明框幕墙结构计算.docx
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明框幕墙结构计算.docx
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明框幕墙结构计算
第三部分、主楼明框玻璃幕墙计算
第一章、荷载计算
一、基本参数
最大标高:
91.5m
计算位置:
13~1轴立面明框玻璃幕墙
幕墙分格:
B×H=1.0×1.5m
B:
玻璃宽度
H:
玻璃高度
设计地震烈度:
7度
地面粗糙度类别:
C类
二、荷载计算
1、幕墙自重荷载标准值计算
GAK:
玻璃面板自重面荷载标准值
玻璃面板采用6+12A+6钢化中空(LOW-E)玻璃
GAK=(6+6)×10-3×25.6=0.31KN/m2
GGK:
考虑龙骨和各种零部件等后的玻璃幕墙重力荷载标准值
GGK=0.40KN/m2
2、幕墙自重荷载设计值计算
rG:
永久荷载分项系数,取rG=1.2
GG:
考虑龙骨和各种零部件等后的玻璃幕墙重力荷载设计值
GG=rG·GGK=1.2×0.40=0.48KN/m2
3、幕墙承受的水平地震荷载标准值计算
qEK:
垂直于幕墙平面的水平地震作用标准值
βE:
动力放大系数,可取5.0
αmax:
水平地震影响系数最大值,取0.08
qEK=αmax·βE·GGK=0.08×5.0×0.40=0.16KN/m2
4、幕墙承受的水平地震荷载设计值计算
rE:
地震作用分项系数,取rE=1.3
qE:
作用在幕墙上的水平地震荷载设计值
qE=rE·qEK=1.3×0.16=0.208KN/m2
第二章、玻璃面板校核
本工程选用6+12A+6钢化中空(LOW-E)玻璃,最大玻璃分格a=1000mm,b=1500mm。
一、荷载计算
1、幕墙的风荷载计算
βgz:
阵风系数,1.6167
μZ:
风压高度变化系数,1.6316
W0:
基本风压W0=0.55KN/m2(50年一遇)
μS1:
围护构件面板局部风压体型系数,μS1=-1.2,(依据《建筑结构荷载规范》GB50009-2001(2006版)第7.3.3条)
WK:
作用在幕墙上的风荷载标准值(KN/m2)
WK=βgzμS1μZW0=1.6167×1.2×1.6316×0.55=1.74KN/m2
W:
作用在幕墙上的风荷载设计值(KN/m2)
rW:
风荷载作用效应的分项系数,取1.4
W=rW×WK=1.4×1.74=2.44KN/m2
2、荷载组合
ψW:
风荷载的组合值系数,取ψW=1.0
ψE:
地震作用的组合值系数,取ψE=0.5
风荷载和水平地震作用组合标准值
qK=ψWWK+ψEqEK=1.0×1.74+0.5×0.16=1.82KN/m2
风荷载和水平地震作用组合设计值
q=ψWγWWK+ψEγEqEK=1.0×1.4×1.74+0.5×1.3×0.16=2.54KN/m2
二、外片玻璃面板强度校核
校核依据:
≤fg
按《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003第6.1.5条
1、计算说明
根据《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003第6.1.5条的规定,中空玻璃的内外片玻璃承受的荷载分别为
、
。
因为内外片玻璃承受的荷载不同,所以我们需要分别结算内外片的玻璃强度及挠度。
2、外片玻璃承受的水平风荷载
t1、t2:
中空玻璃外片玻璃的厚度,取t1=t2=6mm
WK1:
外片玻璃承受的水平风荷载标准值
=0.96KN/m2
W1:
外片玻璃承受的水平风荷载设计值
=1.34KN/m2
3、外片玻璃承受的水平地震荷载
t1:
中空玻璃外片玻璃的厚度,取t1=6mm
GAK1:
外片玻璃面板自重面荷载标准值
GAK1=6×10-3×25.6=0.154KN/m2
αmax:
水平地震影响系数最大值,取αmax=0.08
按《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003第5.3.4条
βE:
动力放大系数,取βE=5.0
按《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003第5.3.4条
qEK1:
作用在外片玻璃上的地震荷载标准值计算
qEK1=αmax·βE·GGK1=0.08×5.0×0.154=0.062KN/m2
rE:
地震作用分项系数,取rE=1.3
按《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003第5.4.2条
qE1:
