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玻璃幕墙荷载和玻璃材料

来源:原创 作者:admin 时间:2009-07-22 11:03:41 浏览:

 

 在对玻璃幕墙进行力学分析时,首先要讨论玻璃幕墙系统承受怎样的荷载,这些荷载怎样组合,只有在这样的组合荷载作用下,求解出最大应力或挠度值才能给我们进行玻璃幕墙的设计提供有效可靠的理论依据。
1作用于幕墙的荷载
一般情况下玻璃幕墙承受的荷载有:自重、风荷载、温度作用和地震作用,斜玻璃幕墙还要考虑雪荷载、冰雹冲击荷载、施工荷载。
1.1风荷载
对于建筑幕墙风荷载起主要作用,其数值可达 ,使幕墙产生很大的应力。幕墙玻璃本身必须具有足够的承载力,避免在风压下破碎。
根据《建筑结构荷载规范》GB 50009-2001,垂直于建筑物表面的风荷载标准值,应按下述公式计算:
计算维护结构时
                                                             (4-2)
式中 ——高度 处的振风系数;
1.基本风压
基本风压 是根据全国各气象台站历年来的最大风速记录,按基本风压的标准要求,将年最大风速,统一换算为离地 高,自记 年平均最大风速。根据该风速数据,经统计分析确定为重现期为50年的最大风速,作为当地的最大风速 。再按贝努利公式确定风压。
基本风压取值:
                                                             (4-3)
其中: ——标准空气密度, 。
2.风压高度变化系数
在大气边界层内,风速随离地面高度而增大。当气压场随高度不变时,风速随高度增大的规律,主要取决于地面粗糙度和温度垂直梯度。通常认为在离地面高度为300~500m时,风速不再受地面粗糙度的影响,也即达到所谓“梯度风速”,该高度称为梯度风高度。地面粗糙度等级低的地区,其梯度风高度比等级高的地区为低。目前我国将地面粗糙度分为四类:
A类——近海海面和海岛、海岸及沙漠地区;
B类——田野、乡村、丛林以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区;
C类——有密集建筑群的城市市区;
D类——有密集建筑群且房屋较高的城市市区。
3.风荷载体型系数
风荷载体型系数是指风作用在建筑物表面上所引起的实际压力与来流风的速度压的比值,它描述的是建筑物表面在稳定风压作用下的静态压力分布规律,主要与建筑物的体型和尺度有关,也与周围环境和地面粗糙度有关。复杂的结构由风洞试验确定
风荷载体型系数取值:
                                                        (4-6)
其中: ——第 测点所属表面面积;
——第 测点的风压系数
                      (4-7)
——第 测点净风压力;
——参考高度平均风速;
——空气密度。
 
