点玻钢管结构.doc

点式钢管结构幕墙
设计计算书

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二〇〇六年三月二十九日

点式钢管结构幕墙设计计算书

一、计算引用的规范、标准及资料
1.幕墙设计规范：
《建筑幕墙》 JG3035-1996
《玻璃幕墙工程技术规范》 JGJ102-2003
《金属与石材幕墙工程技术规范》 JGJ133-2001
《点支式玻璃幕墙工程技术规程》 CECS127-2001
《全玻璃幕墙工程技术规程》 DBJ/CT014-2001
《玻璃幕墙光学性能》 GB/T18091-2000
《建筑幕墙物理性能分级》 GB/T15225-94
《建筑幕墙空气渗透性能测试方法》 GB/T15226-94
《建筑幕墙风压变形性能测试方法》 GB/T15227-94
《建筑幕墙雨水渗透性能测试方法》 GB/T15228-94
《建筑幕墙平面内变形性能检测方法》 GB/T18250-2000
《建筑幕墙抗震性能振动台试验方法》 GB/T18575-2001
《点支式玻璃幕墙支承装置》 JG138-2001
《吊挂式玻璃幕墙支承装置》 JG139-2001
2.建筑设计规范：
《建筑结构荷载规范》 GB50009-2001
《钢结构设计规范》 GB50017-2003
《冷弯薄壁型钢结构设计规范》 GB50018-2002
《高层民用钢结构技术规程》 JGJ99-98
《建筑设计防火规范》 GBJ16-87(2001版)
《高层民用建筑设计防火规范》 GB50045-2001
《建筑物防雷设计规范》 GB50057-2000
《工程抗震术语标准》 JGJ/T97-95
《中国地震烈度表》 GB/T17742-1999
《建筑抗震设计规范》 GB50011-2001
《建筑抗震设防分类标准》 GB50223-2004
《中国地震动参数区划图》 GB18306-2000
《采暖通风与空气调节设计规范》 GB50019-2003
《高层建筑混凝土结构技术规程》 JGJ3-2002
《混凝土结构设计规范》 GB50010-2002
《民用建筑热工设计规范》 GB50176-93
《民用建筑隔声设计规范》 GBJ118-88
《建筑结构可靠度设计统一标准》 GB50068-2001
《建筑装饰工程施工质量验收规范》 GB50210-2001
《建筑钢结构焊接技术规程》 JGJ81-2002
《钢结构防火涂料》 GB14907-2002
《碳钢焊条》 GB/T5117-1995
《低合金钢焊条》 GB/T5118-1995
《铝型材截面几何参数算法及计算机程序要求》 YS/T437-2000
3.铝材规范：
《铝幕墙板 板基》 YS/T429.1-2000
《铝幕墙板 氟碳喷漆铝单板》 YS/T429.2-2000
《铝及铝合金彩色涂层板、带材》 YS/T431-2000
《铝塑复合板用铝带》 YS/T432-2000
《铝合金建筑型材》 GB/T5237-2000
《建筑铝型材 基材》 GB/T5237.1-2004
《建筑铝型材 阳极氧化、着色型材》 GB/T5237.2-2004
《建筑铝型材 电泳涂漆型材》 GB/T5237.3-2004
《建筑铝型材 粉末喷涂型材》 GB/T5237.4-2004
《建筑铝型材 氟碳漆喷涂型材》 GB/T5237.5-2004
《变形铝及铝合金化学成份》 GB/T3190-1996
《铝及铝合金轧制板材》 GB/T3880-1997
《建筑用铝型材、铝板氟碳涂层》 JG/T133-2000
4.金属板及石材规范：
《天然花岗石荒料》 JC/T204-2001
《天然大理石荒料》 JC/T202-2001
《天然板石》 GB/T18600-2001
《天然花岗石建筑板材》 GB/T18601-2001
《天然大理石建筑板材》 JC/T79-2001
《干挂石材幕墙用环氧胶粘剂》 JC/T887-2001
《天然饰面石材术语》 GB/T13890-92
《建筑材料放射性核素限量》 GB6566-2001
《铝塑复合板》 GB/T17748-1999
《建筑瓷板装饰工程技术规范》 CECS101：98
《建筑装饰用微晶玻璃》 JC/T872-2000
5.玻璃规范：
《建筑玻璃应用技术规程》 JGJ113-2003
《普通平板玻璃》 GB4871-1995
