《Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics》：Wind-induced hazard assessment for high-rise building glass curtain walls considering multimodal damage mechanisms and progressive damage processes
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摘要玻璃幕墙已被广泛用作高层建筑的围护结构。然而，在强风条件下，玻璃幕墙容易受到严重损坏。灾后调查表明，玻璃幕墙的损坏主要源于三种典型的破坏模式：强风压力、风载碎片以及层间位移引起的损伤。此外，强风还会因局部损坏产生的随机开口而引发玻璃幕墙的渐进性破坏，进一步加剧整个幕墙系统的损
摘要
玻璃幕墙已被广泛用作高层建筑的围护结构。然而，在强风条件下，玻璃幕墙容易受到严重损坏。灾后调查表明，玻璃幕墙的损坏主要源于三种典型的破坏模式：强风压力、风载碎片以及层间位移引起的损伤。此外，强风还会因局部损坏产生的随机开口而引发玻璃幕墙的渐进性破坏，进一步加剧整个幕墙系统的损伤。本研究将高层建筑每层的复杂渐进性破坏过程简化为三阶段的简化模型。基于这一简化模型，提出了一个考虑多种破坏机制的高层建筑玻璃幕墙风致脆弱性分析框架，并通过数值案例验证了该框架的有效性。研究结果表明，忽略渐进性破坏或仅考虑单一破坏模式会显著低估风致损伤；单一作用与多作用之间的相关性对平均损伤率影响不大，而这两种相关性则会对损伤率概率分布产生显著的耦合效应。
引言
由于重量轻、透明度高、隔热性能好且美观，玻璃幕墙在全球范围内被越来越多地用作现代高层建筑的主要围护结构（例如Rastbod等人，2026年）。然而，在台风或飓风等强风作用下，玻璃幕墙往往会出现严重损坏，进而导致严重的安全事故和经济损失（例如Kareem和Bashor，2006年；Yang等人，2018年；Zhang，2022年）。灾后调查及相关研究表明，高层建筑玻璃幕墙的风致损坏是由多种破坏机制共同作用所致，而非单一因素。具体而言，损坏原因可分为三类：第一类是幕墙表面承受过大的风压导致玻璃面板破裂，这是最常见的破坏模式之一（Beason和Morgan，1984年；Ouyang和Spence，2020年）；第二类是强风带来的风载碎片（如屋顶碎石、玻璃碎片）的高速撞击，过去三十年中这一直被视为建筑围护结构的主要破坏源，约占玻璃破裂案例的80%以上（Neunlist，1983年；Kareem，1985年；Dong等人，2023年）；第三类是主结构在风荷载作用下的过度层间位移，这种位移会给连接的玻璃幕墙带来过大的拉应力、压应力或剪应力，从而导致结构损坏或玻璃破裂（Ouyang和Spence，2019年；Shetty等人，2013年；Kareem和Bashor，2006年；Ren等人，2022年；Song，2010年）。此外，玻璃幕墙的风致损坏还表现出复杂的渐进性破坏特征：单个玻璃面板的局部损坏会形成随机开口，改变建筑的内外压力分布，增加相邻面板的风荷载，进而引发整个系统的连续性损坏——这一过程与飓风灾后的级联破坏机制一致（Butler和Kareem，2012年；Elshaer等人，2019年）。因此，针对风压、碎片撞击及过度层间位移对玻璃幕墙造成的损坏进行建模，对于评估城市建筑在强风灾害中的风险至关重要。
近几十年来，许多研究人员建立了用于评估建筑物风致风险的框架（Ciampoli等人，2011年；Barbato等人，2013年；Spence和Kareem，2014年；Chuang和Spence，2017年；Cui和Caracoglia，2020年；Ouyang和Spence，2020年）。对于低层建筑，众多学者从更精确的荷载建模（如同时考虑风荷载和风载碎片冲击荷载）、更合理的结构破坏模式以及更精准的抗力建模等方面，提出了一系列风致脆弱性评估方法（例如Pita等人，2012年；Barbato等人，2013年；Shetty等人，2014年；Wu等人，2021年；Lan和Huang，2022年）。这些方法充分考虑了影响低层建筑损坏的关键因素，为低层建筑的抗风设计及风险评估奠定了坚实基础。