细比小于23时，为标准的允许应力；当构件长细比大于23小于94时，其允许应力呈线性递减；当构件长细比为94时，其允许应力下降为66％；当构件长细比大于94时，其允许应力呈二次曲线下降；当长细比为120时，其允许应力下降为40％。美国铝型材规范随构件长细比增大而允许应力下降,这与我国幕墙规范中规定偏心受压构件随长细比增大乘以一个小于1.0的系数是相一致的。但美国铝型材规范中随长细比增大允许应力的降低不仅仅限于偏压构件，也适用于受弯等其它构件。
本文是在分别采用中、美规范复核青岛中银大厦幕墙横梁、立柱承载力和变形的基础上完成的，在本文分析研究的过程中，得到了陈基发研究员、何星华副院长、李明顺顾问总工程师多方面的指导和帮助，在此表示衷心的感谢。
作者单位：高小旺（国家建筑工程质量监督检验中心，北京 100013）
葛学礼（国家建筑工程质量监督检验中心，北京 100013）
夏偕田（国家建筑工程质量监督检验中心，北京 100013）
朱立新（国家建筑工程质量监督检验中心，北京 100013）
［参考文献］
［1］ 高小旺，葛学礼，夏偕田，朱立新．中美玻璃幕墙工程风荷载计算的比较［C］．第一届建筑工程及产品质量检测技术 交流会议论文集，1998年．
［2］ 张相庭编著.工程抗风设计计算手册［M］．中国建筑工业出版社，1998年．
［3］ 中国建筑科学研究院主编.GBJ 9-87，建筑结构荷载规范［S］．中国计划出版社，1989年．
［4］ American National Standards ，Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures［S］ ANSI A58.1-1982．
［5］ 中国建筑科学研究院主编. JGJ 102-96玻璃幕墙工程技术规范［S］． 中国建筑工业出版社， 1996年．
［6］ 《Specifications for Aluminum Structures》［S］．1986．
［7］ 国家建筑工程质量监督检验中心.青岛中银大厦幕墙横梁、立柱承载力、刚度计算分析报告［R］．1998年．
［收稿日期］1999-12-26
