建筑铝合金窗抗风压性能计算书.doc

建筑门窗抗风压性能计算书
I、计算依据：
《建筑玻璃应用技术规程》 JGJ 113-2009
《钢结构设计规范》 GB 50017-2003
《建筑结构荷载规范》 GB 50009-2001 2006版
《铝合金门窗》 GB/T 8478-2008
《铝合金结构设计规范 GB 50429-2007》
《建筑门窗术语 GB/T 5823-2008》
《建筑门窗洞口尺寸系列 GB/T 5824-2008》
《建筑外门窗保温性能分级及检测方法 GB/T 8484-2008》
《建筑外门窗空气声隔声性能分级及检测方法 GB/T 8485-2008》
《建筑外门窗气密、水密、抗风压性能分级及检测方法》GB/T 7106-2008》
《铝合金建筑型材 第一部分：基材 GB 5237.1-2008》
《铝合金建筑型材 第二部分：阳极氧化型材 GB 5237.2-2008》
《铝合金建筑型材 第三部分：电泳涂漆型材 GB 5237.3-2008》
《铝合金建筑型材 第四部分：粉末喷涂型材 GB 5237.4-2008》
《铝合金建筑型材 第五部分：氟碳漆喷涂型材 GB 5237.5-2008》
《铝合金建筑型材 第六部分：隔热型材 GB 5237.6-2008》
II、详细计算
一、风荷载计算
1)工程所在省市：山东
2)工程所在城市：济南市
3)门窗安装最大高度z：20 米
4)门窗系列：山东华建铝材-GR63隔热内平开窗
5)门窗尺寸：
门窗宽度W＝1470 mm 门窗高度H＝1500 mm
6)门窗样式图：

1 风荷载标准值计算:Wk = βgz*μS1*μZ*W0
(按《建筑结构荷载规范》GB 50009-2001 2006版 7.1.1-2)
1.1 基本风压 W0= 450 N/m2
(按《建筑结构荷载规范》GB 50009-2001　2006版规定,采用50年一遇的风压，但

不得小于0.3 KN/m2
1.2 阵风系数βgz 计算:

1)A类地区：βgz=0.92*(1+2μf)
其中：μf=0.5*35^(1.8*(-0.04))*(z/10)^(-0.12),z为安装高度；
2)B类地区：βgz=0.89*(1+2μf)
其中：μf=0.5*35^(1.8*(0))*(z/10)^(-0.16),z为安装高度；
3)C类地区：βgz=0.85*(1+2μf)
其中：μf=0.5*35^(1.8*(0.06))*(z/10)^(-0.22),z为安装高度；
4)D类地区：βgz=0.80*(1+2μf)
其中：μf=0.5*35^(1.8*(0.14))*(z/10)^(-0.30),z为安装高度；
安装高度z＜5米时,按5米时的阵风系数取值。

本工程按： C.有密集建筑群的城市市区 取值。
βgz=0.85*(1+2μf) μf=0.5*35^(1.8*(0.06))*(z/10)^(-0.22)
=0.85*(1+2*(0.5*35^(1.8*(0.06))*(20/10)^(-0.22)))
=1.921
(按《建筑结构荷载规范》GB 50009-2001 　2006版　7.5.1规定)

1.3 风压高度变化系数μz计算:

1)A类地区：μz=1.379 * (z / 10) ^ 0.24,z为安装高度；
2)B类地区：μz=(z / 10) ^ 0.32,z为安装高度；
3)C类地区：μz=0.616 * (z / 10) ^ 0.44,z为安装高度；
4)D类地区：μz=0.318 * (z / 10) ^ 0.6,z为安装高度；
本工程按： C.有密集建筑群的城市市区 取值。
μz=0.616 * (20 / 10) ^ 0.44
=0.836
(按《建筑结构荷载规范》GB 50009-2001 　2006版 7.2.1规定 )

