（固体力学专业论文）高层建筑玻璃幕墙结构分析及其计算机模拟应用.pdf

中南大学硕士学位论文 摘要 本文对建筑幕墙的结构技术进行了深入的研究，旨在克服传统幕墙设计方法 中的缺点与不足，使幕墙设计更合理，并且提高其设计的效率。 本文首先探讨了国内外幕墙结构技术的发展及现状，在分析了各种常用的 幕墙结构技术的基础上，提出了关于作用在幕墙上的风压与风振力的一套计算方 法，相比于当前幕墙所受风压的简化计算，此法更为精确，并且更与实际相符。 并在此基础上，针对幕墙不同的结构形式，引入了两种力学模型，并采用弹性小 挠度弯曲理论，应用重、单三角级数法分析幕墙玻璃板主要在风荷载作用下的受 力状况，为幕墙玻璃板内力的控制提供了数字依据。然后，针对幕墙的两种力学 模型，分别选用了两种幕墙结构算例详细说明了此算法的具体应用。 提出了关于幕墙立柱的连续梁力学计算模型，详细分析了该模型的可行性， 并采用连续梁的三弯矩方程法对问题进行了求解，在推算了三点两跨，四点三跨、 五点四跨，六点五跨连续粱之中点挠度，剪力及支座弯矩( 即附加弯矩) 和最大 弯矩后，确定了幕墙立柱结构设计计算应以四点三跨连续梁的计算公式较妥。相 比于当前幕墙立柱的简支梁力学计算模型，此法更为精确。 最后根据幕墙构件检测的实际经验，对幕墙结构中连接件的计算提出了一些 建议，并给出了具体算例详细说明。 针对本文所述计算方法的复杂性，并充分利用计算机运算快的特点，以 m a t l a b 53 为平台，对于本文复杂的运算全部给出了计算机求解方法，采用人 机交互的方式，使幕墙结构计算的精确性与快捷性达到合理的统。 【关键词l 幕墙弹性小挠度三弯矩方程m 棚，a b 5 3 中南大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h cp r o b l 哪w h i c ha i m sa to v e r c o m i l l gm es h o r t c o m i n g si n 廿a d i t i o n a ld e s i g n m c t h o d 狮di m p m 嘶n gt h ee 伍c i e n c yo f c u n a i l lw a u d c s i g ni sp r e s 锄t c di nm i sp a p e r t h ed e v c l o p m ta n d 觚t l l a l i t yo fc l l 血i nw a l ls 仉l c t u 陀a th 姗ca n da 1 ) m a da r e f i r s t l yd i s c u s s e d a n e r 也e 舭a l y s i so f t h ec o m m o nt b 1 1 i q u ei nc u n a i l lw a l l ，as e to f 1 c u l a t cm c 血0 do nw i n dp r e 站u r e 孤dw i n dl i b 枷o nf o r c ew h i c ha c t so nc l l n a i w a l l i sp i e s e n t e 正c 咖p a r i n g 、析t ht i ec u 玎啪t l yp r e d i g c s 6 n gc a l c u l 爿i eo fw 砌p f e s s u r eo n c u n a i l lw a l l ，也er e s i l l ti i l 也i sp a p e ri sm o r ep 嗽i s i o n 柚dr r i o r cp m c d c a i b 船e d t h e s e ，押om e c h a n i c sm o d e l sw h i c hp 佗f c rt od i 丘宅r c n tc u r t a i nw a l ls 虮l c t l l r ea r e p r e s c n t e d t h ef o r c ec o n d i t i o no f a s sc u n a i nw a n b o a r dl l r i d e rw i n dl o a di s 锄a l y z e d ， t h a ti sb a s e do nt h ec u r v i n gt h e o r yo fs m a l ld e f l e c t i o ne l a s t i c1 a m e l l a 锄dd a u b l e d 、 s i n g l em 锄g l ep r o g r e s s i o nm e t h o d a n dt h e nt w od i 丘b r c n tc u n a i nw a l ls 蜘】c t i i r e e 