作用在外片玻璃上的地震荷载设计值
qE1=rE·qEK1=1.3×0.062=0.081KN/m2
4、外片玻璃风荷载和水平地震作用组合计算
ψW:
风荷载的组合值系数,取ψW=1.0
按《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003第5.4.3条
ψE:
地震作用的组合值系数,取ψE=0.5
按《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003第5.4.3条
qK1:
外片玻璃风荷载和水平地震作用组合标准值
qK1=ψW·WK1+ψE·qEK1=1.0×0.96+0.5×0.062=0.99KN/m2
q1:
外片玻璃风荷载和水平地震作用组合设计值
q1=ψW·W1+ψE·qE1=1.0×1.34+0.5×0.081=1.38KN/m2
5、外片玻璃的折减系数
θ:
参数
t:
外片玻璃厚度,取t=6mm
=10.6
η:
折减系数,取η=0.9576
由θ=10.6,查《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003表6.1.2-2得
6、外片玻璃强度校核
m:
弯矩系数,取m=0.07792
由
=
=0.67,查《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003表6.1.2-1得
σ:
外片玻璃产生的最大应力
=
=17.2N/mm2<fg=84.0N/mm2
外片玻璃面板强度符合规范要求。
由于内、外片玻璃厚度相同,故内片玻璃也满足强度要求。
三、玻璃面板挠度校核
校核依据:
df=
≤df,lim=
按《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003第6.1.5条
1、计算说明
根据《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003第5.4.4条的规定,玻璃幕墙的玻璃面板的挠度,可不考虑组合效应,所以我们只需验算玻璃面板在风荷载作用下的挠度即可。
2、玻璃刚度计算
t:
中空玻璃的两片玻璃的等效厚度
按《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003第6.1.5条
t=
=
=7.18mm
D:
玻璃刚度
D=
=
=2315348N·mm
3、玻璃的挠度折减系数
θ:
参数
t:
玻璃厚度,取t=7.182mm
=18.6
η:
折减系数,取η=0.9256
由θ=18.6,查《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003表6.1.2-2得
4、玻璃的挠度系数
μ:
挠度系数,取μ=0.00768
由
=
=0.67,查《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003表6.1.3得
5、玻璃挠度校核
df:
玻璃产生的最大挠度
df=
=
=5.34mm
df=5.34mm<df,lim=
=
=16.7mm
玻璃面板挠度符合规范要求。
第三章、幕墙横梁计算
综合考虑横梁所处位置的标高、玻璃的分格,选横梁型材为6063-T5。
横梁简支在立柱上,须对横梁的强度和挠度进行校核。
一、基本参数
横梁最大标高为91.5,饰面材料为玻璃,所受重力GAK=0.31KN/m2,横梁的计算长度取L=1.0m,承受的自重荷载分格高度H=1.5m,承受的三角形荷载高度h1=500mm,梯形荷载高度h2=400mm。
二、荷载计算
1、幕墙的风荷载计算
βgz:
阵风系数,1.6167
μZ:
风压高度变化系数,1.6316
W0:
基本风压W0=0.55KN/m2(50年一遇)
μS1:
围护构件面板局部风压体型系数,μS1=-1.2,(依据《建筑结构荷载规范》GB50009-2001(2006版)第7.3.3条)
WK:
作用在幕墙上的风荷载标准值(KN/m2)
WK=βgzμS1μZW0=1.6167×1.2×1.6316×0.55=1.74KN/m2
W:
作用在幕墙上的风荷载设计值(KN/m2)
rW:
风荷载作用效应的分项系数,取1.4
W=rW×WK=1.4×1.74=2.44KN/m2
2、荷载组合
ψW:
风荷载的组合值系数,取ψW=1.0
ψE:
地震作用的组合值系数,取ψE=0.5
风荷载和水平地震作用组合标准值
qK=ψWWK+ψEqEK=1.0×1.74+0.5×0.16=1.82KN/m2
风荷载和水平地震作用组合设计值