1.4 局部风压体型系数μs1的计算：

μs1：局部风压体型系数，根据计算点体型位置取0.8；
按《建筑结构荷载规范》GB50009-2001(2006年版)第7.3.3条：验算围护构件及其连接的强度时，可按下列规定采用局部风压体型系数μs1：
● 外表面
1. 正压区 按表7.3.1采用；
2. 负压区
- 对墙面， 取-1.0
- 对墙角边， 取-1.8
● 内表面
对封闭式建筑物，按表面风压的正负情况取-0.2或0.2。
另注：上述的局部体型系数μs1(1)是适用于围护构件的从属面积A≤1m2的情况，当围护构件的从属面积A≥10m2时，局部风压体型系数μs1(10)可乘以折减系数0.8，当构件的从属面积A＜10m2而＞1m2时，局部风压体型系数μs1(A)可按面积的对数线性插值，即：μs1(A)=μs1(1)+[μs1(10)-μs1(1)]logA
受力杆件中从属面积最大的杆件为：横向杆件中的(中横)
其从属面积为A=上亮：0.750+左扇：0.750+右扇：0.750
=2.250
支撑结构的构件从属面积A＜10 m2,且A＞1 m2
LogA=Log(2.250)=0.352
μs1(2.250)=μs1(1)+[μs1(10)-μs1(1)]*logA
=.8+(.8*0.8-.8)*0.352
=0.744
μs1=μs1(2.250)+0.2
=0.744+0.2
=0.944
因此：支撑结构局部风压体型系数μs1取：0.944
1.4.2 面板材料的局部风压体型系数μs1的计算：
面板材料的局部风压体型系数按面积最大的玻璃板块(即：1500x500=0.750 m2)来计算：
面板材料的构件从属面积A≤1 m2
μs1(0.750)=.8
μs1=μs1(0.750)+0.2
=.8+0.2
=1.000
因此：面板材料局部风压体型系数μs1取：1.000

1.5 风荷载标准值计算:

1.5.1 支撑结构风荷载标准值计算:
Wk(N/m2)=βgz*μz*μS1*W0
=1.921*0.836*0.944*450
=682.210
1.5.2 面板材料风荷载标准值计算:
Wk(N/m2)=βgz*μz*μS1*W0
=1.921*0.836*1.000*450
=722.680

2 风荷载设计值计算：

2.1 支撑结构风荷载设计值计算：
W(N/m2)=1.4*Wk
=1.4*682.210
=955.094
2.2 面板结构风荷载设计值计算：
W(N/m2)=1.4*Wk
=1.4*722.680
=1011.752

二、门窗主要受力杆件的挠度、弯曲应力、剪切应力校核:

1 校验依据：
1.1 挠度校验依据：
1)单层玻璃，柔性镶嵌：
2)双层玻璃，柔性镶嵌：
3)单层玻璃，刚性镶嵌：
其中：fmax:为受力杆件最在变形量(mm)
L:为受力杆件长度(mm)
本窗型选用:双层玻璃，柔性镶嵌：校核依据 fmax/L ≤ 1/150 且 famx ≤ 20 mm
1.2 弯曲应力校验依据：
σmax=M/W<=[σ]
[σ]:材料的抗弯曲应力(N/mm2)
σmax:计算截面上的最大弯曲应力(N/mm2)
M:受力杆件承受的最大弯矩(N.mm)
W:净截面抵抗矩(mm3)
1.3 剪切应力校验依据：
τmax=(Q*S)/(I*δ)<=[τ]
[τ]:材料的抗剪允许应力(N/mm2)
τmax:计算截面上的最大剪切应力(N/mm2)
Q:受力杆件计算截面上所承受的最大剪切力(N)
S:材料面积矩(mm3)
I:材料惯性矩(mm4)
δ:腹板的厚度(mm)

2 主要受力杆件的挠度、弯曲应力、剪切应力计算：

因建筑外窗在风荷载作用下，承受的是与外窗垂直的横向水平力，外窗各框料间构成的受荷单元，可视为四边铰接的简支板。在每个受荷单元的四角各作45度斜线，使其与平行于长边的中线相交。这些线把受荷单元分成4块，每块面积所承受的风荷载传递给其相邻的构件，每个构件可近似地简化为简支梁上呈矩形、梯形或三角形的均布荷载。这样的近似简化与精确解相比有足够的准确度，结果偏于安全，可以满足工程设计计算和使用的需要。由于窗的四周与墙体相连，作用在玻璃上的风荷载由窗框传递给墙体，故不作受力杆件考虑，只需对选用的中梃进行校核。