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cr 印r e s e n t e di n 血i sp a p e r a n dt h e nap r a c t i c a l c a l c u l a t ee x 姗p l ei sg i v c nt oe x p l a i l lt h 瞄es u g g e s t i o n a i n i i l ga tt h e m p l e xc a l c i l l a 石o ni 1 1 血i sp a p e r ，a l l 也ec a l c u l a t i o np r o b l e m s 批 r c s o l v e db yc o m p u t e rp r o g r a m sw h i c ha 咒b 髂c do nm a t l a b 5 3p m g r a m t h e p r o g r a ma d 叩tp e o p i e _ c o m p u t e ra j t e m a t i n gm o d ew h i c h m a l c e si tr e 越o n a b l eu n i o n o fa c c 啉c y 姐ds h o n c u ti nc u n a i l lw a l ld e s i 母1 k e y w o r d s ：c u r t a 访 w a l l ； s m a l ld e n e c t i o ne l 船t i c l 帅e l l a ；t h r c en e x i l l g q u a d r a n 鹏e q m t i ；m a t “蛆5 _ 3p r 0 髀m i i 中南大学硕士学位论文 1 1 建筑幕墙概述 第一章绪论 1 1 1 建筑幕墙发展背景 幕墙己成为现代建筑的象征，它经过了一个多世纪的漫长发展，到本世纪五 十年代初，它的潜在优点，才逐渐被人们所认识，幕墙才被承认。 多少年来，建筑物的外墙都采用垒砖结构，通过窗户来提供光线和通风。随 着社会的发展，人们不断寻求向空间发展的高层建筑，而发现垒砖墙结构要承受 楼层和屋顶等各种负荷，正常情况只能达到十六层左右。随着框架结构的出现， 使建筑业发生了惊人的变化，不仅框架可以预制，成为工厂化生产，加快了旌工 进度，缩短了建设周期，也解决了房屋建筑高度障碍，这就为改变墙的概念，提 供了客观条件。有了框架结构后，墙壁不再是用以承担支撑作用，而几乎只是包 围一个空间的屏蔽幕帘，只要能挡风、遮雨、隔热和采光就妥。采用铝( 钢) 型 材和玻璃及隔热材料来制造就可满足要求，于是就产生了这个新概念一幕墙。 采用铝合金幕墙已是现代建筑的一种象征，世界各地无论是大型建筑还是小 型建筑都己广泛采用。二次大战后，铝合金幕墙才开始迅速发展。可早在1 9 世 纪3 0 年代，幕墙就已经有了其雏形“。1 8 3 0 年，美国一个木工在宾夕法尼 亚州的波特斯维尔城建起了一座银行，在银行的二层正面使用了铸铁板，并刷上 油漆，铺上沙子，就像石头一样，这是开始冲破砖砌结构墙的一次实践。1 8 5 1 年在美国建成的展览馆，占地1 8 亩，仅用4 个月时间就建成了。而在当时建造 一座大小相同的普通建筑物，则需几年的时间。取得这样显著成绩的原因就是 因为采用了金属、玻璃预制件施工方法，即用透明材料封闭空间，使其内部充满 阳光。但这新方法并未得到公认，又经过了近半个世纪以后，美国建筑师沙利文再 次使用金属及玻璃制作墙体，才被人们所认识。1 8 8 5 年美国工程师威廉珍尼， 提出采用钢结构骨架解决高层建筑问题，用它来承受建筑物楼层和屋顶的重量， 同时承受外墙的重量。这样使墙壁仅仅承受其自身的重量。因而，墙壁可尽可能 中南大学硕士学位论文 减薄，而不用重点考虑其影响建筑物的高度问题。用这种方法建造了芝加哥家庭 保险公司大楼。 由于受传统观念的束缚和建筑材料( 如铝、大型玻璃板、弹性密封材料等) 跟不上结构发展的要求，虽然钢架结构早已应用，而墙壁仍然是采用传统的砖作 为墙壁材料，尽管这种砖墙实际上只需一层薄壳。这样又经历了一个漫长的五十 多年，到二十世纪初，玻璃幕墙的潜在优势才逐渐被人们所认识。1917 年玻 璃幕墙才在美国旧金山哈里德大厦首次应用。但由于材料的配套问题和材料昂 贵，又经过了约半个世纪左右，到二次大战后，幕墙的应用才进入高潮。 现代幕墙是新型结构、新型材料和最新科技成果集于一身的建筑金属结构体 系。在国内外均有广泛的使用。例如纽约、东京的大批建筑、芝加哥的西亚斯大 厦、美国的湖峰塔大厦、法兰克福的银行大厦、香港的中环广场、上海的金茂大 厦、锦江大厦、北京的西单国际大厦、天津的世乒赛主场等都采用了大量的玻璃 幕墙。 1 1 2 幕墙的特点 幕墙泛指建筑外部围护结构中，一种以金属和玻璃等为基本材料建造的特殊 结构体系。