（工程力学专业论文）幕墙玻璃板的加权残值法分析.pdf

浙江人学硕士论文( 2 0 0 3 ) 摘要 本论文主要包括三部分内容：第一部分为幕墙玻璃的常规设计； 第二部分为薄板大挠度理论和加权残值法理论基础：第三部分为幕墙 玻璃板加权残值法分析计算。 第一部分系统阐述了幕墙玻璃的常规设计方法。内容包含玻璃幕 墙材料的力学性能、玻璃幕墙的荷载计算、玻璃抗风压结构设计、玻 璃抗风压挠度设计和玻璃强度计算等。 第二部分引用了加权残值法理论基础和基于大位移弹性变形最 小位移原理及薄板大挠度问题变分原理的薄板大挠度理论基础等作 为本课题的基础理论。 第三部分运用加权残值法进行分析计算。从几何非线性大挠度理 论出发，建立控制方程，选择试函数，确定边界条件，应用加权残值 法分析计算幕墙玻璃在风荷载和复杂荷载作用下的应力和挠度。 幕墙玻璃一般承受自重、直接作用于表面的风荷载、地震作用和温度作 用等荷载的组合作用，其中风荷载是主要荷载。 算例分析表明，建立在线弹性理论之上的幕墙玻璃常规设计，虽然简单， 但过于保守：而从常规设计的计算结果看，幕墙玻璃的最大挠度通常要超 过玻璃板厚度，因此，采用非线性弹性理论分析才是合理的。 本文分别对风荷载和复杂荷载作用下常用尺寸的幕墙玻璃板进 行了分析计算。风荷载作用下的幕墙玻璃的分析采用解析的加权残值 法，复杂荷载作用下幕墙玻璃的分析采用加权残值法的数值解法。计 算结果表明，运用非线性理论求得的最大应力比常规设计要小 15 2 0 。 浙江大学硕十论文( 2 0 0 3 ) a b s t r a c t t h i sp a p e rc o n s i s t so ft h r e ep a r t s ：t h ec u r r e n td e s i g no ft h ec u r t a i n w a l l g l a s s ，t h eb a s i ct h e o r yo f t h el a r g e d e f l e c t i o no ft h i np e n a la n dt h em e t h o do f w e i g h t e dr e s i d u a l s ，a n d t h e a n a l y s i s o ft h ec u r t a i n w a l l g l a s sb a s e d o nt h e t h e o r yo fw e i g h t e dr e s i d u a l s t h ef i r s tp a r tc o n t a i n sm e c h a n i c a l b e h a v i o ro fg l a s sc u r t a i n w a l lm a t e d a l s ， l o a dc a l c u l a t i o no fc u r t a i n w a l lg l a s sa n ds t r u c t u r a ld e s i g n t h en o r m a lm e t h o d o fc u r t a i n w a l lg l a s sd e s i g ni ss y s t e m a t i c a l l ye l a b o r a t e d i nt h es e c o n dp a r tt h eb a s i ct h e o r i e s ，m e t h o do fw e i g h t e dr e s i d u a l sa n d t h e o r yo ft h el a r g e - d e f l e c t i o no ft h i np e n a lb a s e do nt h ep r i n c i p l eo f m i n i m a l d i s p l a c e m e n t o fl a r g ee l a s t i cd e f o r m a t i o na n dt h ev a r i a t i o n a l p r i n c i p l e o f l a r g e d e f l e c t i o n ，a r 、ei n t r o d u c e d i nt h es u b j e c tt os o l v et h e p r o b l e m i nt h et h i r d p a r ta n a l y s i sa n dc a l c u l a t i o na c c o r d i n gt o t h em e t h o do f w e i g h t e d r e s i d u a l si s p r e s e n t e d ，f r o me s t a b l i s h i n g c o n t r o l e q u a t i o n s a n d b o u n d a r yc o n d i t i o n s ，s e l e c t i n g t r i a l f u n c t i o n ，t oc a l c u l a t i n g t h es t r e s sa n d d e f l e c t i o nl o a d e db y w i n d - p r e s s u r e o rc o m p l e xf o r c e s g e n e r a l l yt h ec u r t a i n - w a l lg l a s si s l o a d e dc o m p l e x l y t h el o a d si n c l u d e w i n d p r e s s u r e ( t h e m a i n l o a d ) ，g r a v i t a t i o n a l f o r c e ，s e i s m i c f o r c ea n d t e m p e r a t u r e e f f e c t ，e t c al i n e a r t h e o r y i su s e di nt h ec u r r e n t d e s i g n o fa g l a s sp a n e l o f c u r t a i n w a l l h o w e v e rt h a ti s v e r ys i m p l e ，b u ti t i st o oc o n s e r v a t i v e al o to f e x a m p l e ss h o wt h a tt h ed e f l e c t i o no f ag l a s sp a n e lb a s e do nal i n e a rm e t h o di s a l w a y sm o r e t h a nt h et h i c k n e s so fg l a s ss ot h a tan o n l i n e a ra n a l y s i si s r e a s o n a b l e t h i sp a p e rd e a l sw i t ht h es t r e s sa n dt h ed e f l e c t i o no fac u r t a i n w a l lg l a s s c a u s e db yw i n dp r e s s u r ea n dc o m p l e xl o a d sb a s e do nan o n l i n e a rt h e o r y t h e a p p r o a c ha p p l i e d i nt h ep a p e ri st h em e t h o do fw e i g h t e dr e s i d u a l s i nt h e c o n d i t i o nw h e nag l a s sp e n a ll o a d e db yw i n d p r e s s u r et h ea n a l y t i c a lm e t h o do f w e i g h t e dr e s i d u a l si sp r e s e n t e d ，w h i l eb yc o m p l e xf o r c e sn u m e r i c a lo n e t h e c a l c u l a t ed a t as h o wt h a tt h em a x i m u mn o r m a ls t r e s s g i v e nb yt h en o n l i n e a r m e t h o di s15 - 2 0 l e s st h a r tt h a tb yl i n e a ro d e 4 浙江大学预i 一论文( 2 0 0 3 ) 0绪论 随着全球经济和科技的快速发展，高层建筑也迅猛发展。从某种 意义上讲，高层建筑的发展程度反映出一个国家的经济发达程度。我 国自改革开放以来，高层建筑发展很快。 幕墙是建筑物外围护墙的一种形式。幕墙一般不承重，形似挂幕， 又称悬挂墙。幕墙的特点是装饰效果好、质量轻、安装速度快，是外 墙轻型化、装配化较理想的型式，因此在现代大型和高层建筑上得到 广泛应用。常见的幕墙有玻璃幕墙、金属板幕墙、石材板幕墙和轻型 钢筋混凝土墙板幕墙、塑料板幕墙等类型。 