建筑外窗 - 抗风压性能 - 计算书.doc

建筑外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 113-2003》
《钢结构设计规范 GB 50017-2003》
《建筑外窗抗风压性能分级表 GB/T7106-2002》
《建筑结构荷载规范 GB 50009-2001》
《未增塑聚氯乙烯(PVC-U)塑料门 JG/T 180-2005》
《未增塑聚氯乙烯(PVC-U)塑料窗 JG/T 140-2005》
《铝合金窗 GB/T8479-2003》
《铝合金门 GB/T8478-2003》

II、设计计算
一、风荷载计算
1)工程所在省市：天津
2)工程所在城市：塘沽
3)门窗安装最大高度z(m)：100
4)门窗类型:平开窗
5)窗型样式:

6)窗型尺寸:
窗宽W(mm):1500
窗高H(mm):1500
1 风荷载标准值计算:Wk = βgz*μS*μZ*w0
(按《建筑结构荷载规范》GB 50009-2001 7.1.1-2)
1.1 基本风压 W0=550N/m^2
(按《建筑结构荷载规范》GB 50009-2001规定,采用50年一遇的风压，但不得小于0.3KN/m^2)
1.2 阵风系数计算:
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；
本工程按：C类 有密集建筑群的城市市区取值。安装高度<5米时,按5米时的阵风系数取值。
βgz=0.85*(1+(0.734*(100/10)^(-0.22))*2)
=1.60187
(按《建筑结构荷载规范》GB 50009-2001 7.5.1规定)
1.3 风压高度变化系数μz:
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类 有密集建筑群的城市市区取值。
μZ=0.616*(100/10)^0.44
=1.6966
(按《建筑结构荷载规范》GB 50009-2001 7.2.1规定)
1.4 风荷载体型系数:μs=1.2
(按《建筑结构荷载规范》GB 50009-2001 表7.3.1规定)
1.5 风荷载标准值计算:
Wk(N/m^2)=βgz*μS*μZ*w0
=1.60187*1.6966*1.2*550
=1793.704
2 风荷载设计值计算：
W(N/m2)=1.4*Wk
=1.4*1793.704
=2511.1856

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：fmax/L<=1/120
2)双层玻璃，柔性镶嵌：fmax/L<=1/180
3)单层玻璃，刚性镶嵌：fmax/L<=1/160
其中：fmax:为受力杆件最在变形量(mm)
L:为受力杆件长度(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/mm^2)
σmax:计算截面上的最大弯曲应力(N/mm^2)
M:受力杆件承受的最大弯矩(N.mm)
W:净截面抵抗矩(mm^3)
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/mm^2)
τmax:计算截面上的最大剪切应力(N/mm^2)
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(mm^3)
I:材料惯性矩(mm^4)
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 横中梃的挠度、弯曲应力、剪切应力计算:
构件“横中梃”的各受荷单元基本情况如下图：

构件“横中梃”的由以下各型材(衬钢)组合而成，它们共同承担“横中梃”上的全部荷载：
2.1.1 横中梃的刚度计算
1.横中梃的组合受力杆件的总弯曲刚度计算
D(N.mm^2)==0
横中梃的组合受力杆件的总剪切刚度计算
D(N.mm^2)==0
2.1.2 横中梃的受荷面积计算
1.内开扇的受荷面积计算(梯形)
A(mm^2)=(2900-870)*870/4=441525
2.下亮的受荷面积计算(梯形)
A(mm^2)=(2900-630)*630/4=357525
3.横中梃的总受荷面积计算
A(mm^2)=441525+357525=799050
2.1.3 横中梃所受均布荷载计算
Q(N)=Wk*A
=1793.704*799050/1000000
=1433.259
2.1.4 横中梃在均布荷载作用下的挠度、弯矩、剪力计算
2.1.4.1 在均布荷载作用下的挠度计算
2.1.4.2 在均布荷载作用下的弯矩计算
2.1.4.3 在均布荷载作用下的剪力计算
2.1.5 横中梃在集中荷载作用下的挠度、弯矩、剪力计算
2.1.6 横中梃在均布荷载和集中荷载共同作用下的总挠度校核
2.1.7 横中梃在均布荷载和集中荷载共同作用下的抗弯曲强度校核
2.1.8 横中梃在均布荷载和集中荷载共同作用下的抗剪切强度校核
2.1.9 横中梃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 横中梃单端所承受的最大剪切力设计值
Q=1.4*Q总/2
=1.4*1433.259/2
=1003.2813(N)
2.1.9.2 横中梃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
=(1.5*1003.2813)/(5*70)
=4.3
4.3<=35
横中梃的端部焊缝抗剪切能力满足要求。
2.1.9 横中梃综合抗风压能力计算
该受力杆件在风荷载作用下，可简化为承受梯形均布荷载
根据:L/180=(q*A)*L^3/(65.056*D)
q(N/mm^2)=65.056*D/(L^2*180*A)
=65.056*0/(1450^2*180*799050)*1000
=0(kPa)
2.2 竖中梃的挠度、弯曲应力、剪切应力计算:
构件“竖中梃”的各受荷单元基本情况如下图：