《浮法玻璃》 GB11614－1999
《钢化玻璃》 GB/T9963-1998
《幕墙用钢化玻璃与半钢化玻璃》 GB/T17841-1999
《建筑用安全玻璃 防火玻璃》 GB15763.1-2001
《中空玻璃》 GB/T11944-2002
《夹层玻璃》 GB9962-1999
《镀膜玻璃 第一部分 阳光控制镀膜玻璃》 GB/T18915.1-2002
《镀膜玻璃 第二部分 低辐射镀膜玻璃》 GB/T18915.2-2002
《热反射玻璃》 JC693-1998
《热弯玻璃》 JC/T915-2003
6.钢材规范：
《不锈钢棒》 GB/T1220-1992
《不锈钢冷加工钢棒》 GB/T4226-1984
《不锈钢冷扎钢板》 GB/T3280-1992
《不锈钢热扎钢板》 GB/T4237-1992
《不锈钢热扎钢带》 GB/T5090
《冷拔异形钢管》 GB/T3094-2000
《碳素结构钢》 GB/T700-1988
《优质碳素结构钢》 GB/T699-1999
《合金结构钢》 GB/T3077-1999
《不锈钢和耐热钢冷扎带钢》 GB/T4239-1991
《高耐候结构钢》 GB/T4171-2000
《焊接结构用耐候钢》 GB/T4172-2000
《低合金高强度结构钢》 GB/T1591-1994
《碳素结构和低合金结构钢热轧薄钢板及钢带》 GB/T912-1989
《碳素结构和低合金结构钢热轧厚钢板及钢带》 GB/T3274-1988
《结构用无缝钢管》 JBJ102
《金属覆盖层钢铁制品热镀锌层技术要求》 GB/T13912-1992
7.胶类及密封材料规范：
《混凝土接缝用密封胶》 JC/T881-2001
《硅酮建筑密封胶》 GB/14683-2003
《建筑用硅酮结构密封胶》 GB16776-2003
《聚硫建筑密封胶》 JC483-1992
《中空玻璃用弹性密封剂》 JC486- 2001
《幕墙玻璃接缝用密封胶》 JC/T882-2001
《石材幕墙接缝用密封胶》 JC/T883-2001
《中空玻璃用丁基热熔密封胶》 JC/T914-2003
《彩色钢板用建筑密封胶》 JC/T884-2001
《工业用橡胶板》 GB/T5574-1994
《绝热用岩棉、矿棉及其制品》 GB/T11835-98
《建筑用防霉密封胶》 JC/T885-2001
《建筑表面用有机硅防水剂》 JC/T902-2002
《聚氨酯建筑密封胶》 JC/T482-2003
8.门窗及五金件规范：
《铝合金门》 GB/T8478-2003
《铝合金窗》 GB/T8479-2003
《建筑外窗抗风压性能分级及检测方法》 GB/T7106-2002
《建筑外窗气密性能分级及检测方法》 GB/T7107-2002
《建筑外窗水密性能分级及检测方法》 GB/T7108-2002
《建筑外窗空气隔声性能分级及检测方法》 GB/T8485-2002
《铝合金门窗工程设计、施工及验收规范》 DBJ15-30-2002
《建筑外窗采光性能分级及检测方法》 GB/T11976-2002
《地弹簧》 GB/T9296-1988
《平开铝合金窗执手》 GB/T9298-1988
《铝合金窗不锈钢滑撑》 GB/T93001988
《铝合金门插销》 GB/T9297-1988
《铝合金窗撑挡》 GB/T9299-1988
《铝合金门窗拉手》 GB/T9301-1988
《铝合金窗锁》 GB/T9302-1988
《铝合金门锁》 GB/T9303-1988
《闭门器》 GB/T9305-1988
《推拉铝合金门窗用滑轮》 GB/T9304-1988
《紧固件 螺栓和螺钉》 GB/T5277
《十字槽盘头螺钉》 GB/T818-2000
《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》 GB3098.1-2000
《紧固件机械性能 螺母 粗牙螺纹》 GB3098.2-2000
《紧固件机械性能 螺母 细牙螺纹 》 GB3098.4-2000
《紧固件机械性能 自攻螺钉》 GB30985-2000
《紧固件机械性能 不锈钢螺栓、螺钉、螺柱》 GB3098.6-2000
《紧固件机械性能 不锈钢螺母》 GB3098.15-2000
《螺纹紧固件应力截面积和承载面积》 GB/T16823.1-1997
9.《建筑结构静力计算手册》 (第二版)
10.土建图纸：