幕墙最外面是玻璃或金属等板材构件 6 】，它支承在铝合金横梁上，横 梁连接在立柱上，立柱则悬挂在主体结构上，这些连接都允许一定的相对位移， 以减少主体结构在水平作用下位移对幕墙的影响，并允许幕墙各部分因温度变化 而变形，此外，上、下层立柱也通过活动接头连接，可以相对移动适应温度变形 和楼层的轴向压缩变形。 幕墙在现代都市中得到普遍应用，主要得益于其两大特点：一是幕培的诱人 魅力。相对于“秦砖汉瓦”和混凝土墙体来说，玻璃幕墙是人类建筑艺术进步与 升华的标志。它的出现使城市变得妩媚迷人丰富了城市建筑的衰现力。二是玻 璃幕墙相对于混凝土墙体或者砖墙来说，质量要小得多，更符合高层建筑减轻墙 体重量的需要。这是幕墙的两大主要优点。 1 1 3 我国建筑幕墙发展概况 我国幕墙行业起步时间较发达国家晚，但经过二十年的发展，已经逐步演变 中南大学硕上学位论文 成为一个成熟的行业。到目前，我国有上千家从事幕墙设计、建造、安装和配套 产品的生产企业，其中有2 0 0 多家第一批获得了国家颁发的生产许可证，3 0 多 个企业获得了i s 0 9 0 0 l 或1 s 0 9 0 0 2 体系认证。 二十年来，我国建筑幕墙设计制作水平、结构技术、标准及测试技术、饰面 材料等都有较大提高、改进。幕墙产品实现了从金属框格一平板玻璃的单一平 面结构玻璃幕墙( 包括明框、半隐框、隐框玻璃幕墙) 向金属壁板幕墙、石材壁 板幕墙、全玻璃幕墙、复合饰面材料幕墙及采光玻璃屋面等多品种结构体系的过 渡；实现了从铝合金单一金属结构体系向彩色涂层异型钢管材、不锈钢异型管材 等多元金属结构体系的过渡。建筑幕墙品种和性能基本满足了新型高层建筑和特 种公共建筑对维护结构使用功能、建筑物理性能以及建筑外墙装饰效果的需要。 目前，我国已经制定了建筑幕墙工程技术规范( j g 儿0 2 9 6 ) ，这对提高产品质量、 规范产品技术发挥了积极作用。我国已经建立了一批幕墙产品检测检测试验机 构。抗风性能、防水性能、空气渗透性能等基本物理性能已经作为常规试验普遍 推广，同时，幕墙抗震、防火、防热、防雷等主要物理性能测试研究也有了一定 基础。我国还自行开发了幕墙产品计算机辅助设计系统c a d ，而且a u t o c a d 工作站和c a d 图形工作站，远程网络图文输送系统开发应用也取得了一些成果。 我国的部分企业实现了从单件加工的传统工艺向胎膜具成组加工工艺，到c a m 多工位组合刀具加工中心生产线的新型工艺的过渡，标志着部分大型骨干企业的 工艺装备已经接近了国际先进水平。另外，国外8 0 年代开发的k 町a r 5 0 0 特 种耐厚性色氟碳涂料，我冈在9 0 年代便普遍应用，铝塑复合板、铝蜂窝板、单 层铝板采用氟碳涂层之后，给幕墙饰面材料带来深刻变化，使建筑外墙装饰更加 和谐美观。高性能安全玻璃( 树脂膜夹层玻璃、金属网夹丝玻璃、钢化玻璃) 、 光热效应玻璃( 热反射玻璃、低辐射玻璃、中空玻璃) 的广泛应用，提高了幕墙 工程安全性和保温隔热，隔音性能；高清晰度特厚玻璃的应用，大面积全玻璃幕 墙的出现，实现了全景式的景观效果，形成了玻璃幕墙崭新的结构体系，改变了 建筑物传统维护结构概念。 1 2 幕墙结构技术概述 幕墙结构技术包括结构体系和结构理论。 中南大学硕士学位论文 幕墙结构体系必须与建筑物主体结构体系相适应，相依存。高层建筑的主要 体系有：框架简体体系、框架剪力墙体系、筒中简体系，在结构材料体系上主 要有现浇钢筋混凝土体系( r c ) 、钢结构体系。建筑幕墙结构体系以建筑主体结 构为依存，与主体结构的科学技术发展相适应，从二维平面板壳结构体系向三维曲 面板壳结构体系发展，这是目前幕墙结构数学模型演变和发展的主要特征。 幕墙结构理论是将幕墙结构体系悬挂于建筑物主体结构之外，两者之间呈弹 性连接，成为不承受建筑主体荷载的独立体系。根据未来幕墙结构体系的发展趋 势，幕墙的结构理论将以三种数学模型为主：直交肋梁双向平面弹性板壳结构理 论、双向平面弹性板壳结构理论和三维双曲弹性板壳结构理论。这些结构理论是 根据幕墙结构的实际结构特征和力学状态决定的，各种永久荷载和瞬时动荷载及 其效应组合，也是根据结构力学数学模型决定的。结构理论的提高又将促进结构 体系的演变，如幕墙与主体结构全浮式弹性体的形成，幕墙整体弹性及震动、温度、 冲击、位移的补偿能力，幕墙结构实体与理论数学模型差异的控制等，使幕墙结构 的科学性、先进性、实用性和经济性达到合理统一。 1 2 1 幕墙结构技术的回顾与发展 幕墙作为一个极具发展潜力的行业，其自身的缺陷也在制约着它的发展。玻 璃幕墙本身造价高，抗风、抗震性能较弱，能耗较大，设计方法和设计经验有待 于提高和积累，因此，积极开展玻璃幕墙设计方法的分析研究，尤其是对结构技 术的研究，具有重要的理论意义和现实意义。 