风-雨联合作用下多层建筑玻璃幕墙易损性分析方法

《Buildings》：Fragility Analysis of Multi-Story Building with Glass Curtain Walls Under Combined Wind and Rain Actions

　　

随着全球城市化进程的加快，多层建筑数量持续增加，玻璃幕墙（glass curtain wall）作为现代多层建筑的主要围护结构形式已被广泛采用。然而，在台风等强风暴雨灾害中，玻璃幕墙易发生破坏，雨水随后侵入建筑内部，造成严重财产损失。现有研究大多集中于纯风荷载作用下的围护结构损伤，对风-雨联合作用，尤其是雨水入侵引起的室内财产损失关注不足。为此，研究人员建立了一种风-雨联合作用下多层建筑玻璃幕墙的损伤评估方法。首先，基于随机模拟（stochastic simulation）技术并考虑渐进损伤过程，提出了一种风-雨联合作用下多层建筑易损性分析框架，该框架包含概率风荷载模型（probabilistic wind-load model）、风致飞射物冲击荷载模型（impact load model of wind-borne debris）、玻璃抗力模型（glass resistance capacity model）、风驱雨（wind-driven rain, WDR）数值模拟、风驱雨入侵量体积量化模型及经济损失评估模型。随后，基于该框架，对典型多层建筑进行了数值算例分析。结果表明，所提方法能够合理考虑风驱雨入侵、围护结构损伤及室内财产损失。

随着全球城市化进程加快，多层建筑不断增多，玻璃幕墙已成为现代多层建筑的主要围护结构形式。然而，在台风等强风暴雨灾害中，玻璃幕墙易因风压或风致飞射物发生破坏，雨水经破损区域侵入室内，引发装饰受损、机电失效等二次损失。超强台风“莫兰蒂”和“山竹”等灾害案例表明，仅考虑风荷载会低估建筑整体风险。现有风灾评估方法中，数据驱动模型依赖灾后统计，物理机制不明确；力学机制模型虽物理意义清晰，但多数仅针对纯风作用，缺乏同时考虑风压、飞射物、渐进损伤和室内财产分布随机性的精细化易损性评估。为此，研究人员提出了一种风-雨联合作用下多层建筑玻璃幕墙的损伤评估方法。

该研究基于蒙特卡洛随机模拟技术，建立了风-雨联合作用下多层建筑易损性分析框架，将围护结构渐进破坏简化为三阶段：完好阶段、开口出现阶段和损伤扩展阶段。框架集成了概率风荷载模型、风致飞射物冲击荷载模型、玻璃抗力模型、风驱雨数值模拟、风驱雨入侵体积量化模型及经济损失评估模型。通过对典型六层酒店建筑（86.5 m × 15 m × 23.8 m）的数值算例，验证了方法能合理评估围护结构损伤、雨水入侵量和室内财产损失，为多层建筑玻璃幕墙的风-雨联合损失评估提供了系统化工具。

关键技术方法包括：基于ASCE 7-16的概率风荷载模型；风致飞射物冲击荷载模型，采用Poisson分布描述碎片空间分布并模拟轨迹；玻璃抗力模型经同心双环试验获得；风驱雨数值模拟采用基于RANS的Eulerian多相流方法，并用实测数据验证；雨水入侵量经直接入侵、缝隙渗漏和径流三种路径量化；经济损失评估模型分别计算幕墙损失和室内财产损失。算例以数值酒店建筑为对象，未涉及真实样本队列。

**4.2.1 幕墙作用与抗力分析**：研究人员确定了风荷载参数，并针对玻璃面板尺寸进行风压系数插值；飞射物参数参照相关文献设定。通过同心双环试验（划痕深度22~232 μm，加载速率20 MPa/s和50 MPa/s等）获得60个样本，拟合得到玻璃风压抗力近似服从正态分布，同时给出了飞射物冲击抗力模型。

**4.2.2 风驱雨数值模拟**：研究人员先用已有实测数据验证了数值模型，再对目标建筑在0°和90°风向、三种降雨强度（4 mm/h、8 mm/h、20 mm/h）组合下进行模拟。结果表明，雨水捕获比随风速和降雨强度增大而增大；在屋顶边缘和外墙角部等流动分离区变化剧烈；立面捕获比从上到下递减，最大值出现在迎风面上角区域。

**4.2.3 室内财产分布**：通过问卷调查、线下卖场询价和电商平台比价，收集了酒店房间内家具和家电两类财产的类型与价格，用于后续损失计算。

**4.2.4 考虑室内财产的易损性分析结果**：在风速10~80 m/s、降雨强度20 mm/h条件下进行10,000次模拟。研究发现，仅考虑强风与考虑风-雨联合作用时玻璃窗损失率均值无明显差异，说明雨荷载对围护结构损伤影响很小。但计入室内财产后，建筑整体损失率随风速增大而快速上升；在同一风速下，降雨强度越大，整体损失越大。90°风向的整体损失率显著高于0°风向，因为该方向迎风面窗户数量更多，雨水入侵路径更充分。虽然两风向的标准差接近，但0°风向的变异系数更大（70 m/s、20 mm/h时为0.49，而90°时为0.16）。

讨论部分指出，围护结构破坏主要由强风压和风致飞射物控制，雨荷载可忽略；然而雨水通过破损开口入侵是放大整体经济损失的关键。内部压力更新采用开口处面积加权外部压力系数的近似方法，忽略隔间、缝隙和隔墙的影响，未来可精细化。实际风灾过程复杂，算例使用他人研究数据，存在假设，需用灾害调查数据标定方法；且当前仅考虑玻璃面板破坏，未纳入密封胶老化和连接件损伤。

研究结论如下：（1）所提易损性分析方法能同时考虑风压与飞射物作用下围护结构渐进损伤引起的多路径风驱雨入侵和室内财产损失，并能反映风荷载、飞射物参数、缝隙渗漏系数和径流折减系数等不确定性。（2）风-雨联合作用与纯风作用下的围护结构损失率差异不显著，但计入室内财产后，降雨强度对整体损失率影响显著，雨水入侵是加剧损失的关键因素。（3）整体损失率随风速增大而快速上升，原因是风速增大既直接加剧围护结构破坏，又通过增大捕获比和破损开口面积增加雨水入侵量。（4）算例旨在演示方法，实际结果可能偏离真实灾情，需以灾害调查数据校准；未来将研究风速和降雨强度联合分布下的年最大损失概率。（5）研究未考虑密封胶老化与连接件损伤，这些也可能产生雨水入侵通道，有待后续分析。