2.1 中横的挠度、弯曲应力、剪切应力计算:
构件【中横】的各受荷区域基本情况如下图：

构件【中横】的由以下各型材(衬钢)组合而成，它们共同承担【中横】上的全部荷载：
(1) 铝合金 - 63平开窗中梃

截面参数如下：
惯性矩：89269.59
抵抗矩：2479.67
面积矩：2565.44
截面面积：464.39
腹板厚度：1.4
2.1.1 【中横】的刚度计算
(1) 63平开窗中梃的弯曲刚度计算
D(N.mm2)=E*I=70000*89269.59=6248871300
63平开窗中梃的剪切刚度计算
D(N.mm2)=G*F=26000*464.39=12074140
2.【中横】的组合受力杆件的总弯曲刚度计算
D(N.mm2)=6248871300=6248871300
【中横】的组合受力杆件的总剪切刚度计算
D(N.mm2)=12074140=12074140
2.1.2 【中横】的受荷面积计算
1.上亮的受荷面积计算(梯形)
A(mm2)=(500/2*500/2)+(1500-500)*500/2=312500
2.左扇的受荷面积计算(三角形)
A(mm2)=(750/2*750)/2=140625
3.右扇的受荷面积计算(三角形)
A(mm2)=(750/2*750)/2=140625
4.【中横】的总受荷面积
A(mm2)=312500+140625+140625=593750
2.1.3 【中横】所受均布荷载计算
Q(N)=Wk*A
=682.210*593750/1000000
=405.062
2.1.4 【中横】在均布荷载作用下的中点挠度、弯矩、剪力计算
2.1.4.1 在均布荷载作用下的中点挠度计算
1.63平开窗中梃在均布荷载作用下的中点挠度计算
按弯曲刚度比例分配荷载
分配荷载:Q63平开窗中梃=Q总*(D63平开窗中梃/D总)
=405.062*(6248871300/6248871300)
=405.062
本受力杆件在风荷载作用下，可简化为承受矩形均布荷载
Fmid(mm)=5*Q*L3/(384*D)
=5*405.062*1500^3/(384*6248871300)
=2.849
2.1.4.2 在均布荷载作用下的弯矩计算
1.63平开窗中梃在均布荷载作用下的弯矩计算
按弯曲刚度比例分配荷载
分配荷载:Q63平开窗中梃=Q总*(D63平开窗中梃/D总)
=405.062*(6248871300/6248871300)
=405.062
所受荷载的设计值计算:Q=1.4*Q
=1.4* 405.062
=567.087
本受力杆件在风荷载作用下，可简化为承受矩形均布荷载
Mmax(N.mm)=Q*L/8
=567.087*1500/8
=106328.800
2.1.4.3 在均布荷载作用下的剪力计算
1.63平开窗中梃在均布荷载作用下的剪力计算
按剪切刚度比例分配荷载
分配荷载:Q63平开窗中梃=Q总*(D63平开窗中梃/D总)
=405.062*(12074140/12074140)
=405.062
所受荷载的设计值计算:Q=1.4*Q
=1.4* 405.062
=567.087
本受力杆件在风荷载作用下，可简化为承受矩形均布荷载
Qmax(N)=±Q/2
=567.087/2
=283.544
2.1.5 【中横】 在集中荷载作用下的中点挠度、弯矩、剪力计算
2.1.5.1 左扇产生的集中荷载对【中横】作用产生的中点挠度、弯矩、剪力计算
1.受荷面积计算:
A(mm2)=(750/2*750/2)+(1000-750)*750/2
=234375
2.该分格传递到主受力杆件上的全部集中荷载
P(N)=(wk*A)/2
=(682.210*234375)/2/1000000
=79.946
3.该分格产生的集中荷载对受力杆件跨中产生的总挠度
(1)63平开窗中梃在集中荷载作用下产生的跨中挠度
按弯曲刚度比例分配荷载
分配荷载:Q63平开窗中梃=Q总*(D63平开窗中梃/D总)
=79.946*(6248871300/6248871300)