一国外玻璃幕墙的结构技术： 国外玻璃幕墙的设计方法可总结归纳为如下四种： 1 图表设计法：图表设计法是指根据风压( 或体型系数、风速) 及玻璃面 积，直接由设计图表查出某一类玻璃厚度的设计方法，而这些图表是根据实践经 验和玻璃在侧压作用下的破坏实验综合制定的。 2 最大应力理论设计法：以薄板的小变形理论应力分析( 在均布的，静压 力作用下) 为依据，假定玻璃表面任何一处达到极限拉应力时即达到破坏，依据 这一理论的设计方法称为最大应力理论设计法。目前，此方法已能利用电算快速 运算并经实验论证。 中南大学硕士学位论文 3 断裂理论设计法：1 9 7 2 年，b r o w n 根据静态疲劳和断裂力学理论， 给出了玻璃累积损伤破坏的的计算公式一b i 的w n 积分公式【7 】： c = 【d ( f ) r 出= 常数 ( 1 一1 ) 该理论认为只要c 值( 在加载时程t l 内，外载所产生的强度累积损伤量) 达到与加载方式无关的临界值时，玻璃就破坏，依据该理论的设计方法称为断裂 理论设计法但由于断裂理论设计法的复杂性，其在实际工程中未能得到广泛的 应用。 4 实用公式设计法：在日本不采取建立玻璃容许应力与风压之间的关系式 的方法，而采用风压与玻璃安全厚度之间的实用关系式【7 】，即： p ：掣( f + ；) ( 1 2 ) 以斗 按此式规定的玻璃破损率约为l ，1 0 0 0 。 二国内幕墙的结构技术 而国内对幕墙设计方法的研究起步较晚。1 9 9 6 年才颁布了玻璃幕墙技术 规范，其中规定的玻璃幕墙设计一般原则为：幕培构件在自重、风、地震和温 度变化作用下所产生的应力设计值o ，不应大于材料强度的设计值f ，即o f 同时不产生过大变形和妨碍使用更不能脱落和整片倒塌。在此基础上进行的玻 璃幕墙设计仍旧有值得改进的地方。 常见的平面结构金属玻璃幕墙，是典型的弹性平面板壳结构体系口j 】。由于大 多数幕墙的边长比小于2 ，幕墙平面板壳结构荷载沿两个方向传递给四周铰接支 座，所以又可视为取向平面板壳结构。幕墙的金属结构框架形成平面交叉梁系，可 进一步把幕墙的结构模拟为“直交肋梁双向矩形板壳结构体系”幕墙双向板壳 结构在均布风荷载作用下，平面上任一点均产生位移，呈连续曲面位移。国外进行 精确计算时采用弹性结构力学理论，建立三雏直角坐标的位移、弯矩、剪力、扭 矩的偏微分方程组，根据边界条件。用有限差分法进行求解。即将偏微分方程组以 有限差分式为依据，建立有限单元数学模型，利用cad 系统线性方程组求解。这 种结构数学模型计算精确度高、离散性小，十分接近结构荷载试验数据。 弹性双向板壳结构理论在幕墙结构体系中的应用，以及近年在北美、西欧和 日本发展较快的“三维幕墙结构体系”、“轴对称筒体幕墙结构体系”、“三维双曲 中南大学硕士学位论文 幕墙结构体系”的出现，是现代高层建筑主体结构体系发展的必然结果，也是现代 建筑造型从呆板的“玻璃盒子”向追求建筑形体艺术，追求功能完美，追求建筑与 环境景观和谐统一的必然需要。 1 2 2 幕墙结构技术的研究内容 近1 0 多年来，幕墙系统的技术研究取得了不断的进展，幕墙的结构类型不 断变化，幕墙的材料也日新月异，但是，关于幕墙结构技术理论和计算方法长期 以来一直缺乏深入系统的分析和研究，未形成一套完整的理论体系，部分原因在 于幕墙的新技术、新结构和新材料发展迅速，加之对幕墙的研究方向和研究内容 大多局限于实验室和研究某种单一的新材料在幕墙上使用，致使难以得出结论性 的研究成果。 由于幕墙同时承受多种荷载和作用，所产生的内力十分复杂。目前，在我国， 以概率理论为基础的极限状态设计法已逐渐取代以经验为主的定值表达的允许 应力设计法。幕墙的设计标准是在荷载与作用产生的综合效应下不产生损害，并 且幕墙结构完全处于弹性状态。因此，采用以概率理论为基础的极限状态设计方 法作为幕墙结构的设计理论，同时采用弹性计算方法进行构件的内力计算，这对 提高幕墙的设计水平有着重要的意义。 1 2 3 本文研究的主要内容 为达到研究目标，本文拟进行以下几方面的工作： 1 分析在重力荷载、风荷载、地震作用、温度作用和主体结构位移影响下 建筑幕墙结构的应力及变形状态。 2 对于两种主要的数学模型，着重分析其在风荷载( 包括脉动风) 作用下 幕墙玻璃板的内力及挠度状况。 3 探讨建筑幕墙立柱的计算模型。 4 分析幕墙连接件的处理方法。 5 最大应力理论设计法分析建筑幕墙结构的实际应用价值。 中南大学硕j 。学位论文 第二章建筑幕墙的结构理论 2 1 幕墙的结构理论与计算 2 1 1 幕墙分类与特性 幕墙就其材质、性能和生产方式等划分类别有很多种，但从理论研究与计算 的角度分析，幕墙可分为框格构造体系和嵌板构造体系两大类。框格构造体系是 由垂直构件( 立柱) 和水平构件( 横粱) 以及镶嵌体( 玻璃、金属板或石材等) 组成，目 前通常采用的明框和隐框( 包括半隐框) 幕墙以及全玻幕墙均属于这一类：嵌板构 造体是将板体整块固定在建筑物的主体结构上，这种幕墙具有薄的、连续的外层， 但承受水平荷载和作用效应较差。