构件“竖中梃”的由以下各型材(衬钢)组合而成，它们共同承担“竖中梃”上的全部荷载：
2.2.1 竖中梃的刚度计算
1.竖中梃的组合受力杆件的总弯曲刚度计算
D(N.mm^2)==0
竖中梃的组合受力杆件的总剪切刚度计算
D(N.mm^2)==0
2.2.2 竖中梃的受荷面积计算
1.内开扇的受荷面积计算(梯形)
A(mm^2)=(1740-570)*570/4=166725
2.侧亮的受荷面积计算(三角形)
A(mm^2)=(870*870/2)/2=189225
3.竖中梃的总受荷面积计算
A(mm^2)=166725+189225=355950
2.2.3 竖中梃所受均布荷载计算
Q(N)=Wk*A
=1793.704*355950/1000000
=638.469
2.2.4 竖中梃在均布荷载作用下的挠度、弯矩、剪力计算
2.2.4.1 在均布荷载作用下的挠度计算
2.2.4.2 在均布荷载作用下的弯矩计算
2.2.4.3 在均布荷载作用下的剪力计算
2.2.5 竖中梃在集中荷载作用下的挠度、弯矩、剪力计算
2.2.6 竖中梃在均布荷载和集中荷载共同作用下的总挠度校核
2.2.7 竖中梃在均布荷载和集中荷载共同作用下的抗弯曲强度校核
2.2.8 竖中梃在均布荷载和集中荷载共同作用下的抗剪切强度校核
2.2.9 竖中梃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 竖中梃单端所承受的最大剪切力设计值
Q=1.4*Q总/2
=1.4*638.469/2
=446.9283(N)
2.2.9.2 竖中梃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
=(1.5*446.9283)/(5*70)
=1.915
1.915<=35
竖中梃的端部焊缝抗剪切能力满足要求。
2.2.9 竖中梃综合抗风压能力计算
该受力杆件在风荷载作用下，可简化为承受三角形均布荷载
根据:L/180=(q*A)*L^3/(60.0*D)
q(N/mm^2)=60.0*D/(L^2*180*A)
=60.0*0/(870^2*180*355950)*1000
=0(kPa)
3 该门窗的综合抗风压能力为:Qmax=0N/mm^2
(按《建筑外窗抗风压性能分级表》GB/T7106-2002)
建筑外窗抗风压性能分级表
分级
代号
1
2
3
4
5
6
7
8
X.X
分级
指标
1.0<=
P3<1.5
1.5<=
P3<2.0
2.0<=
P3<2.5
2.5<=
P3<3.0
3.0<=
P3<3.5
3.5<=
P3<4.0
4.0<=
P3<4.5
4.5<=
P3<5.0
P3>=
5.0

注：表中X.X表示用>=5.0KPa的具体值，取分组代号。但必须注明“已经超过8级。”