q=ψWγWWK+ψEγEqEK=1.0×1.4×1.74+0.5×1.3×0.16=2.54KN/m2
三、力学模型
横梁与立柱相连,相当于两端简支,水平方向承受梯形、三角形荷载,竖直方向承受集中荷载,简图如下图:
1、在竖直平面内,横梁受到的饰面材料的重力作用,可看作两个集中荷载
pGK=GAK·H·B/2=0.31×1.5×1.0/2=0.23KN
pG=1.2qGK=1.2×0.23=0.28KN
2、在平面外横梁受到的风荷载和水平地震作用:
风荷载标准值:
wK=1.74KN/m2
风荷载和水平地震作用组合设计值:
q=2.54KN/m2
上部承受三角形线荷载:
承受风线荷载标准值:
w1K=wK×h1=1.74×0.5=0.87KN/m
承受线荷载组合设计值:
q1=q×h1=2.54×0.5=1.27KN/m
下部承受梯形线荷载:
承受风线荷载标准值:
w2K=wK×h2=1.74×0.4=0.70KN/m
承受线荷载组合设计值:
q2=q×h2=2.54×0.4=1.02KN/m
3、横梁承受自重产生的最大弯矩、剪力
=PG·a=
=0.07KN·m
=0.28KN
4、横梁承受水平荷载最大弯矩、剪力
上部三角形线荷载作用下:
MY1
=
=0.11KN·m
VY1
=0.32KN
下部梯形线荷载作用下:
MY2
=
=0.1KN·m
VY2
=0.31KN
=
+
=0.11+0.1=0.21KN·m
=
+
=0.32+0.31=0.63KN
四、幕墙横梁截面参数
横梁强度设计值:
85.5N/mm2
铝合金的弹性模量:
E=0.7×105N/mm2
横梁截面积:
A=943mm2
X轴惯性矩:
Ix=432220mm4
X轴抵抗矩:
Wx=10602mm3
Y轴惯性矩:
Iy=781550mm4
Y轴抵抗矩:
Wy=16713mm3
塑性发展系数:
γ=1.05
五、横梁抗弯强度校核
=
=18.3N/mm2<
=85.5N/mm2
六、横梁抗剪强度校核
校核依据:
≤fav
按《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003第6.2.5条
1、竖直方向剪应力
t:
横梁截面垂直于X轴腹板的截面总宽度,取t=3mm
τX:
横梁承受的竖直荷载产生的剪应力
τX=
=
=12.6N/mm2<fav=49.6N/mm2
2、水平方向剪应力
t:
横梁截面垂直于Y轴腹板的截面总宽度,取t=3mm
τY:
横梁承受的水平荷载产生的剪应力
τY1=
=
=16N/mm2<fav=49.6N/mm2
横梁强度满足要求。
七、横梁刚度校核
1、由自重引起的挠度
μx=
=
=0.27mm
2、由风荷载作用引起的挠度
上部三角形荷载作用下:
μy1
=0.07mm
下部梯形荷载作用下:
μy2
=0.13mm
μy=μy1+μy2=0.07+0.13=0.2mm
3、横梁的挠度
μmax/L=0.27/1000=1/3704<1/180
横梁刚度符合设计要求。
第四章、幕墙立柱计算
幕墙立柱材料选用6063-T5铝合金型材,根据建筑结构特点,每根幕墙立柱简支在主体结构上,并处于受拉状态,须对立柱进行强度和挠度校核。
一、基本参数
该处幕墙标高91.5,竖直荷载GGK=0.40KN/m2,玻璃横向计算分格宽度B=0.8m,立柱计算高度H=3.1m。
二、荷载计算
1、幕墙的风荷载计算
βgz:
阵风系数,1.6167
μZ:
风压高度变化系数,1.6316
W0:
基本风压W0=0.55KN/m2(50年一遇)
A:
幕墙立柱的从属面积,A=0.8×3.1=2.48m2
μS1(A):
围护构件的从属面积A小于10m2而大于1m2的局部风压体型系数,μS1(A)=-1.121(依据《建筑结构荷载规范》GB50009-2001(2006版)第7.3.3条)
WK:
作用在幕墙上的风荷载标准值(KN/m2)
WK=βgzμS1μZW0=1.6167×1.121×1.6316×0.55=1.63KN/m2
W:
作用在幕墙上的风荷载设计值(KN/m2)
rW:
风荷载作用效应的分项系数,取1.4
W=rW×WK=1.4×1.63=2.28KN/m2
2、荷载组合
ψW:
风荷载的组合值系数,取ψW=1.0
ψE:
地震作用的组合值系数,取ψE=0.5
风荷载和水平地震作用组合标准值
qK=ψWWK+ψEqEK=1.0×1.63+0.5×0.16=1.71KN/m2
风荷载和水平地震作用组合设计值
q=ψWγWWK+ψEγEqEK=1.0×1.4×1.63+0.5×1.3×0.16=2.39KN/m2
三、力学模型
立柱与主体相接,采用简支梁力学模型,水平方向和竖直方向均承受矩形荷载。
计算简图如下:
1、水平风荷载标准值:
wK=1.63KN/m2