=79.946
该分格的跨中集中荷载对受力杆件跨中产生的挠度计算
Fmid(mm)=P*L^3/(48*D)
=79.946*1500^3/(48*6248871300)
=0.900
4.该分格产生的集中荷载对受力杆件跨中产生的总弯矩
(1)63平开窗中梃在集中荷载作用下产生的弯矩
按弯曲刚度比例分配荷载
分配荷载:Q63平开窗中梃=Q总*(D63平开窗中梃/D总)
=79.946*(6248871300/6248871300)
=79.946
所受荷载的设计值计算:Q=1.4*Q
=1.4*79.946
=111.924
该分格的跨中集中荷载对受力杆件跨中产生的弯矩计算
Mmax(N.mm)=P*L/4
=111.924*1500/4
=41971.500
4.该分格产生的集中荷载对受力杆件跨中产生的总剪力
(1)63平开窗中梃在集中荷载作用下产生的总剪力
按剪切刚度比例分配荷载
分配荷载:Q63平开窗中梃=Q总*(D63平开窗中梃/D总)
=79.946*(12074140/12074140)
=79.946
所受荷载的设计值计算:Q=1.4*Q
=1.4*79.946
=111.924
该分格的跨中集中荷载对受力杆件跨中产生的剪力计算
Mmax(N.mm)=P/2
=111.924/2
=55.962
2.1.5.2 右扇产生的集中荷载对【中横】作用产生的中点挠度、弯矩、剪力计算
1.受荷面积计算:
A(mm2)=(750/2*750/2)+(1000-750)*750/2
=234375
2.该分格传递到主受力杆件上的全部集中荷载
P(N)=(wk*A)/2
=(682.210*234375)/2/1000000
=79.946
3.该分格产生的集中荷载对受力杆件跨中产生的总挠度
(1)63平开窗中梃在集中荷载作用下产生的跨中挠度
按弯曲刚度比例分配荷载
分配荷载:Q63平开窗中梃=Q总*(D63平开窗中梃/D总)
=79.946*(6248871300/6248871300)
=79.946
该分格的跨中集中荷载对受力杆件跨中产生的挠度计算
Fmid(mm)=P*L^3/(48*D)
=79.946*1500^3/(48*6248871300)
=0.900
4.该分格产生的集中荷载对受力杆件跨中产生的总弯矩
(1)63平开窗中梃在集中荷载作用下产生的弯矩
按弯曲刚度比例分配荷载
分配荷载:Q63平开窗中梃=Q总*(D63平开窗中梃/D总)
=79.946*(6248871300/6248871300)
=79.946
所受荷载的设计值计算:Q=1.4*Q
=1.4*79.946
=111.924
该分格的跨中集中荷载对受力杆件跨中产生的弯矩计算
Mmax(N.mm)=P*L/4
=111.924*1500/4
=41971.500
4.该分格产生的集中荷载对受力杆件跨中产生的总剪力
(1)63平开窗中梃在集中荷载作用下产生的总剪力
按剪切刚度比例分配荷载
分配荷载:Q63平开窗中梃=Q总*(D63平开窗中梃/D总)
=79.946*(12074140/12074140)
=79.946
所受荷载的设计值计算:Q=1.4*Q
=1.4*79.946
=111.924
该分格的跨中集中荷载对受力杆件跨中产生的剪力计算
Mmax(N.mm)=P/2
=111.924/2
=55.962
2.1.6 中横在均布荷载和集中荷载共同作用下的中点总挠度校核
2.1.6.1 63平开窗中梃中点总挠度校核
2.1.6.1.1 63平开窗中梃中点总变形计算
F总=F均布+ΣF集中
=2.849+0.900+0.900
=4.649
2.1.6.1.2 63平开窗中梃中滑挠跨比计算
挠跨比=F总/L
=4.649/1500
=0.003
该门窗选用:双层玻璃，柔性镶嵌：校核依据 fmax/L ≤ 1/150 且 famx ≤ 20 mm
0.003 ≤ 1/150 且 4.649 ≤ 20 mm ，因此: 63平开窗中梃 的挠度符合要求。

