高层建筑铝合金窗的抗风压计算方法及选用

【摘要】湖南省核工业地质局地质调查院的业务用房，在建筑中，设计单位按中南标选定房屋外窗。因业务用房为高层建筑，风压较大，同时选用了大面积落地窗，选用的结果不满足抗风压的要求，因此必须通过抗风压计算，确定铝合金的外窗型式及窗户框料，同时在对选择的外窗模型进行“三性”实验（抗风压强度、水密性、气密性），最终确定要选用的铝合金窗型式。本文从高层建筑铝合金窗的抗风压性能的相关概念谈起，然后就高层建筑铝合金窗的三项性能的检测进行说明，最后就高层建筑铝合金窗的抗风压计算方法及选用进行剖析。

【关键词】高层建筑 铝合金窗 抗风压计算 选用 三项性能

中图分类号：[TU208.3] 文献标识码：A 文章编号：

一、认识建筑铝合金窗的抗风压性能

1、建筑铝合金窗的抗风压性能的概念

建筑铝合金窗的抗风压性能就是指外门窗正常关闭状态时在风压作用下不发生损坏、和五金件松动、开启困难等功能障碍的能力。其中，抗风压性能分级指标采用定级检测压力差值P3 为分级指标。分级指标值P3见表1。

表1 建筑外门窗抗风压性能分级表

2、建筑铝合金窗的抗风压性能设计要求

（1）建筑铝合金窗所承受的风荷载应符合现行国家标准《建筑结构载荷规范》（GB50009）规定的维护结构风荷载标准值，且不应小于1.0KN/m2。

（2）建筑铝合金窗构件在风荷载标准值作用下产生的最大挠度应满足如下要求:fmax≤［f］。式中：fmax为构件在外力作用下产生的最大挠度，［f］为构建的允许挠度。

二、建筑铝合金窗三项性能的检测

（一）建筑铝合金窗抗风压性能的检测

首先，检测压力逐级升、降。每级升降压力差不超过250Pa，每级压力差稳定作用时间为10s。不同类型试件变形检测时对应的最大面法线挠度（角位移值）应符合相关要求。检测压力绝对值最大不宜超过2000Pa。记录每级压力差作用下的面法线挠度值（角位移值），利用压力差和变形之间的相对线性关系求出变形检测时最大面法线挠度的对应压力差值，作为变形检测压力差值，标以±P1。其次，工程检测中，变形检测最大面法线挠度所对应的压力差值已超过P/3/2.5时，检测至P/3/2.5为止；最后，当检测中试件出现功能障碍或损坏时，以相应压力差值的前一级压力差分级指标记为P3。

（二）建筑铝合金窗气密性能的检测

1、检测方法

检测前应充分密封整个试件，然后按规定的加压顺序进行加压，先进行预备加压，再逐级加压，每级压力作用时间约为10s，先正压，后负压。记录各级测量值。

2、检测值的处理

（1）计算

分别计算出升压和降压过程中在100Pa压差下的两个附加空气渗透量测定值的平均值和两个总渗透量测定值的平均值，则窗试件本身100Pa压力差下空气渗透量qt (m3/h)可按下式计算：

= -

标准状态下的渗透量q/ (m3/h)：

q/=

式中：q/为标准状态下通过试件的空气渗透量值(m3/h)；P为试验室气压值（kPa）；

T为试验室空气温度值（K）；qt为试件渗透量测定值(m3/h)。

（三）建筑铝合金窗水密性能的检测

1、检测方法

建筑外窗水密性能的检测方法主要是波动加压法，其检测过程如下：

第一、淋水。对整个试件均匀地淋水，淋水量为3L/(m2・min)。

第二、加压。在淋水的同时施加波动压力。波动压力的大小用平均值表示，波幅为平均值的0.5倍。定级检测时，逐级加压至出现严重渗漏为止。工程检验时，直接加压至水密性能指标值，波动压力作用时间为15min或产生严重渗漏为止。

第三、观察记录。在逐级加压及持续作用过程中，观察并记录渗漏状态及部位。

2、分级指标值的确定

记录每个试件严重渗漏压力差值。以严重渗漏压力差值的前一级检测压力差值作为该试件水密性能检测值。如果工程水密性能指标值对应的压力差值作用下未发生渗漏，则此值作为该试件的分级指标值。

三、高层建筑铝合金窗的抗风压计算方法及选用

（一）高层建筑铝合金窗的抗风压计算

门窗是建筑物不可缺少的重要组成部分，在建筑物上不仅承受来自环境方面的影响，如风力的压力和雨雪侵袭，同时也要承受使用中开关和自重的重力，其中风力是使门窗的构建产生弯曲变形的主要原因，门窗是否安全、主要看它承受风力的能力，通常以单位面积上承受的气体压力值（单位为Pa）来衡量。本文结合湖南省核工业地质局地质调查院的业务用房的窗户设计情况，对外门窗的抗风压能力进行计算和校核。其中选用的抗风压计算方法具有如下优点：一是可以根据不同条件计算围护结构的风荷载标准值计算；二是可以计算门窗主要受力杆件的挠度、弯曲应力、剪切应力校核；三是可以计算玻璃的强度并校核；四是能够计算门窗连接件是否满足要求；五是可以使风压的标准值和设计值的计算结果更加准确。