幕墙早在一百年前已在建筑工程上使用，只是由于受当时材质和 加工工艺的局限，达不到幕墙对水密性、气密性及抵抗外界各种物理 因素侵袭( 风力、撞击、温度收缩、热辐射、结露等) 以及隔音、吸 声、放火等的要求，因而一直得不到很好的发展、推广及应用。自二 十世纪5 0 年代以来，由于先进材料及加工工艺的迅速发展，各种类 型的材料研制成功，以及各种密封胶的发明、其他隔音放火填充料的 出现等等，很好地解决了幕墙要求的各项指标，从而得以飞速发展， 成为当代建筑的新潮流。 玻璃幕墙作为高层建筑主体结构外侧围护结构的，不仅增添了建 筑物的美观，减轻建筑物的自身重量( 相对其它幕墙而言) ，还缩短 建设工期，提高经济效益，因此玻璃幕墙已成为高层建筑中最常用的 幕墙。 玻璃幕墙中玻璃板的结构设计，主要发达国家( 如美国、日本、 澳大利亚等) 都有设计规范，而各国规范中设计理论又各不相同，有 按用线性板理论设计，有的采用非线性板理论与统计数据相结合的经 浙江人学硕士论文( 2 0 0 3 ) 验公式设计。我国的设计规范是按照这些国家的设计规范而制订的。 根据这些规范设计的幕墙玻璃总是偏于安全，过于保守。 由于玻璃幕墙面板玻璃一般厚度为5 2 5 m m ，所承受的外荷载主 要是垂直于板面的弯曲荷载( 风荷载、地震作用力等) ，所产生的最大 挠度多与厚度同量级，甚至超过厚度，因此用弹性薄板大挠度理论进 行幕墙玻璃的力学分析是合理的。 近几年，国内外一些学者也指出，幕墙玻璃在风压作用下常处于 非线性变形状态，对其进行非线性分析才符合实际。但到目前为止， 还没有一个非线性分析计算方法得到有关专家公认。本课题研究的目 的就是探讨幕墙玻璃的非线性问题。 本文将幕墙玻璃板视作几何非线性问题进行分析计算。建立弹性 薄板大挠度理论控制方程，简化幕墙玻璃板实际支承，确定其边界条 件，运用加权残值法计算并与常规设计结果进行比较。 本论文主要包括三部分内容：第一部分为幕墙玻璃的常规设计； 第二部分为薄板大挠度理论和加权残值法理论基础；第三部分为幕墙 玻璃板加权残值法分析计算。 第一部分系统阐述了幕墙玻璃的常规设计方法。内容包含玻璃幕 墙材料的力学性能、玻璃幕墙的荷载计算、玻璃抗风压结构设计、玻 璃抗风压挠度设计和玻璃强度计算等。 第二部分引用了加权残值法理论基础和基于大位移弹性变形最 小位移原理及薄板大挠度问题变分原理的薄板大挠度理论基础等作 为本课题的基础理论。 第三部分运用加权残值法进行分析计算。从几何非线性大挠度理 论出发，建立控制方程，选择试函数，确定边界条件，应用加权残值 法分析计算幕墙玻璃在风荷载和复杂荷载作用下的应力和挠度：并与 常规设计计算结果进行了比较。 6 浙江人学硕l 论文( 2 0 0 3 ) 1玻璃幕墙概述 玻璃幕墙起源于二十世纪3 0 年代末，5 0 年代起得以广泛应用。我国的 玻璃幕墙起步较晚，7 0 年代建造的上海体育馆，首先采用了天蓝色的玻璃 幕墙，8 0 年代是我国玻璃幕墙的大发展时期，自那时起，几乎所有的高层 建筑及装修标准较高的建筑都局部或大部分采用玻璃幕墙。 玻璃幕墙除了具有幕墙的一般特点外，还具有采光性好、外观漂 亮、耐久性好、容易组装维修等特点，尤其是玻璃幕墙的反射功能， 能将建筑物周围的景象不同程度地映射到幕墙上，形成一道独特的风 景，再加上玻璃组合的多样性，使建筑物极具现代感。有的实业家认 为，玻璃幕墙新颖动人、洁净挺拔的外表，本身即是一个成功的广告； 更有甚者，认为玻璃幕墙是雄厚经济实力的象征。 玻璃幕墙相对其他墙体来说质量轻。相同面积的情况下，玻璃幕 墙的质量约为砖墙粉刷的1 1 0 1 1 2 ，是干挂大理石、花岗石幕墙质 量的1 15 ，是混凝土挂板的1 5 1 7 。因此使用玻璃幕墙能大大减轻 建筑物重量，显著减少地震对建筑的影响。 玻璃幕墙的造价较高，约占土建总造价的3 0 3 5 ，有的甚至 高达5 0 以上。 1 1 玻璃幕墙构造及类型。” 玻璃幕墙一般由结构框架、连接固定件、嵌缝密封材料、填衬材 料和幕墙玻璃组成。目前，工程中采用钧玻璃幕墙有：铝合金玻璃幕 墙、点线式玻璃幕墙和全玻璃幕墙。其中，铝合金玻璃幕墙应用最广， 尤其在高层建筑中。 铝合金玻璃幕墙按其组合形式和构造方式的不同，而做成框架外 露系列、框架隐藏系列；按施工方式的不同，又分为现场组合的分件 浙江大学硕士论文( 2 0 0 3 ) 式玻璃幕墙和工厂预制后再到现场安装的板块式玻璃幕墙两种。 点线式玻璃幕墙将结构框架做成网架或竖框，在网架的节点上或 在竖框上安装驳接爪，玻璃通过驳接头固定在驳接爪上。这种幕墙通 透性好、玻璃固定可靠，并且框架美观，正越来越被广泛采用。不足 之处是须在玻璃上加工孔，要采取措施减小或消除应力集中。 全玻璃幕墙是指幕墙的支撑框架与幕墙的平面材料均为玻璃，系 无框架玻璃幕墙体系。全玻璃幕墙一般使用在高层建筑的底层开调部 位，如商店的橱窗和大厅的分隔。