框格构造体系幕墙受力分析和计算先从嵌入体 入手，将嵌入体视为四边铰接的简支板，按4 5 。角与中线相交受荷分配法将其 承受的荷载和作用效应分配给四边杆件上，再按简支梁计算杆件内力将其传至建 筑物主体结构固定的支座上；嵌板构造体系幕墙的受力分析和计算是将板面受荷 一次传给建筑物主体结构的连接支座上。 2 1 2 幕墙的结构理论 建筑幕墙应按围护结构进行设计和计算。幕墙主要构件应悬挂在主体结构 上，小震下保持弹性，不产生损害。在这种情况下，幕墙也应处于弹性状态。因 此，与幕墙有关的内力计算均采用弹性计算方法进行。 以概率理论为基础的极限状态最大应力法在我国已逐渐取代以经验为主的 定值表达的允许应力设计法。由于幕墙同时承受多种荷载和作用，所产生的内力 十分复杂。幕墙的结构设计标准是在正常荷载和作用产生的效应下不产生损害， 并且幕墙结构完全处于弹性状态中。因此，采用以概率理论为基础的极限状态最 大应力方法作为幕墙结构的设计理论，同时采用弹性计算方法进行构件的内力计 算，这对提高幕墙的结构理论水平有着重要的意义。 中南大学硕士学位论文 2 1 3 幕墙的结构计算 1 承载力计算 承载力表达方式有两种，一种是我国多数建筑设计规范所采用的内力表达 式：一种是用应力的表达方式】。 采用内力表达方式时，内力s 可为弯矩、轴向力、剪力、扭矩及其组合，此 时承载力计算表达式为： s 足 ( 2 一1 ) 式中s 荷载效应的内力设计值； r 一构件截面承载力设计值。 因为建筑幕墙是由多种材料构成的，因此采用应力表达式更为合适： 盯s 厂( 2 2 ) 式中盯一各种作用产生的应力设计值： ，一材料强度设计值。 2 幕墙安全度计算 幕墙结构的安全度k 取决于荷载p 的取值和材料强度f 的比值，即 卜手 在计算幕培结构的安全度时，不允许荷载按某一规范计算，而强度计算又采用 另一规范，这样会产生结构安全度过低的情况。幕墙材料的安全度：玻璃k = 2 5 ： 铝和钢材k = 1 8 。 3 荷载与作用效应的组合计算 幕墙作为建筑的外围护结构，主要承受风荷载、重力荷载、地震作用和温度 作用，在计算幕墙及其构件的强度及刚度时，幕墙承受的荷袭和作用产生的效应 ( 应力、内力和位移) ，应当按结构的设计条件和要求对其进行组合以最不利的 组合作为设计的依据。 幕墙承受的荷载和作用效应按下式进行组合： s = y g s a + 妒r y s r + p ，j f + 伊r ，r 昌 ( 2 - 4 ) 式中：s 荷载和作用效应组合后的设计值： 中南大学硕士学位论文 s o 重力荷载作为永久荷载产生的效应： s w 、s e 、s t _ 分别为风荷载、地震作用和温度作用为可变荷载和作用 产生的效应。按不同的组合情况，三者可分别为第一个、 第二个和第三个可变荷载和作用产生的效应： ，、y ，、y 。各效应的分项系数； 伊，、卿一分别为风荷载、地震作用和温度作用效应的组合系数。 其数值取决于各效应分别作为第一个、第二个和第三个 可变荷载和作用效应 在进行幕墙构件、连接件和锚固件承载力计算时，荷载和作用的分项系数为： 重力荷载：1 2 ；风荷载y ，：1 4 ；地震作用y 。：l3 ：温度作用y r ：1 2 。 在进行幕墙构件的变形、挠度和位移验算时，荷载和作用的分项系数均为 1 0 。 当两个及以上的可变荷载或作用( 风荷载、地震作用和温度作用) 效应参加 组合时，第一个可变荷载或作用效应的组合系数p 可按1 0 采用，第二个可变荷 载或作用效应的组合系数可按p o 6 采用：第三个可变荷载或作用效应的组合系 数妒可按o 2 采用。 作用在幕墙的风力、地震作用和温度变化都是可变的，同时达到最大值的可 能性很小。例如最大风力按3 0 年一遇最大峰值考虑；地震按5 0 0 年一遇的设防 烈度考虑。因此，在进行效应组合时，第一个可变荷载或作用的效应组合值系数 p 按1 0 考虑，其余则分别按0 6 、o 2 考虑。一般情况下风荷载产生的效应最大， 起控制作用。另外，结构的自重是重力荷载，是经常作用的不变荷载，因此也必 须考虑。在所有的组合情况中都必须包括这一项。 4 地震作用的计算 地震对建筑物的破坏作用，主要是由于地震力在土层中传播，引起强烈的地 面运动所造成的，这种地面运动使地基基础发生变形，使上部结构发生振动，当 结构振动超过它的许可限度时，结构就会造成破坏，甚至倒塌。对于幕墙的抗震 设计而言，最重要的是地面运动的水平分量和垂直分量，地震的强弱以震级来表 中南大学硕士学位论文 示，它取决于一次地震中所释放出的能量的大小，地震的烈度则是用以描述某一 地区地面和建筑物遭受一次地震影响的强弱程度。 