水平荷载组合设计值:
q=2.39KN/m2
2、水平风线荷载标准值:
w线K=wK·B=1.63×0.8=1.30KN/m
水平线荷载组合设计值:
q线=q·B=2.39×0.8=1.91KN/m
3、立柱所受的弯矩
Mmax=
=2.3KN·m
Vmax=
=2.96KN
4、立柱所受的轴力标准值
NK=GGK×B×H
=0.40×0.8×3.1
=0.99KN
立柱所受的轴力设计值
N=1.2×NK=1.2×0.99=1.19KN
四、幕墙立柱参数
铝合金立柱强度设计值:
85.5N/mm2
铝合金弹性模量:
E=0.7×105N/mm2
铝型材截面积:
A0=1196mm2
X轴惯性矩:
Ix=3235860mm4
X轴抵抗矩:
Wx=42064mm3
塑性发展系数:
γ=1.05
五、立柱强度校核
=
=53N/mm2<
=85.5N/mm2
铝合金立柱强度满足要求。
六、立柱刚度校核
校核依据:
立柱承受的最大挠度应不大于H/180。
水平风荷载下引起的挠度u=
6.9mm<H/180=3100/180=17.2mm
立柱挠度满足要求。
由上述计算可知立柱型材符合设计要求。
第五章、幕墙连接件计算
一、横梁与立柱的连接
1、计算模型
横梁与立柱通过铝合金角码用M6螺栓连接,承受垂直于幕墙面的水平荷载和竖直方向上的自重荷载。
横梁的计算长度取L=1.0m,横梁承受的水平荷载按三角形、梯形分布,分格高度h1=0.5m,h2=0.4m;承受的自重荷载按集中荷载分布。
立柱的局部壁厚为3mm。
2、荷载计算
横梁的计算长度:
L=1.0m
由第四章计算可得:
横梁端部承受的垂直荷载
N1=0.28KN
横梁端部承受的水平荷载
N2=0.63KN
横梁端部所承受的剪力合力
N=
=
=0.69KN
3、横梁与立柱相连接螺栓的校核
M6不锈钢螺栓有效直径,取5.062mm
不锈钢螺栓的抗剪应力,取245N/mm2
每个螺栓的抗剪承载力:
=4931N>N=690N
根据构造要求,取2个M6不锈钢螺栓。
4、立柱局部承压能力
=4×6×3×120
=8460N>N=690N
5、铝角码局部承压能力
NCb=2d×t×120=2×6×4×120=8640N>V=690N
横梁与立柱连接满足设计要求。
二、立柱与钢角码连接计算
1、计算模型
计算宽度B=0.8m,高度H=3.1m。
立柱为铝型材,局部承压强度为120N/mm2,局部壁厚
=3mm,钢角码尺寸为125×80×8mm,材料为钢材,局部承压强度为325N/mm2,立柱的固定方式为双系点,即两侧均有钢角码,用2个M12不锈钢螺栓连接。
立柱承受的水平荷载和自重荷载均按矩形分布。
2、荷载计算
立柱承受的自重荷载GG=0.48KN/m2
立柱承受的水平荷载q=2.39KN/m2
垂直荷载
N1=1.19KN
水平荷载
N2=2.96KN
所承受的剪力合力
N=
=
=3.2KN
3、M12螺栓计算
M12螺栓有效直径10.1mm
M12螺栓抗剪应力245N/mm2
每个螺栓的承载力
=39.263KN>3.2KN
根据构造要求,采用2个M12不锈钢螺栓。
4、局部抗压计算
2个M12螺栓,承压面个数n=2×2=4
立柱局部抗压承载力
=n×d×t×ft
=4×12×3×120
=17.3KN>N=3.2KN
钢连接件局部承载力
=n×d×t×ft
=4×12×8×325
=124.8KN>N=3.2KN
立柱与钢连接设计符合要求。
三、钢角码与预埋件连接计算
1、计算模型
分格宽度B=0.8m,高度H=3.1m,钢角码尺寸为125×80×8mm,材料为镀锌角钢,局部承压强度为325N/mm2,幕墙的重力作用点距离支座端部水平距离d1=75mm,每个钢角码采用1个M16螺栓与埋件连接,螺栓到连接件最边缘垂直距离d2=50mm。
模型如下图。
2、荷载计算
垂直荷载
N1=1.19/2=0.6KN
水平荷载
N2=2.96/2=1.48KN
钢角码底部所受弯矩
M=N1×d1=0.6×0.075=0.045KN·m
由弯矩产生的拉拔力
N3=M/d2=0.045/0.05=0.9KN
自重和水平荷载由2个M16摩擦型高强螺栓(8.8级)承受,M16高强螺栓抗剪承载力22.1KN,抗拉承载力48.1KN,有效面积A=157mm2,模型如下图所示:
3、荷载计算
单个M16高强螺栓承受拉力
N=2.38KN
单个M16高强螺栓承受剪力
V=0.6KN
4、螺栓校核
单个M16螺栓所受剪力V=0.6KN<
=22.1KN
单个M16螺栓所受拉力N=2.38KN<
=48.1KN
M16高强螺栓满足设计要求。
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