二、基本参数
1.幕墙所在地区：
北京地区；
2.地面粗糙度分类等级：
幕墙属于外围护构件，按《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)
A类：指近海海面和海岛、海岸、湖岸及沙漠地区；
B类：指田野、乡村、丛林、丘陵以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区；
C类：指有密集建筑群的城市市区；
D类：指有密集建筑群且房屋较高的城市市区；
依照上面分类标准，本工程按C类地区考虑。
3.抗震烈度：
按照国家规范《建筑抗震设计规范》(GB50011-2001)、《中国地震动参数区划图》(GB18306-2000)规定，北京地区地震基本烈度为8度，地震动峰值加速度为0.2g，水平地震影响系数最大值为：αmax=0.16。
三、幕墙承受荷载计算
1.风荷载标准值计算：
幕墙属于外围护构件，按建筑结构荷载规范(GB50009-2001)计算：
wk=βgzμzμsw0 ……7.1.1-2[GB50009-2001]
上式中：
wk：作用在幕墙上的风荷载标准值(MPa)；
Z：计算点标高：100m；
βgz：瞬时风压的阵风系数；
根据不同场地类型,按以下公式计算:
βgz=K(1+2μf)
其中K为地面粗糙度调整系数，μf为脉动系数
A类场地: βgz=0.92×(1+2μf) 其中：μf=0.387×(Z/10)-0.12
B类场地: βgz=0.89×(1+2μf) 其中：μf=0.5(Z/10)-0.16
C类场地: βgz=0.85×(1+2μf) 其中：μf=0.734(Z/10)-0.22
D类场地: βgz=0.80×(1+2μf) 其中：μf=1.2248(Z/10)-0.3
对于C类地区，100m高度处瞬时风压的阵风系数：
βgz=0.85×(1+2×(0.734(Z/10)-0.22))=1.6019
μz：风压高度变化系数；
根据不同场地类型,按以下公式计算:
A类场地: μz=1.379×(Z/10)0.24
当Z>300m时，取Z=300m，当Z<5m时，取Z=5m；
B类场地: μz=(Z/10)0.32
当Z>350m时，取Z=350m，当Z<10m时，取Z=10m；
C类场地: μz=0.616×(Z/10)0.44
当Z>400m时，取Z=400m，当Z<15m时，取Z=15m；
D类场地: μz=0.318×(Z/10)0.60
当Z>450m时，取Z=450m，当Z<30m时，取Z=30m；
对于C类地区，100m高度处风压高度变化系数：
μz=0.616×(Z/10)0.44=1.6966
μs：风荷载体型系数，根据计算点体型位置取1.2；
w0：基本风压值(MPa)，根据现行<<建筑结构荷载规范>>GB50009-2001附表D.4(全国基本风压分布图)中数值采用，按重现期50年，北京地区取0.00045MPa；
wk=βgzμzμsw0
=1.6019×1.6966×1.2×0.00045
=0.001468MPa
2.垂直于幕墙平面的分布水平地震作用标准值：
qEAk=βEαmaxGk/A ……5.3.4[JGJ102-2003]
qEAk：垂直于幕墙平面的分布水平地震作用标准值(MPa)；
βE：动力放大系数,取5.0；
αmax：水平地震影响系数最大值，取0.16；
Gk：幕墙构件的重力荷载标准值(N)；
A：幕墙构件的面积(mm2)；
3.作用效应组合：
荷载和作用效应按下式进行组合：
S=γGSGk+ψwγwSwk+ψEγESEk ……5.4.1[JGJ102-2003]
上式中：
S：作用效应组合的设计值；
SGk：重力荷载作为永久荷载产生的效应标准值；
Swk、SEk：分别为风荷载，地震作用作为可变荷载产生的效应标准值；
γG、γw、γE：各效应的分项系数；
ψw、ψE：分别为风荷载，地震作用效应的组合系数。
上面的γG、γw、γE为分项系数，按5.4.2、5.4.3、5.4.4[JGJ102-2003]规定如下：
进行幕墙构件强度、连接件和预埋件承载力计算时：
重力荷载：γG：1.2；
风 荷 载：γw：1.4；
地震作用：γE：1.3；
进行挠度计算时；
重力荷载：γG：1.0；
风 荷 载：γw：1.0；
地震作用：可不做组合考虑；
上式中，风荷载的组合系数ψw为1.0；
地震作用的组合系数ψE为0.5；

