门窗安全的“生命线”——抗风压性能的测评

导读

抗风压性能是关系门窗安全的基本性能，一般需要通过测试或计算评估，那么我们为什么要测评该性能，又如何测评呢？

首先，来看看我们为什么要测评门窗抗风压性能？

门窗在使用过程中主要承受风荷载作用，而风荷载与建筑物所在地、建筑高度、所在建筑物的位置等密切相关。

举个例子：北京和厦门，分别取20m和100m高度，计算墙面区和墙角区的风荷载标准值/设计值，结果见下表。

由于荷载数值并不直观，以北京市20m高建筑物墙面区荷载为1.00，则各荷载比值见最后一列，结论是北京和厦门地区20m和100m高建筑物风荷载最大差异可达5.10倍。

同时，门窗抗风压性能与玻璃、窗框构造、窗型尺寸等又密切相关，窗型相同尺寸增大时，门窗抗风压性能成指数递减。

门窗中横/竖框一般简化为简支梁模型，长度和挠度限值均增加为2倍时，承受风压值反而下降为约1/8；某中竖框窗，尺寸由1500×1500mm增大为1500×3000mm时，变形量约增大为18.63倍，挠度限值增长为2倍时，承受风压将下降90%。

《孙子兵法》有云：兵者，国之大事，死生之地，存亡之道，不可不察也。这里套用一下：抗风压者，窗之大事，不可不察也！

那么，我们如何知道门窗在多大风荷载时，是否还安全呢？

这就需要对门窗抗风压性能进行测评，可以说这是保证门窗安全的第一步！

门窗抗风压性能包括玻璃、主要受力杆件正常使用极限状态下的刚度(以挠度表征)要求和承载能力极限状态下的强度(以应力表征)要求。

以铝合金门窗为例，抗风压性能应符合GB/T 8478-2020《铝合金门窗》中“5.6.1抗风压性能”的要求。

其中，抗风压性能分级指标值P3对应的就是风荷载标准值，而1.5P3对应的是风荷载设计值。

门窗主要受力杆件面法线挠度允许值，在P3时单层玻璃、夹层玻璃时相对挠度值为L/100，中空玻璃时为L/150，且挠度最大值不允许超过20mm；1.5P3时不应出现危及人身安全的损坏。

玻璃面板，在P3时挠度允许值为其短边边长的1/60，在1.5P3时玻璃面板不应发生破坏。

这个是从测试角度的说法，从计算角度，门窗主受力杆件、玻璃面板在P3时挠度允许值不能超标，在1.5P3时则是应力不超过杆件和面板的强度设计值。

以门窗玻璃为例，可简化为四边简支板力学模型，见下图。

在风荷载标准值作用下，其挠度允许值为其短边边长的1/60；在风荷载设计值作用下，玻璃最大应力不应超过其强度设计值，见下表。

假定玻璃尺寸为1200×1800 mm时，则风荷载标准值作用下其最大挠度不能超过20 mm，风荷载设计值作用下5mm或6mm厚钢化玻璃最大应力不应超过84N/m㎡。

铝合金窗框风荷载标准值作用下相对挠度允许值为L/100(单层玻璃和夹层玻璃)和L/150(中空玻璃)，绝对挠度允许值为20mm；风荷载设计值作用下，窗框最大应力不应超过材料强度设计值，见下表。

以某1500 mm×1500 mm中空玻璃隔热铝合金窗为例，分格见下图。

风荷载标准值作用下，中竖框相对挠度值不应超过L/150，即10 mm；风荷载设计值作用下，6063-T5铝合金型材最大应力不应超过90 N/m㎡。

我们了解了不同地区、不同高度建筑物不同部位的风荷载有较大差别，也了解了标准对门窗玻璃和框的强度(应力)、刚度(挠度)的明确规定，那么我们如何判断自己的产品能否达到要求呢？

方法有两个：一是抗风压性能测试，二是抗风压计算。

门窗抗风压性能测试应按照国家标准GB/T 7106《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能检测方法》采用模拟静压箱法进行，见下图。

箱体内模拟目标工程风荷载标准值测试试件挠度，模拟风荷载设计值测试试件是否破坏。

以上述某1500×1500 mm中空玻璃隔热铝合金窗为例，假定抗风压性能检测结果见下图。

由于变形检测时P1取为0.4P3，因此当相对挠度达到0.4×L/150=L/375=4mm时，对应压力即为P1，也就是上图中的1.8 kPa。

根据P3=2.5P1的对应关系可知，P3为4.5 kPa，即该窗的抗风压性能等级为8级；与目标工程风荷载标准值wk比较，即可知该窗抗风压性能是否符合要求。

说完了测试，来看看门窗抗风压性能如何计算。

门窗抗风压计算可按JGJ 214《铝合金门窗工程技术规范》、JGJ 103《塑料门窗工程技术规程》、JGJ 113《建筑玻璃技术规程》和JGJ 102《玻璃幕墙工程技术规范》进行。

玻璃计算包括荷载分配、应力计算、等效厚度及挠度计算等过程，可按标准采用公式法进行，示例如下：

也可采用有限元模拟计算，见下图。

门窗框的强度/刚度计算可按JGJ214《铝合金门窗工程技术规范》中“附录B铝合金门窗杆件设计计算方法”进行，包括杆件荷载计算、截面参数读取、弯矩和应力计算、挠度变形计算等过程。

不同支承条件和荷载形式下杆件弯矩计算公式，见下表。

不同支承条件和荷载形式下杆件挠度计算公式，见下表。

杆件计算时也有很多问题可以深入探讨，如惯性矩和抵抗矩、门窗框扇杆件力学模型简化、隔热铝型材等效惯性矩等，笔者也有相关文章可供参考。

好了，做个小结：

门窗在使用过程中主要承受风荷载作用，而风荷载与建筑物所在地、建筑高度、所在建筑物的位置等密切相关；门窗抗风压性能与玻璃、窗框构造、窗型尺寸等又密切相关，窗型相同尺寸增大时，门窗抗风压性能成指数递减。

风荷载标准值下，玻璃面板挠度最大允许值为短边边长的1/60，框的最大挠度允许值根据面板不同分别为L/100和L/150，且不超过20mm；风荷载设计值下，玻璃和框的最大应力不应超过材料强度设计值。

测试和计算是门窗抗风压性能评价的重要手段。门窗抗风压性能测试应按照GB/T 7106《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能检测方法》采用模拟静压箱法进行，抗风压计算可根据规范要求采用公式法、有限元模拟等方法进行。

“抗风压者，窗之大事，不可不察也！”，昔者鲁班制木尚需规矩，今人选窗岂能不察？愿诸君择窗如择将，使居所固若金汤，虽狂风骤至，亦可安枕无忧矣！