簡述玻璃幕墻玻璃計算方法

2013-04-08 17:28:56 作者: 來源: 【大中小】我要評論（0）

1. 前言

　隨著建筑業(yè)的發(fā)展，玻璃幕墻得到了廣泛使用，修訂版《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》(JGJ 102-2003)的發(fā)布，標志中國幕墻行業(yè)的技術(shù)標準跨上了新臺階。為助于幕墻行業(yè)工程技術(shù)人員理解、應(yīng)用此規(guī)范，確保幕墻結(jié)構(gòu)的安全性、可靠性，特撰寫此文。本文包括結(jié)構(gòu)設(shè)計基本規(guī)定、幕墻所受荷載及作用、玻璃計算、結(jié)構(gòu)膠計算、橫梁計算、立柱計算、連接計算等內(nèi)容。（限于篇幅有限，本刊這里僅介紹結(jié)構(gòu)設(shè)計基本規(guī)定、幕墻所受荷載及作用、玻璃計算的內(nèi)容，全文可登陸第一幕墻網(wǎng)onefacade.com查閱。）

2. 結(jié)構(gòu)設(shè)計基本規(guī)定

2.1 幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計方法

幕墻的結(jié)構(gòu)計算，采用以概率論為基礎(chǔ)的極限狀態(tài)設(shè)計方法，用分項系數(shù)設(shè)計表達式進行計算。極限狀態(tài)包括兩種：

a. 承載能力極限狀態(tài)：主要指強度破壞、喪失穩(wěn)定。

b. 正常使用極限狀態(tài)：主要指產(chǎn)生影響正常使用或外觀的變形。

2.2 設(shè)計驗算基本過程

設(shè)計驗算基本過程分以下三步：

　　 a. 根據(jù)實際情況進行荷載及作用計算。

　　 b. 根據(jù)構(gòu)件所受荷載及作用計算荷載效應(yīng)及組合。

　　 c. 根據(jù)驗算公式進行設(shè)計驗算。

　　 2.3 驗算公式

　　 2.3.1承載力驗算： S≤R

　　 S：荷載效應(yīng)按基本組合的設(shè)計值，可以是內(nèi)力或應(yīng)力。

　　具體到幕墻構(gòu)件：

　　 S=γgSgk+ψwγwSwk+ψeγeSek

　　其中：

　　 Sgk——永久荷載效應(yīng)標準值；

　　 Swk——風荷載效應(yīng)標準值；

　　 Sek——地震作用效應(yīng)標準值；

　　 γg——永久荷載分項系數(shù)，取γg=1.2；

　　 γw——風荷載分項系數(shù)，取γw=1.4；

　　 γe——地震作用分項系數(shù)，取γe=1.3；

　　 ψw——風荷載組合值系數(shù)，取ψw=1.0；

　　 ψe——地震作用組合值系數(shù)，取ψe=0.5。

　　 R：抗力設(shè)計值，可以是構(gòu)件的承載力設(shè)計值或強度設(shè)計值。

　　 ①如果已知承載力設(shè)計值或強度設(shè)計值，可直接引用。見《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范(JGJ 102-2003)》P20§5.2“材料力學性能”。

　　 ②如果已知承載力標準值或強度標準值，則需除以材料分項系數(shù)K2，得到承載力設(shè)計值或強度設(shè)計值，舉例如下：

石材，已知其彎曲強度平均值fgm= 8MPa，則其抗彎強度設(shè)計值： fg1=fgm/K2=fgm/2.15=3.72(MPa)；

錨栓，已知其極限抗拉力為50kN，則其抗拉力設(shè)計值:F=50/K2=50/2=50/2=25(kN)。

不同材料的材料分項系數(shù)K1是由其總安全系數(shù)K及荷載分項系數(shù)K2決定的。其數(shù)學關(guān)系為K=K1K2。不同材料的總安全系數(shù)K舉例如下：石材K=3，連接K=2.8, 玻璃K=2.5。而起主要控制作用的風荷載的荷載分項系數(shù)K1=1.4。所以可換算得到：石材的材料分項系數(shù)K2=K/K1=3/1.4=2.15，連接的材料分項系數(shù)K2=K/K1=2.8/1.4=2，玻璃的材料他項系數(shù)K2=K/K1=2.5/1.4=1.785。