根据幕墙工程技术规范j g 儿0 2 9 6 吐幕墙的抗震设防3 水准要求为： 当遭受低于本地区基本烈度的多遇地震影响时，幕墙( 包 括框格体系和玻璃) 不损坏，部分接缝宽度增大，但不需修理或加 密封胶修补后仍可恢复原设计性能和要求。 当遭受本地区基本烈度的地震影响时，幕墙框格体系( 包 括与建筑物的连接部分1 允许轻微破坏，镶嵌物有少量损坏，经修 复后即可使用。 当遭受大于本地区基本烈度的预估罕遇地震影响时，幕 墙及其框格体系可有中等以上程度的破坏、玻璃破裂，但幕墙的 骨架( 指立柱和横梁) 不能掉落和倒塌。 地震作用与风荷载一样，会使幕墙产生水平位移，在幕墙结构的设计中，应 充分考虑地震作用对幕墙所造成的有害变形。 ( 1 ) 幕墙平面外水平地震作用计算 幕墙平面外水平地震作用按下式计算： ”掣 ( 2 - 5 ) 式中：目。一作用于幕墙平面外的水平地震作用： g 一一幕墙构件总重； a 一幕墙面积； 口。一水平地震影响系数最大值，6 度抗震设计时取0 0 4 ，7 度抗 震设计时取o 0 8 ，8 度抗震设计时取0 1 6 ； 风动力放大系数，取3 0 。 ( 2 ) 幕墙平面内水平地震作用计算 幕墙平面内水平地震作用按下式计算： b = 卢。a 。g ( 2 6 ) 式中： 只一一作用于幕墙平面内的水平地震作用； 中南人学硕士学位论文 风动力放大系数，取3 o 口一水平地震影响系数最大值； g 一幕墙构件总重。 ( 3 ) 幕培平面内重力产生地震作用计算 幕墙平面内重力产生的地震作用按下式计算： b = 以a g( 2 7 ) 式中：b 一幕墙平面内重力产生的地震作用； 口一地震垂直作用影响系数，取口：；口； 。一一动力放大系数，取3 0 ； g 幕墙构件总重。 5 风荷载的计算 作用在幕墙上的风荷载标准值按下式计算： h l = 卢：，0( 2 _ 8 ) 式中： 一作用在幕墙上的风荷载标准值( k n m 2 ) ： 尼一考虑瞬时风压的阵风风压系数，取为2 2 5 ： ：一风压高度变化系数： 麒一一风荷载体型系数，竖直幕墙外表面可按1 5 取用； 一基本风压( k n m 2 ) 。 风力是随时间变动的荷载，对于这种脉动性变化的外力，可以通过两种方式 之一来考虑： 通过风振系数厦考虑，多用于周期较长、振动效应较大的主体 结构； 通过最大瞬时风压考虑，对于刚度大、周期极短、变形很小的幕 墙构件，采用这种方式较合适。 中南大学硕士学位论文 厦是一个考虑多种因素影响的综合性调整系数，用来考虑变动风力对结 构的不利影响。表达式虽然不同，其目的是大体相同的。 6 温度作用的计算 由于温差，幕墙结构中的各种材料伸缩而产生的应力不能忽视。 盯凡= 占口，丁( 2 9 ) 式中：盯。一幕墙构件中温度效应产生的应力： e 一一材料弹性模量； 口一材料线膨胀系数； 丁一当地气温的年温差值，一般情况下，长江以南地区 取4 0 ，长江以北地区取6 0 。 2 2 幕墙的变形、位移和挠度的控制 2 2 1 风压变形性能 幕墙在与其相垂直的风压作用下保持正常功能，不发生任何损坏的能力称为 风压变形性斛8 9 1 0 】。风压变形性能是幕，墙最重要的性能之一，主要取决于风速 值及相应风压值。幕培是一种薄壁围护结构，在长期的使用中，既要保证功能不 受影响。又要考虑在强阵风作用下不受损坏。对正常功能设计风荷载采用gb j 9 8 7 规定的标准值( m = ：段以高层取1 1k ) 计算，安全设计风荷载采用5 0 年一遇阵风风速相应风压值计算的风荷载标准值( 嵋i = 风以以1 1 w 0 ) 计算。并 且规定，玻璃幕墙在风荷载标准值作用下，其立柱和横梁的相对挠度不应大于 ， 志( ，为立拄的和横粱两支点问的跨度) ，绝对挠度不应大于2 嘶m 2 2 2 平面内变形性能( 位移) 建筑物楼层间在风压和地震的共同作用下产生相对位移，同时使幕墙构件产 生水平方向的强制性位移这种位移与幕墙的总高度、幕墙的层数、地震强度和 风压大小有关。幕墙平面内变形能力要求，按弹性计算的位移控制3 倍考虑【1 1 1 2 】。 中南大学硕士学位论文 幕墙平面内变形，按抗震设计原则( 前文己述) ，主要采用二阶段设计来实现。 第l 阶段设计是强度验算，第2 阶段设计是对地震时容易倒塌的幕墙结构部分进 行弹塑性变形验算。非抗震设计的幕墙， 件应有足够的位移能力，使幕培不破损， 在风力作用下其玻璃不应破碎，且连接 不脱落；抗震设计的幕墙，在常遇地震 作用下玻璃不应产生破损；在设防烈度地震作用下经修理后幕墙仍可使用：在罕 遇地震作用下幕墙骨架不应脱落。 以建筑物层间的相对位移值y 来表示，要求幕墙在该相对位移范围内不受损 坏。幕墙平面方向变形性能( 位移) 为： y ：竽( 2 1 0 )， 一一， 九 式中：为层间位移： h 一为层高。 上述y 计算结果应符合j g j l 0 2 9 6 中的表5 1 a 【2 1 规定。 由于玻璃幕墙构件不能承受过大的位移，只能通过活动连接件来避免主体结 构过大侧移的影响。