然而，将这些方法应用于高层建筑围护结构的风致脆弱性分析时，仍存在明显局限性。对于高层建筑，许多学者也开展了相关研究。Smith和Caracoglia（2011年）提出了一种基于蒙特卡洛的方法，用于分析高层建筑在湍流风荷载作用下的动态脆弱性，重点研究了风荷载不确定性对结构损坏的影响。Cui和Caracoglia（2018年）为飓风频发地区的高层建筑建立了一个统一的基于性能的飓风工程框架，重点分析了风致损坏的生命周期干预成本。Chuang和Spence（2017年）则提出了一种基于性能的设计框架，用于分析风致建筑的结构坍塌与非坍塌损坏问题。不过，这些研究主要关注高层建筑主体结构的风致脆弱性，而对以玻璃幕墙为代表的围护结构关注较少。在高层建筑围护结构的风致脆弱性方面，也有一些学者进行了初步研究。Barbato等人（2013年）建立了一个完全概率模型，考虑了碎片对建筑围护结构的冲击作用。Ouyang和Spence（2019年、2020年）构建了一个考虑位移和压力诱导损伤耦合效应的建筑围护结构概率损伤评估框架，并分析了围护结构系统的渐进性破坏过程。Dong等人（2023年）提出了一种考虑风载碎片冲击的城市建筑围护结构脆弱性建模方法，系统研究了风载碎片的轨迹及其对建筑围护结构的影响。尽管如此，这些研究大多只关注一两种破坏模式，很少有研究同时考虑三种典型的破坏机制（风压、风载碎片冲击以及层间位移引起的破坏）。此外，虽然有些研究涉及渐进性破坏，但未能将渐进性破坏过程与多种破坏机制充分结合，从而导致对玻璃幕墙风致脆弱性和损坏程度的评估不够准确。
为解决上述问题，本研究基于渐进性破坏过程，借助等效风荷载系数模型、碎片轨迹模型以及概率密度演化方法，提出了一种考虑风压、风载碎片冲击以及过度层间位移三种破坏机制共同作用的高层建筑玻璃幕墙风致危害脆弱性分析框架。本文的具体结构如下：首先，将每层幕墙系统的损坏过程简化为三阶段的渐进性破坏过程；其次，基于简化的渐进性破坏过程，提出了一种考虑三种破坏机制共同作用的风致脆弱性分析框架，该框架先进行概率分析，然后再介绍基于蒙特卡洛模拟的风致损伤估算方法；随后通过数值案例验证所提出的框架；最后总结本研究的主要结论。
章节要点
高层建筑围护结构的简化渐进性破坏过程
玻璃幕墙在强风作用下容易受损，从而造成巨大的经济损失。与低层建筑不同，高层建筑不仅容易受到风压和风载碎片的冲击，还可能因为主体结构的层间位移而出现玻璃幕墙损坏，这种情况可能导致建筑围护结构出现破损，使立面出现连续的穿孔。灾后调查表明，强风
考虑多种破坏机制的玻璃幕墙风致脆弱性分析框架
为更好地理解考虑多种破坏机制的玻璃幕墙风致损坏问题，首先建立了一种完全概率方法，用于评估在风压、风载碎片冲击以及层间位移作用下的玻璃幕墙风致脆弱性。为了更有效地考虑损伤评估中的各种不确定性，进一步提出了一种基于蒙特卡洛模拟的幕墙脆弱性评估方法。
建筑原型参数与风压数据
本研究选取了一座20层、截面为矩形的高层建筑作为研究对象。如图5(a)所示，该建筑的截面尺寸为32米×16米（长×宽），层高为4米。建筑的围护结构由玻璃面板构成，每块玻璃面板为1.6米×2米的双层夹层玻璃，内外层玻璃的厚度均为6毫米。这些玻璃面板安装在地面上方1.5米的位置
结论
本研究提出了一种新的概率评估框架，通过考虑多种破坏机制（即风压、风载碎片以及层间位移引起的损坏）和渐进性破坏过程，来量化风致对高层建筑玻璃面板的损坏程度。为更方便地考虑损伤评估中的各种不确定性，本研究进一步建立了基于蒙特卡洛模拟的方法，其中包含了风荷载的极端概率模型
CRediT作者贡献说明
吴凤波：方法论、写作——审稿与编辑。金志强：数据整理、正式分析、研究调研、软件应用、验证、可视化、写作——初稿撰写。姜岩：概念构思、资金筹集、项目管理、资源协调。夏玉英：概念构思、研究调研。
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究的已知财务利益或个人关系。
致谢
特别感谢中国国家自然科学基金（项目编号：52408509、52578555）以及重庆市自然科学基金（项目编号：CSTB2025NSCQ-GPX0874）的资助。
Fengbo Wu|Zhiqiang Jin|Yan Jiang|Yuying Xia