　　 2.3.2 撓度驗算

　　 df≤df·lim

　　 df：構(gòu)件在風荷載標準值或永久荷載標準值作用下產(chǎn)生的撓度值。

　　 df·lim：構(gòu)件撓度限值。

　　在鋼結(jié)構(gòu)計算中，撓度驗算應(yīng)考慮不同作用效應(yīng)的組合。但在幕墻計算中，出于簡化考慮，不考慮不同作用效應(yīng)的組合，僅須分別單獨計算風荷載或永久荷載標準值作用下的撓度。

　　具體到下列幕墻構(gòu)件：

　　鋁橫梁、立柱：df·lim=l/180，l為支點間距離。

　　鋼橫梁、立柱：df·lim=l/250，l為支點間距離。

　　四邊支承玻璃：df·lim=短邊邊長/60

　　四點支承玻璃：df·lim=支承點間長邊邊長/60

　　玻璃肋對邊支承玻璃：df·lim =跨度/60

　　玻璃肋：df·lim=計算跨度/200

3. 幕墻所受荷載及作用

　　 3.1 永久荷載

　　永久荷載即重力荷載，根據(jù)材料的重力密度及具體尺寸計算。

　　例如，計算規(guī)格為6+0.76PVB+6(mm)鋼化夾膠玻璃的永久荷載標準值：qgk0=t0×γg/1000=12×25.6/1000=0.307(kPa)

　　其中：

　　 t0—玻璃片總厚度，t0=12(mm)；

　　 γg—玻璃重力密度，γg=25.6(kN/m3)。

　　如考慮玻璃上鋁粘接框重量，假設(shè)鋁粘接框重量為玻璃重量的20%，則玻璃與鋁框永久荷載標準值：

qgk=(1+20%)qgk0=(1+20%)×0.307=0.368(kPa)

3.2 風荷載

　　幕墻的風荷載標準值按下式計算，且不應(yīng)小于1.0kPa。

　　 wk=βgzμsμzw0

　　其中：

　　 wk——風荷載標準值；

　　 βgz——陣風系數(shù)，按幕墻距地面高度、地面粗糙度查表；

　　 μs——風荷載體形系數(shù)；

　　對于負壓區(qū)墻面，取-1.2(外壓-1.0，再考慮內(nèi)壓-0.2)

　　對于負壓區(qū)墻角邊，取-2.0(外壓-1.8，再考慮內(nèi)壓-0.2)

　　對于雨蓬，取-2.0

　　 μz——風壓高度變化系數(shù)，按幕墻距地面高度、地面粗糙度查表；

　　 w0——基本風壓，取50年一遇基本風壓。

　　例如，已知w0=0.75kPa，地面粗糙度為C類，幕墻最高80m，求墻面風荷載標準值：

wk=βgzμsμzw0=1.64×1.2×1.538×0.75=2.27(kPa)

　　3.3 地震作用

　　垂直于玻璃幕墻平面的分布水平地震作用標準值按下式計算：qek=βeαmaxGk/A

　　其中：

　　qek——垂直于玻璃幕墻平面的分布水平地震作用標準值；

　　βe——地震動力放大系數(shù)，取5.0(為使脆性材料在設(shè)防烈度下不破損傷人而考慮)；

　　αmax——水平地震影響系數(shù)最大值，按抗震設(shè)防烈度和設(shè)計基本地震加速度查表；

　　Gk——幕墻構(gòu)件(包括玻璃面板和鋁粘接框)的永久荷載標準值；

　　A——幕墻面積，Gk/A即為玻璃與鋁框永久荷載標準值qgk。

　　例如，已知深圳地區(qū)抗震設(shè)防烈度為7度，設(shè)計基本地震加速度為0.10g，玻璃為6+0.76PVB+6(mm)鋼化夾膠玻璃，求分布水平地震作用標準值：

qek=βeαmaxGk/A=βeαmaxqgk=5×0.08×0.368=0.147(kPa)