例如当层高为3 ，5 m ，彳为时，层问最大位移可达 5 0 衄。显然，如果幕墙构件承受这样大的剪切变形，幕墙构件必定会破坏，所 以，幕墙与主体结构之间，必须采用弹性活动连接1 4 15 1 。 2 2 3 构件挠度 幕墙构件的变形( 包括静位移和振动振幅) 过大，会使结构产生附加应力，使 结构和非结构构件产生过大的变形，从而使幕墙破坏【1 6 1 7 ，1 8 】。控制变形是幕墙结 构抗风设计中的一项重要内容，尤其是高层建筑的幕墙，变形将成为抗风设计的 控制因素。框格构造体系幕墙的立柱和横梁的挠度应根据其平面外的支承条件， 按f 畸支粱连续计算，其挠度的控制值应小于l ，l b 0 ( l 为立柱或横粱的长度) ，绝 对挠度小于2 0 m m ；幕墙玻璃跨中的挠度应小于a ，1 0 0 ( a 为玻璃短边边长) ，绝 对挠度小于3 0 m m 。 2 3 幕墙材料的计算原理 幕墙材料的力学性能包括材料的强度设计值、材料的弹性模量和线膨胀系数 中南大学硕l ：学位论文 等。目前，幕墙的主要材料有玻璃、石材面板、金属面板( 主要为铝板) 、铝型材、 彩色钢板型材和结构硅酮胶等。 2 3 1 玻璃的计算 一风荷载作用下的最大应力盯。 玻璃幕墙的玻璃在垂直于玻璃平面的风荷载作用下，其最大应力盯。可按下 式计算： 民：塑霉( 2 - 1 1 ) 式中： 盯，一风荷载作用f 玻璃最大应力( n m m 2 ) ； w 一风荷载设计值( n m m 2 ) ： 口一一玻璃短边边长( m m ) ： 卜玻璃厚度m m ；中空玻璃的厚度取单片外侧玻璃厚度 的1 2 倍；夹层玻璃的厚度取单片玻璃厚度的1 2 5 倍； 矽一弯曲系数，可按边边比由j g 儿0 2 9 6 中的表5 4 1 查出。 二年温度变化产生的挤压温度应力仃，。 在年温度变化影响下，玻璃边缘与边框之间发生挤压时在玻璃中产生的挤压 温度应力盯。可按下式计算： = e p 一半 p 式中： 盯_ 一由于温度变化在玻璃中产生的挤压应力( n m m 2 ) ， 当计算值为负时，挤压应力取为零； c 一一玻璃边缘与边框问的空隙( m m ) ； d 。- 施工误差，可耿为3 m m ； 4 中南大学硕士学位论立 6 一一玻璃的长边尺寸( m m ) ； r 一一一玻璃幕墙年温度变化( ) ： 口一玻璃的线膨胀系数： e 一一玻璃的弹性模量( n m m 2 ) 。 三温差应力仃，2 玻璃中央与边缘温度差产生的温差应力盯，：可按下式计算： q 2 = o 7 4 q 峨：3 4 以一正)( 2 1 3 ) 式中： d ，2 温差应力( n m m 2 ) ； e 一一玻璃的弹性模量( n m m 2 ) ： d 一一一玻璃的线膨胀系数； 一一阴影系数： ：一窗帘系数； 儿一一玻璃面积系数； 。- 嵌缝材料系数： i 、t 一玻璃中央和边缘温度。 2 3 2 横梁和立柱的计算 框格构造体系幕墙的横梁和立柱是幕墙的主要受力构件。 一横梁计算 幕墙横梁截面承载力按下式要求： 筹+ 老s 正 陆 矿， 式中： 肘，横梁绕x 轴( 平面内方向) 的弯矩设计值( n 。m m ) ； m 。一一横梁绕y 轴( 垂直r 幕墙平面方向) 的弯矩设计值( n m m ) ； e 一横梁截面绕x 轴的截面抵抗矩( m m 3 ) ； 中南大学硕十学位论文 矿横梁截面绕y 轴的截面抵抗矩( m m 3 ) ，塑性发展系数，取1 0 5 ； 正铝型材或彩色钢板型材受拉强度设计值( n m m 2 ) 。 二立柱计算 ( 1 ) 偏心受拉的幕墙立柱截面承载力应符合下式要求： 学+ 兰正 ( 2 1 5 ) 爿。 式中： n 一立柱拉力设计值( n ) ； m 一立柱弯矩设计值( n m m ) ； a 0 - _ 立柱的净截面面积( m m 2 ) ； w 一在弯矩作用方向的净截面抵抗矩( m m 3 ) ； ，一塑性发展系数，可取为1 0 5 无一铝型材或彩色钢板型材受拉强度设计值( n m m 2 ) 。 ( 2 ) 偏心受压的幕墙立柱截而承载力应符合下式要求： 者+ 芳 弘 妒l o 式中： 妒。一轴心受压构件的稳定系数，可通过试验确定。 其他符号同上。 2 3 3 结构硅酮胶的强度计算 框格构造体系的隐框和半隐框幕墙在玻璃与铝合金框之间采用与接触材料 相容的结构硅酮胶粘结，其粘结宽度和厚度应由计算确定，宽度应不小于7 m m ， 厚度不小于6 m m ，但不得大于1 2 m m 。 一硅酮胶粘接宽度计算 在风荷载作用下，结构硅酮胶粘结宽度应符合下式要求： c ，：黑 ( 2 - 1 7 ) 3 2 0 0 0 f 中南大学硕卜学位论文 式中： c ，结构硅酮胶粘结宽度( m m ) 风荷载标准值( k n m 2 ) ； 口一玻璃短边边长( m m ) ： ，一胶的短期强度允许值，取0 1 4 n mm 2 结构硅酮胶还应考虑玻璃的自重、玻璃的类型( 单层玻璃、 玻璃) 以及硅酮胶所承受的短期荷载等因素。 