全玻璃幕墙根据安装构造方式不同， 分为座地式和吊挂式两种幕墙。当玻璃高度大于5 m 时，需采用吊挂 式安装。 1 2玻璃幕墙材料的力学性能“” 玻璃幕墙的材料，概括起来有四大类型：玻璃板材、骨架材料、 结构粘结材料、密封填缝材料。 玻璃是最具代表性的脆性材料，一直到破坏为止，玻璃的应力应 变都几乎是线性关系，其弹性模量约为7 2 1 0 3n m m 2 ，但其破坏强 度有非常大的离散性。如图1 1 所示，同一批，同尺寸玻璃受弯试件 测得的弯曲抗拉强度，其范围为7 0 1 6 0 n m m 2 ，十分离散。而且， 强度与尺寸、试验方法、玻璃的热处理和化学处理方式、测试条件( 加 载速度、持续时间、周围环境等) 都有关系。 试件数 3 0 2 5 2 0 1 5 1 0 0 6 08 01 0 0 12 0 1 4 0 1 6 0 强度( n r a m 2 ) ( a ) 强度分布 图1 1 强度( n r a m 2 ) 1 3 0 1 2 0 1 1 0 1 0 0 9 0 046 81 0 试件宽度( m m 2 ) ( b ) 强度与尺寸关系 玻璃强度特性 浙江大学硕上论文( 2 0 0 3 ) 玻璃强度如此离散的原因在于玻璃表面存在无数肉眼看不见的 微小裂纹，在拉应力作用下微裂纹产生应力集中，使裂纹尖端处的应 力远远超过平均应力，当达到并超过临界应力时，引起裂纹迅速扩散， 最终导致玻璃破损。 为了安全使用玻璃，必须充分考虑玻璃强度的离散性。通常是将 几百片玻璃的破坏试验结果进行统计处理，求出平均值和标准偏差， 再来推断玻璃的强度。表1 1 ”给出了设计是安全系数与失效概率关 系。 当设计使用几百片玻璃的大型楼房时，一般应考虑取失效概率 0 1 ，安全系数2 5 0 ；当在小型建筑上使用几十片玻璃时，取失效概 率1 ，安全系数2 ，0 是合适的。而我国标准“中规定安全系数取值 为2 5 0 。 玻璃的强度设计值可由生产厂家根据试验资料提供给设计人员， 以作为幕墙玻璃的设计依据。在缺乏足够的试验数据的情况下，可按 表1 2 采用。 安全系数与失效概率的关系表1 1 f 安全系数 1 01 5 2 02 5 3 03 5 i 失效概率 5 0 9 1 o 1 o 0 1 0 0 0 3 玻璃的强度设计值( n m m 2 )表1 2 强度设计值( 安全系数为2 5 ) 类型厚度( m m ) 大面上的强度边缘强度 普通玻璃 52 8 01 9 5 5 1 22 8 o i 9 5 浮法玻璃 1 5 1 92 0 o 1 4 0 5 1 28 4 05 8 8 钢化玻璃 1 5 1 95 9 0 4 1 3 夹丝玻璃 6 l o2 1 0 1 4 7 浙江大学硕士论文( 2 0 0 3 ) 用于玻璃幕墙的玻璃材料的品种主要采用热反射浮法镀膜玻璃 ( 镜面玻璃) ，其他还有中空玻璃、钢化玻璃、夹层玻璃、吸热玻璃 等。 骨架材料最常用的是铝台金，其弹性模量为6 9 6 1 0 3 n m m 2 ，强 度标准值为条件屈服极限，按g b t 5 2 3 7 9 3 规定使用，强度设计值可 按表1 3 使用。 结构粘结材料采用中性硅酮密封胶，其粘结强度不小于0 7 n m m 2 ，延伸率不小于1 0 0 。 密封填缝材料采用橡胶制品，如氯丁橡胶、三元乙丙橡胶等，具 有耐水、耐溶剂和耐大气老化性，还具有低温弹性、低透气率等特点。 铝合金建筑型材强度设计值( n m m 2 )表1 3 金属牌号状态抗拉、抗压强度抗剪强度 c z9 75 6 l d 3 0 c s2 2 01 2 8 - c z9 75 6 l d 3 l c s1 5 99 2 注：l d 一锻铝台金：c z 一淬火( 自然时效) ；c s 一淬火( 人工时效) 1 3 幕墙玻璃荷载计算 玻璃幕墙是建筑物的外围护构件，主要承受自重、直接作用于表 面的风荷载、地震作用和温度作用。其支撑构件须有一定变形能力以 适应主体结构的位移；当主体结构在外力作用下产生位移时，不应使 幕墙产生过大内力。 对于竖直的玻璃幕墙，风荷载是主要的作用，其数值可达2 0 5 0 k n m 2 ，使玻璃产生很大的弯曲应力，而建筑幕墙自重较轻，即使 按最大地震作用系数考虑，也不过是0 1 o3 k n m 2 ，远小于风力， 因此，对幕墙构件本身而言，抗风压是最主要的考虑因素。 浙江大学硕1 ：论文( 2 0 0 3 ) 但是，地震是动力作用，对连接节点会产生较大的影响，使连接 发生震害甚至使建筑幕墙脱落、倒塌，所以，除计算地震作用力外， 构造上还必须予以加强。 1 3 1 荷载类型 作用于垂直玻璃幕墙上的荷载有重力荷载、风荷载、地震作用和 温度作用。