综合抗风压能力不足1级

各受力杆的挠度、抗弯能力、抗剪能力校核结果一览表
名称
长度
挠度
允许值
校核结果
弯曲应力
许用值
校核结果
剪切应力
许用值
校核结果

三、玻璃强度校核
1 校验依据：
σmax=6*m*W*a^2/t^2*μ<=[σ]
[σ]:玻璃的允许应力(N/mm^2)
σmax:玻璃板块所承最大应力(N/mm^2)
m:玻璃弯曲系数
a:玻璃短边尺寸(mm)
W:风荷载设计值(N/m^2)
t:玻璃厚度(mm)
2 风荷载设计值计算：
w=1.4*Wk
风荷载标准值Wk(N/m^2):1793.704
风荷载标准值<0.75KN/m^2时,按0.75KN/m^2计算。
根据《建筑玻璃应用技术规程 JGJ 113-2003》
=1.4*1793.704
=2511.1856
3 内开扇玻璃强度校核：
3.1 玻璃弯矩系数计算：
玻璃短边长度a(mm):870
玻璃长边长度b(mm):1450
玻璃短边/长边a/b=870/1450=0.6
根据a/b系数，用插入法查表取得弯矩系数m=0.0868
3.2 玻璃折减系数计算：
3.2.1 θ参数计算：
玻璃短边长度a(mm):870
风荷载标准值Wk(N/m^2):1793.704
玻璃弹性模量E(N/mm^2)=72000
θ=Wk*a^4/E/t^4
=1793.704*870^4/72000/5^4/1000000
=22.83575
3.2.2 折减系数计算：
根据θ参数，用插入法查表取得折减系数μ=0.90866
3.3 玻璃应力计算：
风荷载设计值w(N/m^2):2511.1856
玻璃厚度t(mm):5
μ玻璃应力折减系数:0.90866
σmax=6*m*W*a^2/t^2*μ
=6*0.0868*2511.1856*870^2/5^2*0.90866/1000000
=35.979
3.4 玻璃强度校核：
σmax>[σ]
即:35.979>20
玻璃应力不满足要求。
4 下亮玻璃强度校核：
4.1 玻璃弯矩系数计算：
玻璃短边长度a(mm):630
玻璃长边长度b(mm):1450
玻璃短边/长边a/b=630/1450=0.43448
根据a/b系数，用插入法查表取得弯矩系数m=0.10753
4.2 玻璃折减系数计算：
4.2.1 θ参数计算：
玻璃短边长度a(mm):630
风荷载标准值Wk(N/m^2):1793.704
玻璃弹性模量E(N/mm^2)=72000
θ=Wk*a^4/E/t^4
=1793.704*630^4/72000/5^4/1000000
=6.27914
4.2.2 折减系数计算：
根据θ参数，用插入法查表取得折减系数μ=0.98977
4.3 玻璃应力计算：
风荷载设计值w(N/m^2):2511.1856
玻璃厚度t(mm):5
μ玻璃应力折减系数:0.98977
σmax=6*m*W*a^2/t^2*μ
=6*0.10753*2511.1856*630^2/5^2*0.98977/1000000
=25.459
4.4 玻璃强度校核：
σmax>[σ]
即:25.459>20
玻璃应力不满足要求。
5 内开扇玻璃强度校核：
5.1 玻璃弯矩系数计算：
玻璃短边长度a(mm):570
玻璃长边长度b(mm):870
玻璃短边/长边a/b=570/870=0.65517
根据a/b系数，用插入法查表取得弯矩系数m=0.07976
5.2 玻璃折减系数计算：
5.2.1 θ参数计算：
玻璃短边长度a(mm):570
风荷载标准值Wk(N/m^2):1793.704
玻璃弹性模量E(N/mm^2)=72000
θ=Wk*a^4/E/t^4
=1793.704*570^4/72000/5^4/1000000
=4.20763
5.2.2 折减系数计算：
根据θ参数，用插入法查表取得折减系数μ=1
5.3 玻璃应力计算：
风荷载设计值w(N/m^2):2511.1856
玻璃厚度t(mm):5
μ玻璃应力折减系数:1
σmax=6*m*W*a^2/t^2*μ
=6*0.07976*2511.1856*570^2/5^2*1/1000000
=15.618
5.4 玻璃强度校核：
σmax<=[σ]
即:15.618<=20
玻璃应力满足要求。
6 侧亮玻璃强度校核：
6.1 玻璃弯矩系数计算：
玻璃短边长度a(mm):870
玻璃长边长度b(mm):870
玻璃短边/长边a/b=870/870=1
根据a/b系数，用插入法查表取得弯矩系数m=0.0442
6.2 玻璃折减系数计算：
6.2.1 θ参数计算：
玻璃短边长度a(mm):870
风荷载标准值Wk(N/m^2):1793.704
玻璃弹性模量E(N/mm^2)=72000
θ=Wk*a^4/E/t^4
=1793.704*870^4/72000/5^4/1000000
=22.83575
6.2.2 折减系数计算：
根据θ参数，用插入法查表取得折减系数μ=0.90866
6.3 玻璃应力计算：
风荷载设计值w(N/m^2):2511.1856
玻璃厚度t(mm):5
μ玻璃应力折减系数:0.90866
σmax=6*m*W*a^2/t^2*μ
=6*0.0442*2511.1856*870^2/5^2*0.90866/1000000
=18.321
6.4 玻璃强度校核：
σmax<=[σ]
即:18.321<=20
玻璃应力满足要求。
7 玻璃最大许用面积计算：
7.1 校核依据：
玻璃厚度t(mm)<=6时，按如下公式计算：
Amax=0.2*a*t^1.8/Wk
玻璃厚度t(mm)>6时，按如下公式计算：
Amax=a*(0.2*t^1.6+0.8)/Wk
Amax:最大许用面积(m^2)
Wk:风荷载标准值(KN/m^2)
t:玻璃计算厚度(mm)
夹层按双片厚度计算，中空按最薄一片的厚度计算
a:抗风压调整系数
玻璃种类
普通
半钢化
钢化
夹层
中空
夹丝
压花
单片防火
调整系数a
1.0
1.6
2.0-3.0
0.8
1.5
1.5
0.6
3.0-4.5