二硅酮胶的粘结厚度计算 结构硅酮胶的粘结厚度应符合下式要求： p 南 式中： f ；一- 结构硅酮胶的粘结厚度( m m ) ： j 一一结构硅酮胶的变位承受能力( ) ； 以一幕墙的相对位移量( m m ) 。 中空玻璃和夹胶 ( 2 1 8 ) 中南大学硕士学位论文 第三章风荷载作用下幕墙结构中的玻璃研究 3 1 幕墙玻璃上的风压与风阵力的研究 风是空气大范围的流动所形成的，对于气流场中的建筑物在迎风面，由于 气流受阻拥塞，形成高压气幕，使建筑物受到一定的压力：在背风面，气流将形 成一定的旋涡，对建筑物产生吸力”删。沿建筑物的表面压力和吸力的分布并不 是均匀的，而随着建筑物的体形、面积、高度以及风速、风向、风的紊乱结构变 化而不断的改变。 高层建筑在结构设计上的显著特点之一，就是侧向荷载在结构中起着决定性 的作用。除了地震作用外，主要的侧向荷载就是风荷载。对于高层建筑玻璃幕墙 结构来说，风荷载是最主要的直接荷载，也是种最主要的破坏荷载。特别是由 于较大的局部风压对玻璃幕墙造成的破坏有时是致命的。 计算风荷载对玻璃幕培结构的作用与计算风荷载对一般结构物上的作用一 样，可按照风的性质来进行，通常分为顺向风和横向风【2 1 0 2 1 。顺向风分为平均风 和阵风。平均风又称稳定风，它对结构的作用相当于静力，可按静力方法进行风 力计算。阵风又称脉动风或阵风脉动，它对结构的作用是一种随机荷载，应该用 概率统计法则及随机振动理论来分析。横向风是指在横向方向，气流经过建筑物 时产生旋涡，并以一个相当明确的频率作周期性脱落。随着雷诺数的增大，这种 周期性脱落变成随机、无规则的状况。当雷诺数增大到3 5 1 0 6 以上时，涡道又 重新建立，振动变成有规则性的。因而对于横向风，根据所处范围的不同，既有 周期性振动，也有随机性振动。反映在荷载上，它可能是周期性荷载，也可能 是随机性荷载依据雷诺数大小而定。 风对于幕墙玻璃的作用，可按照三种不同的方法进行考虑： 1 于顺风向的平均风，采取静力计算方法： 2 于顺风向的脉动风或横向的脉动风，则应按随机振动理论计算； 3 于横风向的周期性风力或引起扭转振动的外扭矩。通常作为确定性荷载， 对结构进行动力计算。 目前，玻璃幕墙结构风压值的确定大都为简化计算，只考虑静力作用，将风 lr 中南大学硕十学位论文 压值作为均布荷载来处理，对于时间的因素和局部风压不均匀的因素，用经验的 方法将其折合成强度系数，仍用静力的方法考虑随机风荷载的影响，具有很大的 近似性。 在第二章中提到，对于一般建筑物，风荷载的计算公式为： w 女= ：，h 七 ( 3 1 ) 式中： 一一风荷载标准值( 1 洲m 2 ) ； ：一z 高度处的风振系数，按照建筑物基本自振周期确定的 风压脉动影响； 段一风压高度变化系数，由地面卡h 糙度和离地面高度米确 定； 以一风荷载体型系数，依据建筑物的体形和作用表面的位置 而定； 一一所在地的基本风压( k n m 2 ) 。 而脉动风是种随机荷载，又是风力中的动力成分，它对结构的作用，将使 结构产生随机振动。对于随机荷载下结构的随机振动现象，无法预测它在任何时 刻的确定反应或确定值，也就不可能用时间函数来完全地描述它。但它可以从统 计的观点来考虑，取值于某个范围内的概率。也就是说，随机振动可以用概率论 的法则来描述它。不超过规定值的概率越高，建筑物就越安全。这个概率定量地 评价了结构的安全度。 3 1 1 作用在幕墙上的风振力表达式推演 对于一维连续结构，在风载脉动分量作用下的振动方程为： 荆睾+ c ( z ) 詈+ 导 毗) 窘 - 小，f ) ( ，2 ) 式中，y ( z ，t ) 是以高度z 和时间t 为参数变量的结构位移函数：m ( z ) 、 c ( z ) 、i ( z ) 分别为高度z 处结构单位长度上的质量、阻尼系数和水平截面惯 性矩。p f ( z ，t ) 为作用于结构下的阵风压，是高度z 和时间t 的函数，它可以 中南人学硕士学位论文 分禺为曲工贞各舍一个参变量的函数乘积： p ，( z ，) = 乃( z ) 厂o ) ( 3 3 ) p ，( z ) 是脉动风压的最大值，可通过风压脉动系数，( z ) 与静风压p ( z ) 的乘积 来表示： p ，0 ) = ，g ) p g ) ( 3 4 ) 若时问函数_ 厂( f ) 为均值等于零标准差等于l 的标准化平稳阵风过程，式 改写为： 吨) 睾十c ( 力等+ 箬 啡) 窘 - 乃( z 肌) ( 3 _ s ) 根据振型分解原理，动荷载下结构的作用效应，等于结构各振型作用效应的 组合。将阵风引起的结构位移y 0 ，r ) 按振型展开，利用振型的正交性，式( 3 5 ) 即 可转化为n 个独立的广义坐标方程。求解这些方程，即可得各振型位移。 若结构第