铝合金四角锥形隐框玻璃采光顶的构造与设计11

1、铝合金四角锥形隐框玻璃采光顶的构造与设计摘 要 玻璃采光顶又称玻璃屋顶，主耍用干房屋采光，其品种规格不尽相同，目前其功能也在不断增加.以四角锥形采光顶为对象，介绍铝合金隐框玻璃采光顶的构造。设计条件选择及设计方法。关键词 铝合金 采光顶 结构 设计方法铝合金挤压型材隐框玻璃采光顶(以下简称采光顶)是伴随着铝合金挤压型材用于建筑门窗而产生的，成为集建筑艺术、建筑技术、建筑功能为一休的新型建筑形式。本文以哈尔滨市某建筑工程施工制造的四角锥形采光顶为例，介绍采光顶的构造与设计方法。1、采光顶的构造与要求采光顶的构造要具备以下要求:(1)采光顶坡面设计角度要适宜，保证排水顺畅，内侧结露冷凝水不滴落而是

2、沿玻璃顺流汇集排泄。选择带有集水槽的铝合金杆件，汇集冷凝水到集水槽中排出。(2)采用防水密封胶，胶缝底部填以与密封胶相容的垫杆或胶带，避免因密封胶三面粘接导致变形时密封胶撕裂。(3)锥形采光顶锥顶主受力杆件间不能直接联接，要设有专用铰接的联接件，形成锥顶铰接的锥件。(4)杆件长度大于10m 时，要设有伸缩缝。(5)选择采用能保证安全的玻璃。(6)以最不利作用情况来选择材料，确定构造方案，保证其稳定性和牢固性。2、采光顶的设计与计算根据建筑物和用户的要求，要选定的设计条件为:(1)为满足用户要求，我们专为此项工程设计和生产了满足其工程要求的铝合金型材.其截面如图 I 所示，型材特性值列于表1。(

3、2)选用美国产SSG-4000硅酮结卞胶和scs-2000耐候胶。(3)夹层玻璃。(4)采光顶设计为四角锥形，其构造与分格见图2、3。单锥边长3m,坡面与水平夹角a =3(®(根 据经验 18 度 -30 度为宜 )， 脊部杆件投影长度L=4.234 低典型最大分格尺寸H*B=0.75m*0.9m, 计算得到脊部杆件与水平夹角9 =22.12g,拱高？=0.866m,建筑高度为20 m,抗震7度设防。2.1风荷载的计算与设计正常功能风压值：Wk = B4%式中：Wk正常功能下风压值，Pa：B 阵风风压系数，2.25;Us风荷载体型系数，1.5;Uz风压高度系数，4=0.713(*Z

4、建筑物高度，20m;Wo-基本风压值，450 Pa.计算得到=1427.6 Pa.该建筑物地处雪压高值区，积雪又 在大风频发期，承载系数7w取14风荷载设 it® ： W= WK 兀，W =427.6x 1.4=1999 Pa. 2.2雪荷载的计算与设计雪荷载的设计值：S = >s Sk式中:SK=qSo；SK雪荷载标准值，Pa;So基本雪压值.400 Pa;Ur屋面积雪分布系数，1.25;力承载系数, 1.4;计算得到S=700Pa.23采光顶杆件强度计算采光顶最不利受力杆件按压弯杆件计 算，强度稳定性的正应力应满足：0=与 + g W84.2MPaA Wr式中:N为杆件截面

5、轴力，N=-。ine-H8S。;2d为水平代梁计算剪力，您=华。-8X0.25)2;q为脊部杆件均布荷载(由面荷载计算 出),q=(G + JV)/cosa + Sx 1.5x0.707x2;L脊部杆件投影长度.4.234m;0脊部杆件与水平设计夹角，22°12z;计算：q = (l.2 x 400 + 1 999)/cos300 +700 x 1.5 x 0.707 x 2 = 75.56N/cm;遂=75.56 x424.3 (fxO.ZSX 007.5 N;M。H为沿口推力，H=守;Mg为沿门弯矩，A= 管；/= 0.866 m.计算得到H = 9817.5N.M为杆件截面弯矩

6、，M =此为水平代梁弯矩，说=噌*(3-8x0.252)t4o7556： 424.3。- 8 x 0.252)=708 495 N cm; 4o,W杆件截面抵抗矩，48.2cm3;r 型材塑性发展系数，L05;计算:N=- 4 OO7.5sin0-9817.58s。=10 604 N;M=708 495 - y x 86.6 x 9 817.5 =283 419 N cm;10 60415.328341948.2x1.05= 62.93 MPa v84.20MPa.强度满足要求.o白杆件图1型材微面图表1铝合金型材特性值杆件,合金及状态TH斜）杆 6O63T5横杆6063T5强度设计值/ MP

7、a84.284.2截面枳Jem?15.38.2制性发展系数1.Q51.05抵抗矩/cm，48.0122.4采光项连接设计与计算本采光顶连接主要是受力杆件与主体的连接。连接方式与支点受力如图4所示。设计使用2个M16螺栓与8mm钢板制做的联接件将铝合金杆件夹持联接起来。铝合金杆件孔壁是薄弱部分，螺栓受剪切，杆件与连接受压，支点反力q为脊杆件均布荷载，为75.56N/cm ; L=424.3cm。件孔第是薄弱部分，螺栓受剪切.杆件与连接 受压，支点反力华，q为脊杆件均布 荷载，为 75.56 N/on; L-424.3cm.计算得到入e 8015N .水平地震作用力PE = 风otxG,4为动力增