四、点式幕墙大面玻璃的计算
基本参数：
1：计算点标高：100m；
2：分格尺寸：宽×高=B×H=1500mm×1800mm；
3：支撑点间距：宽度方向×高度方向=B1×H1=1250mm×1550mm；
4：玻璃配置：单片玻璃，钢化玻璃10mm；
5：驳接形式：四点驳接；
模型简图为：

1.玻璃板块荷载计算：
(1)玻璃板块自重：
GAk：玻璃板块单位面积自重(仅指玻璃)(MPa)；
t：玻璃板块厚度(mm)；
γg：玻璃的体积密度(N/mm3)；
GAk=γgt
=0.0000256×10
=0.000256MPa
(2)垂直于幕墙平面的分布水平地震作用：
qEAk：垂直于幕墙平面的分布水平地震作用(MPa)；
βE：动力放大系数,取5.0；
αmax：水平地震影响系数最大值，取0.16；
GAk：玻璃单位面积自重(MPa)；
qEAk=βEαmaxGAk ……5.2.5[JGJ133-2001]
=5.0×0.16×0.000256
=0.000205MPa
(3)作用在玻璃上的风荷载及地震作用荷载组合：
用于强度计算时，采用Sw+0.5SE设计值组合： ……5.4.1[JGJ102-2003]
q=1.4wk+0.5×1.3qEAk
=1.4×0.001468+0.5×1.3×0.000205
=0.002188MPa
Sw+0.5SE标准值组合：
qk=wk+0.5qEAk
=0.001468+0.5×0.000205
=0.00157MPa
用于挠度计算时，采用Sw标准值： ……5.4.1[JGJ102-2003]
wk=0.001468MPa
2.玻璃的强度计算：
校核依据：σ≤[fg]
θ：玻璃的计算参数；
η：玻璃的折减系数；
qk：作用在玻璃上的荷载组合标准值(MPa)；
b：支撑点间玻璃面板长边边长(mm)；
E：玻璃的弹性模量(MPa)；
t：玻璃厚度(mm)；
θ=qkb4/Et4 ……6.1.2-3[JGJ102-2003]
=0.00157×15504/72000/104
=12.586
按系数θ，查表6.1.2-2[JGJ102-2003]，η=0.95；
σ：玻璃在组合荷载作用下的板中最大应力设计值(MPa)；
q：作用在幕墙玻璃上的荷载组合设计值(MPa)；
b：支撑点间玻璃面板长边边长(mm)；
t：玻璃厚度(mm)；
m：玻璃弯矩系数, 取m=0.1424；
σ=6mqb2η/t2 ……6.1.2[JGJ102-2003]
=6×0.1424×0.002188×15502×0.95/102
=42.667MPa
42.667MPa≤fg=84MPa(钢化玻璃)
玻璃的强度满足要求!
3.玻璃最大挠度校核：
校核依据：
df=ημwkb4/D≤df,lim ……6.1.3-2[JGJ102-2003]
上面公式中：
df：玻璃板挠度计算值(mm)；
η：玻璃的挠度折减系数，按照θ=wkb4/Et4查表，为0.953；
μ：玻璃挠度系数，取μ=0.0186；
wk：风荷载标准值(MPa)
b：支撑点间玻璃面板长边边长(mm)；
D：玻璃的弯曲刚度(N·mm)；
df,lim：许用挠度，取支撑点间玻璃面板长边边长的1/60，为25.833mm；
其中：
D=Et3/(12(1-υ2)) ……6.1.3-1[JGJ102-2003]
上式中：
E：玻璃的弹性模量(MPa)；
t：玻璃的厚度(mm)；
υ：玻璃材料泊松比，为0.2；
D=Et3/(12(1-υ2))
=72000×103/(12×(1-0.22))
=6250000N·mm
df=ημwkb4/D
=0.953×0.0186×0.001468×15504/6250000
=24.031mm
24.031mm≤df,lim=25.833mm(钢化玻璃)
玻璃挠度能满足要求!