4.阵风系数
对于维护结构,由于其刚性一般比较大,在结构效应中可不考虑其共振分量,此时仅在平均风压的基础上,近似考虑脉动风瞬间的增大因素,通过风振系数 来计算其风荷载。
                                                            (4-14)
其中: ——脉动系数;
——地面粗糙度调整系数。
1.2雪荷载
雪荷载是斜玻璃幕墙及采光顶的主要荷载之一。基本雪压是根据全国各地的气象台,从建站起到1995年的最大雪压或雪深资料,经统计得出的50年一遇最大雪压,以此规定当地的基本雪压。
                                                             (4-15)
其中: ——雪荷载标准值;
——屋面积雪系数。
——基本雪压。
屋面积雪系数是屋面水平投影面积上的雪荷载与基本雪压的比值,实际上也是地面基本雪压换算为屋面雪荷载的换算系数,与屋面形式,朝向及风力有关。
1.3冰雹冲击荷载
冰雹的冲击荷载对于垂直幕墙玻璃来说影响不太大,最危险的情况是冰雹伴有大风,可能将冰雹变换一定的角度抛向幕墙。但迄今国内外还没有资料论及冰雹荷载作用下的幕墙计算,已建幕墙结构也没有因为冰雹作用而损坏的事例。这说明,冰雹的作用比风压小的多,一般可不进行计算。
但若对于斜玻璃幕墙或玻璃采光顶,冰雹冲击荷载是不能忽视的。为了计算上的方便,依照冰雹最大粒径、密集程度及幕墙玻璃的角度,折算成相应的静力荷载,叠加到不利荷载组合值中,从而将动力计算问题转化为静力计算问题。
1.4地震作用
幕墙的地震作用采用简化的等效静力方法计算,地震影响系数最大值按照现行国家标准《建筑抗震设计规范》的规定采用。
1.5自重
结构的自重,在一般情况下是不需要的,但又是无法避免的荷载。自重指的是材料自身产生的荷载,属于永久荷载。其标准值应根据结构的设计尺寸和材料单位体积自重计算确定,一般相当于恒载实际概率分布的平均值。
1.6温度作用
幕墙设计时应考虑年温度变化 ,年温度变化 由当地气候条件、幕墙的颜色和反射性能决定。当缺乏必要资料时, 可取为80 。
计算幕墙玻璃的温度应力时, 要考虑幕墙的最大温度变化 ,决定 有两个因素:
1.当地每年的最大温差,夏天的最高温度与冬天最低温度之差。
2.幕墙的反射和吸热性质,这与幕墙本身材料性能有关。
考虑到南方地区夏天幕墙表面温升较高(如广州可以达到70以上),所以一般情况下幕墙年温差可按80 考虑。
某些气温变化较特殊的地区,可以根据实际情况对温度差适当调整.
2荷载效应组合
荷载和作用效应组合后可按下列方式进行组合:
                                      (4-16)
式中: ——荷载和作用效应组合后的设计值;
——重力荷载作为不变荷载产生的效应 ,
——分别为风荷载、地震作用和温度作用作为可变荷载和作用产生的效应。按不同的组合情况,三者可分别作为第一个、第二个和第三个可变荷载和作用产生的效应;
——各效应的分项系数;
  ——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的效应。
可变荷载和作用产生的效应 应按幕墙结构设计的条件和要求决定其组合方式。幕墙应按各效应组合中最不利组合进行设计,最不利组合可由工程经验决定。进行幕墙构件、连接和锚固件承载力计算时,荷载和作用效应的分项系数应按下列数值采用:
重力荷载 ;风荷载   ;地震作用 ;温度作用
进行位移和挠度计算时,各分项系数均应按1.0采用.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 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0.6采用,第三个可变荷载或作用效应的组合系数可按0.2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50年一遇最大峰值考虑,地震按50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 按1.0考虑,其它则分别按0.6,0.2考虑。
结构的自重是重力荷载,是经常作用的不变荷载,照理应当考虑。所有的组合工况中都本应包括这一项,但如果重力荷载产生的应力很小,不起控制作用时,也可以不考虑。
幕墙考虑的可变荷载作用有三项,即风荷载,地震作用和温度作用 。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,由设计人员根据幕墙的设计条件和要求决定(例如非坑震设计的幕墙可不考虑地震作用产生的效应等)。我国是多地震国家,6度以上地区占中国国土面积70%以上,绝大多数的大、中城市都考虑抗震设防。对于有抗震要求的幕墙,三种可变作用往往同时考虑。由于三种可变效应都达到最大值的概率是很小的,所以当可变效应顺序不同时,应按顺序分别采用不同组合值系数。
3玻璃强度
目前国内进行玻璃强度试验的工作不多,强度取值的方法也不统一。
玻璃是最有代表性的脆性破坏材料,其破坏特征在于:几乎所有的玻璃都是由于拉应力产生表面裂缝而破碎。
一直到破坏为止,玻璃的应力应变都几乎呈线性关系,其弹性模量约为 。但是,其破坏强度有非常大的离散性。如图1(a)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 ,十分分散。而且,强度值与尺寸、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、持荷时间、周围环境等)都有关系,而且变动很大。
因此,玻璃的实际允许荷载值应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。
根据《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102表 ,玻璃弹性模量: 。玻璃挠度应满足最大允许挠度: 。玻璃应力应满足表4-1的要求。
      表1玻璃的弯曲强度设计值
类型
     厚度
           强度设计值
大面强度
   边缘强度
钢化玻璃
     5~12
       84.0
      58.8
    15~19
       59.0
      41.3
 单片防火玻璃
     6~19
       126
      88.2
注:1夹层玻璃和中空玻璃的强度设计值可按所采用的玻璃类型采用
            2表中单片防火玻璃应为经过化学和物理同时处理的防火玻璃。
表1中单片防火玻璃为经过化学和物理同时处理的防火玻璃,其弯曲强度设计值铰大。玻璃的强度是根据标准试件进行弯曲试验得的。对于普通玻璃,边缘切割和打磨处理会影响强度的测试值,现行行业标准《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102按70%的折减考虑这一影响,由此得到大面强度和边缘强度。对于玻璃幕墙采用的钢化玻璃,边缘都经精磨和抛光处理,实际上不会对强度测试值产生明显影响,但考虑到玻璃局部应力和挤压应力很难精确计算,为了确保设计的可靠性,表1还是分别给出大面强度和边缘强度,供设计时根据不同情况选用。
玻璃大部分是平面外受弯控制其承载力,其他受力状态起控制作用的机会较少,因此目前没有再区分受拉、受压、受剪强度。