其中，重力荷载是经常作用的不变荷载( 夹丝玻璃为 2 6 5 k n m 3 ，普通玻璃、夹层玻璃、半钢化玻璃和钢化玻璃为2 5 6 k n m 3 ) ，因此必须考虑；其余三项为可变荷载，一般情况下风荷载产 生的效应最大，起控制作用，三项可变值是否同时考虑，要根据设计 条件和要求决定。 1 3 2 风荷载计算m 1 一基本风压 我国基本风压是根据当地气象台历年的气象资料，按3 0 年一遇 的最大l o m i n 平均风压值( 1 0 m 高度上) 来确定的。 高层建筑及超高层建筑的风荷载是主要荷载，取值应适当加大， 以提高设计的安全度。一般应按5 0 年一遇甚至l o o 年一遇的风压值 进行设计，其基本风压与3 0 年一遇的基本风压有如下关系 9 5 0 = 1 1 9 3 0 q jo o = 1 2 q 3 0 二 阵风系数( 风振系数) 作用在建筑物表面的风力是随时间变动的荷载，具有阵风性质， 对于这种脉动性变化的外力，通常按以下方法引入阵风系数( 即风振 系数) 。 根据风速与风压的换算关系： q = ( 1 6 0 0 ) v 2 式中， g 一风压，k p a ： 浙江大学硕十论文( 2 0 0 3 ) v 一一j 丘l 速，m s ； 参照i s o d p 4 3 5 4 标准，3 s 阵风风速为1 0 m i n 平均风速的1 5 倍，则 3 s 阵风风压为1 0 r a i n 平均风压的2 | 2 5 倍，即风振系数卢：为2 2 5 。 三最小风荷载 国际上建筑标准中建筑玻璃的最小风荷载取值多在o 5 - 1 0 k p a 之间，其中澳大利亚标准a s l 2 8 8 规定为o 5 k p a ，英国标准b s 6 2 6 2 规定为o 6 k p a ，日本标准规定为1 0 k p a ，我国规定最小风荷载标准值 取o 7 5k p a ，它表明：当玻璃受到的风荷载小于0 7 5k p a 时，为安全 起见也应按0 7 5k p a 进行计算，以避免设计过薄的玻璃而引起的伤害 事故。 四作用在建筑玻璃上的风荷载计算“3 川 作用在建筑玻璃上的风荷载标准值按下式计算： 吼= 晟f 。掣：q 。 ( 1 一1 ) 式中， g 。一一作用在建筑玻璃上的风荷载标准值( k p a ) ； g 厂一基本风压( k p a ) ，表1 5 ； 冉一一风振系数，常取2 2 5 ； t ：一一风压高度变化系数，表1 4 ； ；一一风荷载体型系数，根据建筑结构荷载规范( g b j 9 8 7 ) ， 高层建筑垂直墙面可取1 5 。 按上式计算的风荷载标准值如果小于0 7 5 k p a ，按o 7 5 k p a 采用； 高层建筑玻璃风荷载标准按计算值加大l o ；特别重要的高层建筑玻 璃风荷载标准按计算值加大2 0 。 浙江大学硕士论文( 2 0 0 3 ) 风压高度系数表1 4 离地面( 或海面) 地 貌类别 高度( 米) abc 51 170 3 0o 5 4 1 01 3 8 1 o oo 7 1 1 51 5 2l ，1 40 8 4 2 01 6 31 2 50 9 4 3 01 8 01 4 21 1 1 4 0l ，9 21 5 61 2 4 5 02 0 31 6 71 3 6 6 02 1 2i 7 71 4 6 7 02 2 01 8 6 1 5 5 8 02 2 71 9 51 6 4 9 02 3 42 0 21 7 2 1 0 02 4 02 0 9i 7 9 1 5 02 6 42 3 82 1 l 2 0 02 8 32 6 12 3 6 2 5 02 9 9 2 8 02 5 8 3 0 03 1 22 9 72 7 8 3 5 03 1 2 3 1 22 9 6 4 0 0 3 1 2 3 1 23 1 2 注：a 类地貌指近海海面、小岛及大沙漠； b 类地貌指田野、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的中小城市、大城市郊区 和空旷地区： c 类地貌指平均建筑高度为1 5 米以上或有密集建筑群火城市市区。 浙江大学硕1 。论文( 2 0 0 3 ) 全国主要城市基本风压( k n m 2 )表1 5 地点基本风压地点基本风压地点基本风压 哈尔滨 0 4 5 西7 j 2 0 3 5 长沙 0 3 5 沈阳0 5 0兰州0 3 0福州0 6 0 北京 o 3 5 西安0 3 5广州0 4 5 天津o 4 0郑州0 4 0深圳0 7 6 石家庄 o 3 0 南京0 3 5海口0 7 0 呼和浩特 05 0上 海 0 5 5 贵阳 o 3 0 太原 03 0 杭州 o 4 0成 都 o 2 5 济南 o 3 5 武汉o 3 0拉萨0 3 5 银j 1 1 0 6 5 南昌0 4 0乌鲁木齐 0 6 0 1 3 3 地震作用6 1 一抗震性要求 在常遇地震作用下( 比设防烈度低1 5 度，大约5 0 年一遇) ，幕 墙不能破坏，应保证完好； 在中震作用下( 相当于设防烈度，大约2 0 0 年一遇) ，幕墙不应 有严重破损，一般只允许部分玻璃破碎，经修理后仍然可以使用； 在罕遇地震作用下( 相当于比设防烈度高1 5 度，大约15 0 0 2 0 0 0 年一遇) ，必然会严重破坏，玻璃破碎，但骨架不应脱落、倒塌。 