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增强幕墙和屋顶的安全设计(一)

来源:中国幕墙网收集整理  作者:龙文志  日期:2005-6-7
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    这两个事故有下列共同点:
    (1)使用时间不长(莫斯科德兰士瓦水上乐园使用约两年,戴高乐机场的2e候机厅使用约一年);
    (2)不是个别部件或玻璃的损坏或脱落,而是结构整体的坍塌;
    (3)事故发生前无征兆或者无明显征兆,坍塌突然发生,猝不及防;
    (4)坍塌时间分别是早晨约7时和傍晚约7时30分,外部环境当时不是最恶劣和极限承载状态,例如大风、大雪、地震等
    (5)建筑及结构比较现代。
    (6)事故后果严重,死伤人较多。
    戴高乐机场航站厅的事故和莫斯科德兰士瓦水上乐园事故原因的调查给出答案之前,中国建筑界一场新的争论悄悄升温:
    ①安德鲁在中国设计的四个工程(上海浦东国际机场、北京中国大剧院、上海艺术中心和广州体育馆)是否要重新进行安全审查;
    ②大跨度玻璃屋顶和建筑玻璃采光顶设计和施工质量如何规范和控制;
    ③建筑创意要不要大胆?是否设计师的创意是否过于大胆,以至于超过了现有技术的实现能力?如何处理好创意和结构这对矛盾?等。
  本文仅对建筑幕墙和屋顶的结构安全设计提出一点初浅看法和建议。
    2、剩余强度设计,部件破损时体系的安全性。
    (1)目前世界上大部分现代派建筑,基本采用轻型建筑材料,如钢材、玻璃及拉索等,讲究轻盈透明,结构环点相扣,主要是从物理力学的支点平衡及相互牵扯制约来达到整体稳固效果,目前世界各国设计标准中还都未明确提出要考虑结构的“失效一安全’设
计原则,没有进行必要的剩余强度设计,正是由于现代派建筑的这些特点,导致了新型建筑结构支撑存在着环环相扣、互为依托牵引的特点,可谓是牵一发而动全身,哪怕是一颗螺丝的脱落、一根拉索的松动、一个支柱的折断都会引发整体结构的失衡现象。所以容易出现:当一、两个受力部件或另件破损时,往往会导致整个结构体系的突然破坏,造成灾难性后果。以玻璃幕墙和玻璃屋顶为例:《玻璃幕墙工程技术规范》(JCJ 102)中,玻璃幕墙结构安全设计采用了两种方法,即允许应力法和多系数法。这两种方法的设计概念是根据全部结构无条件保证安全这一要求而产生的,即结构系统中任一部件或另件失去安全则整个系统也随之失去安全,称之为“安全寿命概念”。由于玻璃的强度离散度大,脆性断裂前没有征兆,因而玻璃结构发生的事故是突发的和偶然的,要求玻璃结构所有部件都是绝对安全是不现实的。有效的措施是:采用破损安全设计理念,增加剩余强度设计,必要是进行剩余强度试验。
    (2)破损安全、剩余强度概念
   “破损安全”、“剩余强度”的概念有三层意思:
    一是对整个结构而言,当组成该结构的一个或数个部件发生破损时,尽管整个结构没有原来设计的最大承载能力,但不会发生结构的整体破坏,整体结构仍然具有可以接受的最低安全水平。
    二是最低安全水平维持的时间,要能够满足恢复整体结构达到正常安全水平的要求。图7是德国的头顶玻璃剩余强度的试验照片,记录夹胶玻璃冲击破碎弯曲后,直至完全坠落掉下的间隔时间,这个时间能够足以更换和维修,恢复整体结构达到正常安全水平的要求。
    三是结构承受疲劳荷载的情况下,裂纹扩展后的剩余强度能否承受规定的使用荷载。
    在疲劳荷载的作用下,构件的裂纹会逐渐扩展,当裂纹尺寸小于临界长度时,其断裂强度因子小于材料的断裂韧度,裂纹的扩展的速度是缓慢的,称为“亚临界扩展”;当裂纹的尺寸扩展到临界长度时,其断裂强度的因子等于材料的断裂韧度,裂纹的扩展速度十分快(近似于声音的速度),构件突然发生断裂,称为“失稳扩展”。现实裂纹的尺寸扩展到临界尺寸所需的时间为“剩余强度”时间,正常情况下要满足构件的寿命要求。

图7  夹胶玻璃剩余强度试验

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