4. 玻璃計算

4.1玻璃最大應(yīng)力標準值

　　玻璃面板為四邊支承板，其最大應(yīng)力標準值按下式計算：σk=η(6mqka2/t2)

　　其中：

　　 σk——玻璃在荷載作用下的最大應(yīng)力標準值；

　　 qk——垂直作用在玻璃幕墻平面上的荷載或作用標準值；

　　 a——矩形玻璃板短邊邊長；

　　 t——玻璃厚度；

m——彎矩系數(shù)，按玻璃板短邊與長邊邊長之比a/b查表；

　　 η——考慮玻璃板在外荷載作用下大撓度變形影響的應(yīng)力折減系數(shù)。

　　按θ=(wk+0.5qek)a4/(Egt4)查表，Eg為玻璃的彈性模量。

　　 4.2 玻璃跨中撓度

　　玻璃跨中撓度按下式計算：df=η(μwka4)/D

　　其中：

　　df——玻璃在風荷載標準值作用下的撓度最大值；

　　wk——風荷載標準值；

　　D——玻璃剛度，D=Egt3/[12×(1-ν2)]，t為玻璃厚度，ν為玻璃泊松比；

　　μ——撓度系數(shù)，按玻璃板短邊與長邊邊長之比a/b查表；

　　η——撓度折減系數(shù)，按θ=wka4/(Egt4)查表。

4.3 計算夾膠玻璃的特別規(guī)定

　　 4.3.1 應(yīng)力計算

　　計算夾膠玻璃應(yīng)力時，作用于夾膠玻璃上的荷載及作用按下式分配到兩片玻璃上：

　　 qk1=qkt13/(t13+t23)

　　 qk2=qkt23/(t13+t23)

　　其中：

qk——垂直作用在玻璃幕墻平面上的荷載或作用標準值；

qk1、qk2——分別為分配到各單片玻璃的荷載或作用標準值；

t1、t2——分別為各單片玻璃的厚度。

推導：不考慮夾膠層的粘接作用，偏安全地認為內(nèi)外片玻璃板疊置。夾膠玻璃內(nèi)外片玻璃板在板面均布荷載qk作用下，雖然各自彎曲，但其曲率和撓度相同。設(shè)內(nèi)、外片玻璃板的厚度分別為t1、t2，彎曲剛度分別為D1、D2，分擔荷載分別為qk1、qk2。根據(jù)彈性力學推導，每片玻璃分擔的荷載按各自彎曲剛度的比例分配，即：

　　 qk1=qkD1/(D1+D2)

　　 qk2=qkD2/(D1+D2)

　　由于玻璃板彎曲剛度D=Egt3/[12×(1-ν2)]，所以分擔荷載按其厚度立方的比例分配，即：

　　 qk1=qkt13/(t13+t23)

　　 qk2=qkt23/(t13+t23)

　　 4.3.2 撓度計算

　　玻璃跨中撓度仍按下式計算：

　　 df=η(μwka4)/D

　　但在計算玻璃剛度D時，應(yīng)采用等效厚度te。

　　推導：偏安全地認為內(nèi)外片玻璃板疊置，并忽略夾膠層的抗彎貢獻，則夾膠玻璃的等效剛度為兩片玻璃彎曲剛度之和，即：D=D1+D2。由于剛度D與其玻璃厚度的立方成正比，所以計算撓度時的等效厚度te按兩片玻璃厚度立方和的立方根取用。

4.4 計算中空玻璃的特別規(guī)定

4.4.1應(yīng)力計算