二地震作用计算 垂直于玻璃幕墙平面的分布水平地震作用按下式计算： g e2 风口m 。g a ( 1 - 2 ) 式中， g b 一一垂直于玻璃幕墙平面的分布水平地震作用( k n m 2 ) ； g 一一构件( 包括玻璃和骨架) 的重量( k n ) ： 一一一玻璃幕墙构件的面积( m2 ) ： 1 4 浙江大学删j 士论文( 2 0 0 3 ) g m a x 一一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0 0 8 ，8 度抗震设计时取0 1 6 ，9 度抗 震设计时取0 3 2 ； 尾一一动力放大系数，一般取3 o 。 平行于玻璃幕墙平面的集中水平地震作用按下式计算： p e = 展a m a x g ( 1 - 3 ) 式中， p 。一一平行于玻璃幕墙平面的集中水平地震作用( k n ) ； g 一一构件( 包括玻璃和骨架) 的重量( k n ) ，取分布水平地 震作用计算时构件重量的6 5 ； 爿一一玻璃幕墙构件的面积( m 2 ) ； o n l a x 一一地震影响系数，表1 6 尾一一动力放大系数，一般取3 0 。 竖向地震影响系数表1 6 烈 场地类别 机构类别 度 ii ii i 、i v 8 不考虑 0 0 80 1 0 平板型网架、钢屋架 9o 1 50 15o 2 0 80 1 00 1 3o 1 3 钢筋混凝土屋架 9o 2 00 2 50 2 5 注：i 类场地一坚硬场地：i i 类场地一一中硬场地：i 类场地一中软场地 类场地一一软弱场地。 1 3 4 温度作用2 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 产生的挤压应力按下式计算： 口t l2 e 口a ，一( 2 c 一以) 6 ( 1 4 ) 浙江人学硕士论文( 2 0 0 3 ) 式中 式中 o t l 一一由于温度变化在玻璃中产生的挤压应力( m p a ) c 一一玻璃边缘与边框之间的空隙( m m ) ； d 。一一施工误差，一般取3 r a m ； 6 一一玻璃的长边尺寸( m m ) ： 卜一玻璃幕墙年温度变化，按8 0 0 c 计算； e 一一玻璃的弹性模量( 7 2 1 0 3 n r a m 2 ) 口一一玻璃的线膨胀系数( 1 0 1 0 4 ) 。 玻璃中央与边缘温度差产生的温差应力按下式计算： 盯1 2 = o 7 4 e 口f l l2 p3 芦4 ( 疋一乃)( 1 - 5 ) 。t 2 一一温差应力( m p a ) ； f ，一一阴影系数，无阴影时取1 0 ，单侧阴影时取1 3 ，邻边 阴影时取1 6 ，对边阴影时取1 7 f 厂一窗帘系数，表1 7 ； 3 一一面积系数，表i 8 ； _ 4 一一嵌缝材料系数，表1 9 ； 凡、乃一一玻璃中央和边缘的温度 窗帘系数表1 7 窗帘种类薄窗帘百叶窗帘 窗帘与玻璃间距1 0 0 r a m 1 0 0 m m 1 0 0 m m 1 0 0 m m 窗帘系数2 1 31 11 51 3 面积系数表1 8 面积( m 2 ) o 51 01 52o2 53 04 05 0 6 0 l 面积系数f3 0 9 5 1 0 01 0 41 0 71 0 91 1 01 1 21 1 4】1 5 浙江大学硕士论文( 2 0 0 3 ) 嵌缝材料系数表1 9 嵌缝材料系数a 。 镶嵌玻璃的边缘材料 玻璃幕墙金属幕墙 非泡沫镶嵌条 0 5 506 5 弹性镶嵌材料 泡沫镶嵌条 0 4 0o 5 0 气密性镶嵌条0 3 80 4 8 注：嵌缝材料如果采用深色材料，考虑吸热，可按上述数值乘以o 9 采用。 浙江大学硕1 论文( 2 0 0 3 ) 2玻璃幕墙常规设计 作用于玻璃幕墙的荷载中，风载荷是主要荷载，起决定性作用。 所以，对于玻璃幕墙的玻璃设计，各国的设计规范中，都是以抗风压 强度为出发点选择单块幕墙玻璃的面积，再将四种荷载按照作用效应 进行组合，进而校核玻璃的挠度和强度。 美国、日本、英国、澳大利亚、加拿大等国家都是在大量玻璃风 压实验的基础上，采用统计的方法分析得出风压图或强度计算公式 ( 经验公式或半理论半经验公式) ，作为幕墙玻璃设计规范。 我国玻璃幕墙工程技术规范中，玻璃设计也根据抗风压强度经验 公式进行玻璃结构设计，即设计单块玻璃面积，再进行强度校核和挠 度验算。 