2.1.7 中横在均布荷载和集中荷载共同作用下的抗弯曲强度校核
2.1.7.1 63平开窗中梃抗弯曲强度校核
2.1.7.1.1 63平开窗中梃总弯矩计算
M总=M均布+ΣM集中
=106328.800+41971.500+41971.500
=190271.800
2.1.7.1.2 63平开窗中梃弯曲应力计算
σmax=M/W
σmax:计算截面上的最大弯曲应力
M:受力杆件承受的最大弯矩
W:净截面抵抗矩
σmax=M/W
=190271.800/2479.67
=76.733
76.733 ≤ 此类型材允许的弯曲应力 85.5 , 因此 抗弯强度满足要求。

2.1.8 中横在均布荷载和集中荷载共同作用下的抗剪切强度校核
2.1.8.1 63平开窗中梃抗剪切强度校核
2.1.8.1.1 63平开窗中梃总剪力计算
Q总=Q均布+ΣQ集中
=283.544+55.962+55.962
=395.468
2.1.8.1.2 63平开窗中梃剪切应力计算
τmax=(Q*S)/(I*δ)
τmax:计算截面上的最大剪切应力
Q:受力杆件计算截面上所承受的最大剪切力
S:材料面积矩
I:材料惯性矩
δ:腹板的厚度矩
τmax=(Q*S)/(I*δ)
=(395.468*2565.44)/(89269.59*1.4)
=8.118
8.118 ≤ 此类型材允许的抗剪切应力 49.6 , 因此 抗剪切能力满足要求。

2.1.9 中横在均布荷载和集中荷载共同作用下的受力杆件端部连接强度校核
2.1.9.1 中横单端所承受的最大剪切力设计值
Q=1.4*Q总/2
=1.4*405.062/2
=283.543
2.1.9.2 中横端部焊缝的剪切应力
τ=(1.5*Q)/(δ*Lj)
τ:型材端部焊缝的剪切应力
Q:受力杆件单端所承受的最大剪切力设计值
Lj:焊缝计算长度
δ:连接件中腹板的厚度(2倍型材壁厚)=2*2.5=5
τ=(1.5*Q)/(δ*Lj)
=(1.5*283.543)/(5*70)
=1.215
1.215 ≤ 此类焊缝端部允许的抗剪切应力 35 , 因此 抗剪切能力满足要求。

2.1.10 中横综合抗风压能力计算
中横在均布荷载和集中荷载作用下总受荷面积计算：
A= 312500+140625+140625+234375/2+234375/2
= 828125 mm2
本受力杆件在风荷载作用下，可简化为承受矩形均布荷载
L/150=5*Q*A*L3/(384*D)
Q=76.8*D/(L2*150*A)
=76.8*6248871300/(1500^2*150*828125)*1000
=1.72 (kPa)
2.2 竖扇的挠度、弯曲应力、剪切应力计算:
构件【竖扇】的各受荷区域基本情况如下图：