7.2 最大许用面积计算：
玻璃类型：单层(浮法玻璃)
玻璃计算厚度t(mm)：5
玻璃类型调整系数a：1
风荷载标准值Wk(KN/m^2):1.7937
Amax(m^2)=0.2*a*t^1.8/Wk
=0.2*1*5^1.8/1.7937
=2

该门窗玻璃的弯曲应力、最大面积校核结果一览表
名称
短边
长边
最大应力
允许值
校核结果
面积
许用面积
内开扇
870
1450
35.979
20
否
1.26
2
下亮
630
1450
25.459
20
否
0.91
2
内开扇
570
870
15.618
20
是
0.50
2
侧亮
870
870
18.321
20
是
0.76
2

四、门窗连接计算
门窗连接件主要承受来自于风荷载的剪力，
按照《材料力学》要求需要对每个连接件进行抗剪和承压计算
1 风荷载设计值计算：
风荷载标准值Wk(N/m^2):1793.704
w=1.4*Wk
=2511.1856
2 每个连接件需要承受的最小荷载计算：
P0:每个连接件承受荷载的安全值(N)
B:门窗宽度(mm):1500
H:门窗高度(mm):1500
n:连接件总数(个):16
W:风荷载设计值(N/m^2):2511.1856
P0(N)=W*B*H/n
=2511.1856*1500*1500/16/1000000
=353.14
3 每个连接件的抗剪能力计算：
连接件类型:C级螺栓(4.6级、4.8级)
[σv]连接件抗剪设计值(N/mm^2)140
Jm每个连接件的承剪面(个):1
d连接件直径(mm):5
π圆周率:3.1416
Nv(N)=Jm*π*d^2*[σv]/4
=1*3.1416*5^2*140/4
=2748.9
按照《钢结构设计规范 GB 50017-2003》 7.2.1-1至7.2.1-2
4 每个连接件的承压能力计算：
[σc]连接件承压设计值(N/mm^2):305
d连接件直径(mm):5
Σt腹板厚度(mm):1.5
Nc(N)=d*Σt*[σc]
=5*1.5*305
=2287.5
按照《钢结构设计规范 GB 50017-2003》 7.2.1-3至7.2.1-4
5 每个连接件的抗剪、承压能力校核：
Nc=2287.5(N)>=P0=353.14(N)
Nv=2748.9(N)>=P0=353.14(N)
门窗连接件的抗剪和承压能力都能满足要求。