8、大系数，3; j为地 震系数影响最大值，7度抗震设汁值比皿=0.08; 采光顶重400N/nA计算得到% = 96N.(1)剪力N合=6T证式中：-连接点剪力之和，N;M连接点水平方向剪力，M = H +岸 9817 + 96 = 9913N;M簸点垂直方向剪力.N产F产8 015 N,计算得到N介=12 750 N.螺拴受剪能力N；尸鹏苧式中：M剪面数值，2;d。螺栓净直径，13.8 mm;t螺栓许用剪力，125N/mn?;计算得到岬=37374N,N>抗剪切能力满足要求，(2)连接螺栓部位杆件与联接件钢壁承 压荷载能力的计算M招=如吧式中：lc华铝材受压部位承载力；d"螺栓

9、孔直径，16.5 mm;I构件壁厚，2x2x3.5mm;kc】构件抗压许用应力/呢=842 N;计算得到岫阳=18 861 N合.铝材强度可以满足要求.比较钢材与铝 型材的性能可知年是可以满足其强度要 求的.25选择玻璃玻璃厚度按下式计算：9,4 + 2W川卬_2式中：印林=(G + W) + 3-;*cosa印总一作用在玻璃面上荷载的总和，Pa;A最大玻璃面积，075 mxo.90 m;G玻璃重力，400N/m1;% 玻璃强度调整系数，1.6.计算得到t=4.1 mm。采用厚度为5mm的夹层玻璃可以满足要求.2.6结构胶缝的选择计算采光顶采用结构性玻璃装配方法，要进行胶缝设计计算，比较计算出

10、的各种效应所需胶缝的 宽度，选用最大值.但胶缝宽度不能小于6 mm,厚度应为胶缝宽度的0.51倍，最小也不得小于6 mm,胶缝最大一般不超过12 mm。该采光顶粘接胶缝宽度选择为12 mm,高度值T选择为6 mm,满足要求。计算方法如下：玻璃胶缝的计算(1)风荷载效应胶缝宽度的计算0.5 x B x IV禺=138式中：日玻璃短边长度，0.75 m;W风压设计值.1999 Pa;计算得到S, *5.43 mm.(2)自重效应胶缝宽度B/mm)的计算B = 05 600 + 675 S)sina - rfx 6jx 10 J式中玻璃体积，0.75 mmx0.9 mmx0.005 nun;S附着玻

11、璃上的雪荷载，400Pax 125;d最大玻璃块的周长，3 300mm;a坡面与水平夹角，3优计算得到日产1013 mm.温度效应作用下胶缝宽度为mm)的H算B产。2兀 式中：不一结构胶粘结厚度，AL温差效应结构胶变位承受能力式中：ALMg-矍)-山一铝型材线胀系数，拓= 23.5x 10 6;%玻璃线胀系数110x10"L玻璃框格长边尺寸，900 mm;Kr一夏季室外最高计算温度.40匕冬季室外最低温度，-35匕P1铝型材吸收系数，0.75;H玻璃吸收系数.0J6；/太阳辐射强度,800 W/m1;%换算系数.l9W/(m，K).采用SSG-4000硅酮结构胶，温差效应 结构胶变位

12、承受能力为0.568;计算彳导至！1 Tj = 2.67 mm; B3ftf5J4mnL(4)地震效应作用胶缝宽度耳(mm)的计算式中：工一结构胶粘结厚度.丁一 设计角度变位值x玻璃高度4 地虞作用下结构胶变位承变能力设计角度变位值1/190,玻璃高度900 mm;地震作用下结构胶变位承受能力098.计算得到 7； = 4.83 mm;旦起9.66 mm.2.7采光顶防雷击设计将脊杆空腹中设40 mm x 4 mm扁钢与每根杆件联接，再与屋顶避雷设施联网以达到避雷的作 用。3结束语(1)玻璃采光顶要想真正做到多功能的要求难度很大，单凭经验，不但盲目危险，还会造成浪费，因此采光顶的制造必须进行结

13、构设计和计算.(2)要满足不同规格、造型采光顶结构及使用功能的要求，就需要有很多种与之相配套可供选择的不同断面几何尺寸的型材，但膜却不产生影响，得到一种多孔且导电的氧化膜，其结构见图I(b)。在膜孔内的金属离子很容易电沉积结晶，并沿膜孔向外表面生长。若采用高整平性能 的电镀液，则镀层金属从膜孔中生长出表面后能与从相邻膜孔生长出的镀层金属相连，进一步 电镀便可获得光亮镀层。见图 1(c)。图I 阳极粗化膜示意图】一赭休侣；之一限形层；3-多孔层；4- 0(层2工艺流程试样装挂-除油-水洗-碱蚀-水洗-出光-水洗-二次水洗-阳极氧化-水洗-二次水洗-电镀- 水洗-吹干-卸挂。上述流程的除油，诚蚀、

14、出光工序可沿用传统的铝阳极氧化前处理工艺.水洗可用自来水，但二次水洗必须用去离子水或蒸储水。3阳极氧化阳极氧化条件如下：凡PO, (98%), 200 250 g/L;(98%), 80 - 1OT g/L;SB 络合剂，1 2 g/L;温度,25 35匕；阴极.不锈钢或铅板；阳极，铝件；时间，10 15min;搅拌，空气搅拌；电流密度,0.8L5 A/dm2,电压约 20 30V.阳极氧化以HFO,为主，这样的氧化膜 孔直注大，有利于络合剂SB在膜孔内的移 动.H7sO.能弱增加溶液电咛率，降低槽电压.4结论在磷酸一硫酸溶液中加人络合剂sB,使铝或铝合金在阳极氧化过程中得到多孔性的微孔导电氧化膜，可在该膜上直接进行电镀一但要求电镀液为中性或弱酸性溶液，否则会破坏氧化膜；且溶液温度不能高于70C,以防氧化膜发生水化封闭。阳极氧化10 min以上，否则氧化膜过薄，失去镶嵌作用；时间过长，氧化膜加厚