构件【竖扇】的由以下各型材(衬钢)组合而成，它们共同承担【竖扇】上的全部荷载：
(1) 铝合金 - 63平开窗中梃

截面参数如下：
惯性矩：89269.59
抵抗矩：2479.67
面积矩：2565.44
截面面积：464.39
腹板厚度：1.4
2.2.1 【竖扇】的刚度计算
(1) 63平开窗中梃的弯曲刚度计算
D(N.mm2)=E*I=70000*89269.59=6248871300
63平开窗中梃的剪切刚度计算
D(N.mm2)=G*F=26000*464.39=12074140
2.【竖扇】的组合受力杆件的总弯曲刚度计算
D(N.mm2)=6248871300=6248871300
【竖扇】的组合受力杆件的总剪切刚度计算
D(N.mm2)=12074140=12074140
2.2.2 【竖扇】的受荷面积计算
1.左扇的受荷面积计算(梯形)
A(mm2)=(750/2*750/2)+(1000-750)*750/2=234375
2.右扇的受荷面积计算(梯形)
A(mm2)=(750/2*750/2)+(1000-750)*750/2=234375
3.【竖扇】的总受荷面积
A(mm2)=234375+234375=468750
2.2.3 【竖扇】所受均布荷载计算
Q(N)=Wk*A
=682.210*468750/1000000
=319.786
2.2.4 【竖扇】在均布荷载作用下的中点挠度、弯矩、剪力计算
2.2.4.1 在均布荷载作用下的中点挠度计算
1.63平开窗中梃在均布荷载作用下的中点挠度计算
按弯曲刚度比例分配荷载
分配荷载:Q63平开窗中梃=Q总*(D63平开窗中梃/D总)
=319.786*(6248871300/6248871300)
=319.786
本受力杆件在风荷载作用下，可简化为承受梯形均布荷载
Fmid(mm)=Q*L3/(61.05*D)
=319.786*1000^3/(61.05*6248871300)
=0.838
2.2.4.2 在均布荷载作用下的弯矩计算
1.63平开窗中梃在均布荷载作用下的弯矩计算
按弯曲刚度比例分配荷载
分配荷载:Q63平开窗中梃=Q总*(D63平开窗中梃/D总)
=319.786*(6248871300/6248871300)
=319.786
所受荷载的设计值计算:Q=1.4*Q
=1.4* 319.786
=447.700
本受力杆件在风荷载作用下，可简化为承受梯形均布荷载
Mmax(N.mm)=Q*L/6.165
=447.700*1000/6.165
=72619.630
2.2.4.3 在均布荷载作用下的剪力计算
1.63平开窗中梃在均布荷载作用下的剪力计算
按剪切刚度比例分配荷载
分配荷载:Q63平开窗中梃=Q总*(D63平开窗中梃/D总)
=319.786*(12074140/12074140)
=319.786
所受荷载的设计值计算:Q=1.4*Q
=1.4* 319.786
=447.700
本受力杆件在风荷载作用下，可简化为承受梯形均布荷载
Qmax(N)=±Q*(1-a/L)/2
=447.700*(1-.375)/2
=139.906
2.2.5 【竖扇】 在集中荷载作用下的中点挠度、弯矩、剪力计算
2.2.6 竖扇在均布荷载和集中荷载共同作用下的中点总挠度校核
2.2.6.1 63平开窗中梃中点总挠度校核
2.2.6.1.1 63平开窗中梃中点总变形计算
F总=F均布+ΣF集中
=0.838
=0.838
2.2.6.1.2 63平开窗中梃中滑挠跨比计算
挠跨比=F总/L
=0.838/1000
=0.001
该门窗选用:双层玻璃，柔性镶嵌：校核依据 fmax/L ≤ 1/150 且 famx ≤ 20 mm
0.001 ≤ 1/150 且 0.838 ≤ 20 mm ，因此: 63平开窗中梃 的挠度符合要求。

2.2.7 竖扇在均布荷载和集中荷载共同作用下的抗弯曲强度校核
2.2.7.1 63平开窗中梃抗弯曲强度校核
2.2.7.1.1 63平开窗中梃总弯矩计算
M总=M均布+ΣM集中
=72619.630
=72619.630
2.2.7.1.2 63平开窗中梃弯曲应力计算
σmax=M/W
σmax:计算截面上的最大弯曲应力
M:受力杆件承受的最大弯矩
W:净截面抵抗矩
σmax=M/W
=72619.630/2479.67
=29.286
29.286 ≤ 此类型材允许的弯曲应力 85.5 , 因此 抗弯强度满足要求。

2.2.8 竖扇在均布荷载和集中荷载共同作用下的抗剪切强度校核
2.2.8.1 63平开窗中梃抗剪切强度校核
2.2.8.1.1 63平开窗中梃总剪力计算
Q总=Q均布+ΣQ集中
=139.906
=139.906
2.2.8.1.2 63平开窗中梃剪切应力计算
τmax=(Q*S)/(I*δ)
τmax:计算截面上的最大剪切应力
Q:受力杆件计算截面上所承受的最大剪切力
S:材料面积矩
I:材料惯性矩
δ:腹板的厚度矩
τmax=(Q*S)/(I*δ)
=(139.906*2565.44)/(89269.59*1.4)
=2.872
2.872 ≤ 此类型材允许的抗剪切应力 49.6 , 因此 抗剪切能力满足要求。

2.2.9 竖扇在均布荷载和集中荷载共同作用下的受力杆件端部连接强度校核
2.2.9.1 竖扇单端所承受的最大剪切力设计值
Q=1.4*Q总/2
=1.4*319.786/2
=223.850