2 1 玻璃抗风压结构设计 一四边支承的玻璃 玻璃厚度，6 f i l m 时 a m a x = o 5a t l8 ( v q k ) ( 2 1 ) 玻璃厚度t 2 6 d m 时 a m a x = 口( 0 5 t 16 + 2 ) ( fq k ) ( 2 - 2 ) 式中， 叮k 一一风荷载标准值( k p a ) ，按( 1 - 1 ) 式计算； a 。一一玻璃允许的最大使用面积( m 2 ) ： ，一一安全因子，一般取2 5 0 ： 口一一抗风压调整系数，表2 1 。 两边支承的玻璃 l r a a 。= 口产( 户q q 1 彪 ( 2 3 ) 浙江大学硕士论文( 2 0 0 3 ) 式中 工。一一玻璃最大跨度，( m ) 。 抗风压调整系数( a )表2 1 平扳、浮测半钢化 跛璃种类 玻璃玻璃 钢化玻璃夹层玻璃中空玻璃陕丝玻璃压花玻璃 。 1 01 61 5 3 0o 8】5 o 50 6 2 2玻璃抗风压挠度设计 一挠度限定 澳大利亚标准a s1 2 8 8 中规定：玻璃板面最大挠度不超过跨度的 1 6 0 ；玻璃框架支座系统最大位移不超过跨度的1 1 8 0 。美国a s t m e 1 3 0 0 一8 9 中规定：玻璃框架支座系统最大位移不超过跨度的1 1 7 5 。 在我国，对于玻璃框架，通常不超过跨度1 18 0 进行设计；对于 玻璃板面变形则应按： 挠度2 、l 1 0 0 ，近离人的活动场合； 挠度1 t l 6 0 ，远离人的活动场合； 一般情况下用挠度不超过跨度的1 7 0 来进行设计。 二挠度计算 l 四边支承的玻璃 日本旭硝子公司根据线形板变形理论推导的计算公式为： f = 口g k l 4 ( e t 3 ) ( 2 - 4 ) 式中， _ 一一玻璃板中心的挠度，( m m ) ； 占一一玻璃的弹性模量，取7 2 x1 0 7 k p a ； 上一一支承边边长，( m m ) ； 卢一一系数，表2 2 。 浙江大学硕士论5 c ( 2 0 0 3 ) 系数f 值表2 2 【 。亿11 21 5234s j i 卢0 0 4 70 0 6 500 8 9 0 1 1 6o1 4 00 1 4 70 1 4 9 i 注：b 为玻璃长边长度。 加拿大标准c a n c g s b 1 2 2 0 一m 8 9 中，根据非线形板变形理论 提出了一个经验公式，此公式与实际情况较为吻合： 且 式中 = f e x p ( c l + c 2 x + c 3 x 2 ) 工= l n l n q k ( 曲) 2 c 毋4 ) 】) 1 1 一一玻璃中心挠度： a 、6 一一分别为玻璃短边长边边长，( m m ) c l 、c 2 、c 3 一一与边长有关的系数，表2 3 。 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 系数c l 、c 2 、c 3 的值表2 3 b l a c ic 2c 3 b a c ic 2c 3 1 02 2 61 5 8o 3 11 83 3 l2 3 80 2 2 1 22 ，6 l1 9 40 2 32 03 4 42 3 4o 2 7 1 42 9 02 1 9o 1 8 52 53 6 01 9 6o 5 3 1 63 1 32 3 30 1 83 03 5 61 2 50 8 8 2 式中， 两边支承的玻璃： 掣= , a q k l 4 ( e t 3 ) ( 2 - 7 ) 一一玻璃板中心的挠度，i l l i l l ； 口一一玻璃的弹性模量，取7 2 1 0 7 k p a 卢一一系数，表2 4 。 浙扛大学仰一论文( 2 0 0 3 ) 系数口值表2 4 1 支承边自由边 【0 1 030 50 71 o1 62 0 口 0 15 60 15 80 15 90 1 6 1 o 1 6 3o 1 6 40 1 6 50 1 6 5 2 3 玻璃强度设计 由于幕墙玻璃承受的荷载较复杂，玻璃强度计算要同时考虑重力 荷载、风荷载、地震作用和温度作用产生的效应。但由于后三种可变 效应都同时达到最大值的概率很小，设计时应根据当地的风力、地震 和温差统计资料排列影响顺序，并按顺序采用不同的组合系数叠加， 再加上重力荷载引起的应力计算出组合应力，从而以该组合应力作为 玻璃的最大工作应力进行强度校核。 一组合应力 组合应力按下式计算： o = y g 盯g + 砂wy w 口w + 咖ere 口+ 庐trt 口t( 2 - 8 ) 式中， 口组合应力( m p a ) ； 口。一一重力荷载引起的应力( m p a ) ； 一w 、一e 、一。一一分别为风荷载、地震作用和温度作用引起的 应力( m p a ) ： r 。、rw 、，。r ，一一各效应的分项系数，其取值为： 重力荷载i - 。