五、型钢结构计算
基本参数：
1：计算点标高：100m；
2：型钢总跨度：L=7250mm；
3：分格平均宽度(计算宽度)：B=1500mm；
4：力学模型：多点集中力作用简支梁；
5：型钢材质：Q235；
本处型钢结构按多点集中荷载简支梁模型进行设计计算，受力模型如下：

1.选用型钢的截面特性：
选用材料为：φ120×4 圆钢管；
材料的抗弯强度设计值：f=215MPa；
材料的弹性模量：E=206000MPa；
主力方向惯性矩：I=1980000mm4；
主力方向截面抵抗矩：W=39700mm3
塑性发展系数：γ=1.05；
2.型钢型材受力分析：
(1)垂直于幕墙平面的分布水平地震作用：
qEAk：垂直于幕墙平面的分布水平地震作用(MPa)；
βE：动力放大系数,取5.0；
αmax：水平地震影响系数最大值，取0.16；
Gk：幕墙构件的重力荷载标准值(N)；
A：幕墙平面面积(mm2)；
qEAk=βEαmaxGk/A ……5.3.4[JGJ102-2003]
=5.0×0.16×0.0005
=0.0004MPa
(2)型钢结构受水平荷载集度组合：
用于强度计算时，采用Sw+0.5SE设计值组合： ……5.4.1[JGJ102-2003]
S=1.4wk+0.5×1.3qEAk
=0.002315MPa
用于挠度计算时，采用Sw标准值： ……5.4.1[JGJ102-2003]
Sk=wk
=0.001468MPa
(3)集中荷载值计算：
结构梁上，共有i=4个集中力作用点，下面对这些力分别求值：
Pki：每个集中力的标准值(N)；
Pi：每个集中力的设计值(N)；
Li：每个分格的沿悬臂梁方向的长度(mm)；
Sk：组合荷载标准值(MPa)；
S：组合荷载设计值(MPa)；
B：分格宽度(mm)；
L1=1500mm
L2=1500mm
L3=1500mm
L4=1500mm
L5=1250mm
Pk1=SkBL2/2
=1651.5N
P1=SBL2/2
=2604.375N
Pk4=SkBL4/2
=1651.5N
P4=SBL4/2
=2604.375N
Pk2=SkB(L2+L3)/2
=3303N
P2=SB(L2+L3)/2
=5208.75N
Pk3=SkB(L3+L4)/2
=3303N
P3=SB(L3+L4)/2
=5208.75N
3.弯矩和挠度分析与校核：
(1)力学计算基础：
先要知道单个集中力作用下，梁的受力情况，按《建筑结构静力计算手册》，单个集中力作用下的简支梁的力学分析如下：

下面是计算采用的相关公式：
A：AC段任何一点弯矩：Mx=Pbx/L
B：CB段任何一点弯矩：Mx=Pa(1-ξ)
C：C点弯矩：Mc=Pab/L
D：AC段任何一点挠度：fx=PbL2×(ωDξ-β2ξ)/6EI
E：CB段任何一点挠度：fx=PaL2×(ωDζ-α2ζ)/6EI
在上面的公式中：
(a)：α=a/L
(b)：β=b/L
(c)：ξ=x/L
(d)：ζ=(L-x)/L
(e)：ωDζ=ζ-ζ3
(f)：ωDξ=ξ-ξ3
(2)强度校核：
简支梁在多集中荷载作用下的梁内某点弯矩等于各作用力单独作用下在该点产生的弯矩矢量和，而梁内最大的弯矩将在某个集中力作用点出现，这样，计算时需要分区段分别计算不同力作用下的不同作用点弯矩，然后矢量相加，求得的最大弯矩截面就是需要校核的强度截面，软件采用有限元分析，最后可以求得：
x：最大弯矩作用点到A支座的距离(mm)；
M：最大弯矩计算值(N·mm)；
x=3000mm
M=18724558.2N·mm
按型钢抗弯强度计算公式,应满足：
M/γWnx≤f ……6.2.4[JGJ102-2003]
上式中：
M：型钢绕X轴方向(幕墙平面内方向)的弯矩设计值(N·mm)；
Wnx：型钢绕X轴方向(幕墙平面内方向)的净截面抵抗矩(mm3)；
γ：塑性发展系数，取1.05；
f：材料的抗弯强度设计值，取215MPa。
M/γW=18724558.2/1.05/39700
=449.192MPa>215MPa
型钢抗弯强度不满足要求。
(3)挠度校核：
计算原理与弯矩计算是相同的，但是最大挠度处不一定是某个力的作用点，需要分区段逐点计算，采用有限元算法，可以得到：
x：最大挠度处到A支座的距离(mm)；
df：梁内最大挠度计算值(mm)；
x=3638mm
df=155.497mm
按JGJ102-2003相关规定，梁的最大挠度不应该大于L的1/250，即df,lim=29mm
df=155.497mm>df,lim=29mm
所以，挠度不能满足设计要求！