1、业务用房所选铝合金窗及窗户设计说明

业务用房门窗洞口尺寸类型是3400×2600、3000×2600、3300×2600、3150×2600。窗户按中南标选用70系列铝合窗，主柜料为76，显然，设计单位没有经过抗风压计算方法，简单地采用中南标图集套用，很不科学。即使按中南标图集98ZJ721中70系列“基本窗立面图”窗编号选用，由于平开窗允许最大洞口尺寸为2100×1800，推拉窗允许最大洞口尺寸为2700×2100，因而中南标也没有对应的，符合尺寸的窗型可以套用。下面是70系列平开铝合窗节点图（见图1）及业务用房的窗户设计图以及抗风压计算中所需要的各种参数（如图2所示）。

图1 70多列平开铝合窗节点图

图2 业务用房的窗户试验模型图

2、铝合金窗的抗风压计算

（1）风载荷计算

风荷载标准值：Wk=K×βgz×μz×μs×Wo =2.39 KN/m2

（2）荷载计算

荷载计算公式：Q=A×Wk

式中：Q为受力构件所承受的总载荷；A为受力构件所承受的受荷面积；Wk-施加在受荷面积上的单位风载荷。

主要受力构件AB同时受均布载荷Q1、Q2、Q3的作用和集中载荷P的作用P=( Q4+Q5)/2。

（3）挠度的计算

①受力构件AB受均布荷载挠度计算。其中，受力构件AB受均布载荷Q1得:

fmax1==

式中：q=Q/L-a α=a/L

②受力构件AB受均布载荷Q2、Q3得:

Fmax2==，其中，q=2Q/L。

③受力构件AB受集中荷载挠度计算

Fmax3= ，其中，P= (Q4+ Q5)/2。

④受力构件AB挠度

fmax= fmax1+ fmax2+ fmax3= 0.0431KNm3/EI

式中，E钢=2.1×105N/mm2（塑料窗增强型钢弹性模量），I=3.3×104mm4（受力构件AB惯性矩，为增强型钢20×36×2惯性矩），应满足抗风压性能设计要求中的fmax≤［f］的条件。

3、业务用房框料选用的计算方法（依据GB7106-86）

采用金阁公司F220方管为主框料，壁厚1.8mm。查表长沙地区基本风压W0=350（KW/m2）

根据Wk=βgz・μs・μz・W0

βgz―高度阵风系数

μs―体型系数

μz―风压高度变化系数

W0―基本风压(KW/m2)

其中βgz=0.85×(1+2μf)=0.85×(1+2×0.734×3.5-0.22)=1.8(C类场地)

μs=2.0

μz=0.616×3.5-0.44=1.07

W0=350N/m2

得Wk=1.8×2×10.7×350=1348.44N/m2

计算F220(规格101.6×44.5×1.8)的惯性矩

I=68.13cm4=6.8×105mm4

杆件的允许挠度值f = L/130 = 2600/130 = 20mm(GB7106-86)

在梯形截荷下的挠度

f =

=

=

=20mm

P=

=1.5×10-3N/mm2

=1500N/m2＞Wk

=1.348.44N/m2

结论：金阁公司F220(101.6×44.5×1.8)的方管能用，70系框料不合要求。

（二）高层建筑铝合金窗的选择

高层建筑铝合金窗的选择非常重要，如果选择的不正确的话，就会产生窗户变形，严重时倾斜，以致不能正常使用的危害。而高层建筑铝合金窗的选择除了要满足三项性能的检测要求以及抗风压计算的相关数据要求外，还要满足如下几个方面的选择条件。

1、安全可靠性

安全可靠性是指门窗在使用中不允许出现脱落、窗扇坠下，玻璃炸裂、构件损坏或变形等影响使用及造成伤害危险的问题，同时也不允许产生噪声。

2、节能与环保

节能是指所使用的铝门窗，必须达到所在地区《民用建筑节能设计标准（采暖居住部分）》（JGJ26―95）及所在地区主管部门制定的实施细则中所规定的节能技术要求（包括传热系数及空气渗透性等）。环保是指门窗本身不能产生噪声，同时还要具有一定的隔声性能。使用热反射镀膜玻璃时，不应该产生有害的光反射，尤其是在主干道、立交桥、高架路两侧建筑物20米高度以下，如果使用热反射镀膜玻璃，反射率应控制在0.16以下。

 3、装饰功能

人们常把窗户比作建筑物的眼睛，它对建筑物具有较强的装饰功能，应该做到外形美观、色彩丰富、表面光泽、色彩高雅、制作精细考究。

 4、经久耐用性

 建筑是百年大计，要求门窗必须具有足够长的使用寿命，在使用期内，除极少数易损件外，主体结构及主要配件，不允许出现坏损、变形、腐蚀、老化、表面明显变色、退色和失光现象。

结论：湖南省核工业地质局地质调查院的业务用房因在建筑中，在未能结合实际进行抗风压计算的情况下，就确定了铝合金的外窗型式及窗户框料，以至于施工后全部返工，造成较大经济损失。可见，在进行高层建筑的铝合金窗的选择时，务必要做好待选择铝合金窗的抗风压计算以及三项性能的试验检测。

参考文献：

[1]任艳娟.建筑外窗三项性能及检测新标准修改内容浅析与探讨[J].河南建材，2011(1).

[2]郭世光.建筑外门窗的选用探析[J].海南大学学报，2006(12).

[3]黄燕春.浅谈门窗的抗风压性能的计算[J].广西土木建筑，200l(3).