：1 2 风荷载r 。：1 4 地震作用r 。：1 3 温度作用y 。：1 2 ； 毋w 、庐n 毋t 一一分别为风荷载、地震作用和温度作用效应的 组合系数，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的效应，第 一个可变荷载和作用的效应的组合系数为 浙江大学颅十论文( 2 0 0 3 ) 1 0 ：第二个可变荷载和作用的效应的组合 系数为0 6 ；第三个可变荷载和作用的效应 组合系数为o 2 。 二 风荷载作用下最大应力 风荷载作用下最大应力下式计算： 口。= 6 c o q k ，f 2 ( 2 - 9 ) 式中， q k 一一风荷载标准值( n m m 2 ) ； 口一一玻璃短边边长( m m ) f 一玻璃的厚度( r a m ) ；中空玻璃厚度取单片外侧玻璃厚度 的1 2 倍；夹层玻璃厚度取单片玻璃厚度的1 2 5 倍； 旷一弯曲系数，表2 5 。 a b0 0 0o 2 5o 3 30 4 0o 5 00 5 50 6 00 6 5 mo 1 2 50 1 2 30 1 1 80 11 5o 1 0 00 0 9 3 40 0 8 6 80 0 8 0 4 a b0 70 7 5o 8 008 5o 9 00 9 51 0 0 0 0 7 4 20 0 6 8 3o 0 6 2 80 0 5 7 60 0 5 2 80 0 4 8 30 0 4 4 2 三地震作用下最大应力 对于垂直玻璃幕墙，地震作用只需考虑垂直于玻璃幕墙的水平分 布地震作用，玻璃的最大应力计算方法类似风荷载作用下的应力计 算： 口e = 6 a x e a 2 ，2( 2 1 0 ) 式中， 口。一一水平分布地震作用下的最大应力( m p a ) g e 一一水平分布地震作用( n m m 2 ) ，按武( 1 2 ) 四重力荷载作用下最大应力 浙江大学硕十论文( 2 0 0 3 ) 对于垂直玻璃幕墙，重力荷载作用下玻璃应力沿高度呈线性分 布，其最大应力等于重力荷载乘以单块玻璃总高度。出于安全角度考 虑，计算组合应力时，重力荷载作用下的应力用最大应力代入。 2 4 设计范例 温州市建设房开大厦，标高9 9 4 m ，采用铝合金玻璃幕墙，四边 支承。设计计算如下： 一基本风压计算 高层建筑1 1 式放大1 0 计算： q k = 1 1 卢2 s 羽。 其中，卢厂一风振系数，取2 2 5 ； “s - 一风荷载体型系数，取1 5 ； z _ 一风压高度变化系数，查表1 4 得“：= 1 7 9 ： q 。一一基本风压，温州地区取5 5 0 n m 2 。 因此 叽= 1 1 2 2 5 x 1 5 x 1 7 9 x5 5 0 = 3 6 5 5n m 2 = 3 6 5 5 k p a 二 玻璃尺寸设计 选用6 m m 钢化玻璃，其最大面积按式2 - 1 计算： 爿。= 0 5a t l8 ( f q k ) 其中，a 一一风压调整系数，按表2 1 取口= 2 0 ； p 一一安全系数取2 5 ； ，一玻璃厚度( m m ) 。 因此 a m a x = 0 5 2 0 6j 8 ( 2 5x 3 6 5 5 ) = 2 7 5 3 m 2 考虑到建筑结构和玻璃安装等要求，以及最大限度利用原片玻 璃( 2 4 0 0 3 3 0 0 ) 选择单块玻璃边长盯x b = 1 15 3 1 5 6 7 。 一 望! 垩查堂堡! ：堡苎! ! ! 竺! 三 玻璃强度校核 1 温度应力( 单独核算，不参与组合) 温差应力按式1 5 计算： o t 2 = 0 7 4 e 仃】2 3 4 ( 瓦一瓦) 其中，爿l 一一阴影系数，取1 5 ( 邻边) ； 厂窗帘系数，取1 3 ： p 3 一面积系数，取1 0 9 ： 4 一一嵌缝材料系数，取0 3 8 瓦疋一玻璃中央和边缘温差，取1 8 0 c 。 因此 口t 2 = 0 7 4 7 2 1 0 3 1 0 1 0 。5 1 5 1 3 1 0 9 0 3 8 1 8 = 7 7 5 n m m 2 4 2n r a m 2 玻璃挤压应力按式1 4 计算 口t l2 e aa r 一( 2 c 一由卅 其中，卜一年温度变化值，取8 0 0 c ： c 一玻璃边缘与边框间的空隙，为1 0 m m ： 巩一施工误差，为3 m r a ： 因此 o t l = 7 2 1 0 3 1 o 1 0 。5 8 0 一( 2 1 0 - - 3 ) 1 5 6 7 0 不产生挤压应力。 2 风荷载作用下的最大应力 按式2 - 9 计算 口w = 6 c o q k a 2 f 2 其中，旅据a b = 1 1 5 3 15 6 7 = 0 7 3 查表2 5 得c a = 0 0 7 1 ： 因此 g r 。= 6 0 0 7 ix3 6 5