幕墻知識結(jié)構(gòu)計算要點

1、培訓第一節(jié)、幕墻計算一、荷載作用1、幕墻所承受荷載的分類幕墻所承受的荷載隨時間的變異分類可分為下列三類：荷載，例如結(jié)構(gòu)的自重、靜水壓力、預應力等可變荷載，例如風荷載、屋面活荷載、雪荷載等、施工及檢修荷載偶然荷載，作用、力、撞擊力等2、風荷載標準值的計算： K gz S z 0式中： K 風荷載標準值（N/mm ）；2 gz 陣風系數(shù)。 S 風荷載體形系數(shù)。 z 風壓高度變化系數(shù)。0 基本風壓?；撅L壓0 是根據(jù)各氣象臺來的最大風速，按基本風壓的標準要換算為離地 10m 高，自記 10min求，將不同高度和時次時距的年最大風速公式 1 v 2 確定基本風壓。在建筑平均年最大風速（m/s）。然后根

2、據(jù)02結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范附錄 D 中給出了各個地區(qū)的經(jīng)過換算的基本風壓。在幕墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計中如果無特殊要求，基本風壓取 50 年一遇。風壓高度變化系數(shù) z 主要考慮的是風壓隨著建筑物高度變化的變化。其主要決定兩個，一個是建筑物的高度；另外一個就是地面粗糙度類別，目前建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范考慮了四類地面類別：A 類指近海海面和海島、海岸、湖岸及沙漠地區(qū)；B 類指田野、鄉(xiāng)村、叢林、丘陵以及房屋比較稀疏的鄉(xiāng)鎮(zhèn)和城市郊區(qū)；C 類指有密集建筑群的城市市區(qū)；培訓D 類指有密集建筑群而且房屋較高的城市市區(qū)；風荷載體形系數(shù) S 是指風作用在建筑物表面上所引起的實際壓力或吸力與來流風的速度壓的比值。對于幕墻的體形系數(shù)，正壓按

3、照建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范表 7.3.1 ??；而負壓，對取-1.2，墻角取-2.0。墻角邊指房屋寬度的 0.1 或房屋平均高度的 0.4，取其小者，但不小于 1.5m。陣風系數(shù) gz 是考慮由于風的脈動引起局部風壓瞬時增大，同樣與高度及地面粗糙度類別有關(guān)。它區(qū)別于建筑的系數(shù)。對于表面形狀復雜的幕墻結(jié)構(gòu)或者有風洞實驗資料的工程，應該按照實驗資料進行計算。3、作用：幕墻的計算主要方法為簡化的等效靜力方法，這種方法等同于建筑結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計規(guī)范中的底部剪力法。但是對于某些特殊的幕墻，如幕墻等僅僅用等效的靜力方法以準確分析幕墻在作用下的效應，考慮結(jié)構(gòu)動力特性需要采用時程分析方法既瞬態(tài)分析。彈性時程分析的基本方程如

4、下：mu Cu k u mu g 對于動力分析方法這里不做講解。垂直于幕墻表面的水平作用按照下式計算： E max GKqEKA式中：qEK 垂直于幕墻表面的水平作用標準值）； E 動力放大系數(shù)，取 5； max 水平影響系數(shù)最大值，對于抗震設(shè)防烈度為 6 度的地區(qū)取0.04，7 度的地區(qū)取 0.08（0.12），8 度的地區(qū)取 0.16（0.24）。括號中的數(shù)值是用于基本加速度為 0.15 和 0.3g 的地區(qū)。GK 幕板的重量；平行于幕墻表面的集中水平作用標準值按照下式計算：培訓 E max GKPEK這里主要是計算立柱（豎框）的抗震能力。二、荷載作用效應組合建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計應根據(jù)使用過程中在

5、結(jié)構(gòu)上可能同時出現(xiàn)的荷載，按承載能力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)分別進行荷載（效應）組合，并應根據(jù)下列設(shè)計表達式進行設(shè)計： O S R式中： O 結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)；S 荷載效應組合的設(shè)計值，對于幕墻結(jié)構(gòu)如無特殊要求一般取 1；R結(jié)構(gòu)構(gòu)件抗力的設(shè)計值，。應按照各有關(guān)建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范的規(guī)定確定1、幕墻結(jié)構(gòu)在構(gòu)件承載力極限狀態(tài)時荷載作用效應組合：CASE1、無作用效應組合S G SGK W W SWKCASE2、有作用效應組合S G SGK W W SWK E E SEK上兩式中：S 作用效應組合的設(shè)計值；SGK 荷載效應標準值；SWK 風荷載效應標準值；SEK 作用效應標準值； G 荷載分項系數(shù)； W

6、 風荷載分項系數(shù)； E 作用分項系數(shù)；W 風荷載的組合值系數(shù)；E 作用的組合值系數(shù)；培訓2、幕墻在正常使用狀態(tài)的荷載作用效應組合主要為如下兩種組合：幕墻構(gòu)件在正常使用狀態(tài)下，其構(gòu)件的變形驗算時，一般不考慮作用效應的組合。因的作用效應相對風荷載作用效應較小，一般不單獨進行作用下變形驗算。在風荷載或荷載作用下幕墻的撓度應符合要求，而且在計算時，作用分項系數(shù)取 1.0。三、材料的力學性能幕墻結(jié)構(gòu)在計算時主要需要了解的是幕墻結(jié)構(gòu)常用幾種材料的力學性能。以下就各種材料的力學性能做詳細的闡述：1、玻璃玻璃是典型的脆性材料，其破壞的特征是：幾乎所有的玻璃都是由于拉應力產(chǎn)生的表面裂縫而破碎，一直到破壞為止玻璃

7、的應力應變都呈線性關(guān)系。其中大面強度顧名思義是指玻璃大面上的強度，一般玻璃在荷載作用下都是按照這個強度來校核玻璃的強度。但是由于玻璃的側(cè)面由于經(jīng)過切割、打磨加工而產(chǎn)生應力集中，強度有所降低，因此規(guī)范上有給出了側(cè)面強度，一般側(cè)面強度強度取大面強度的 70%。在驗算玻璃的局部強度、連接強度以及玻璃肋的承載力時會采用玻璃側(cè)面強度設(shè)計值。2、單層鋁合金板單層鋁合金板俗稱鋁單板。主要力學性能如下：牌號試樣狀態(tài)厚度(mm)抗拉強度(N/mm2)抗剪強度(N/mm2)彈性模量 E(N/mm2)泊松比玻璃種類玻璃厚度 t（mm）大面強度(N/mm2)側(cè)面強度(N/mm2)彈性模量 E(N/mm2)泊松比普通玻

8、璃52819. 50.72e50.2浮法玻璃5-122819.515-192417.0202014.0鋼化玻璃5-128458.815-197250.4205941.3培訓3、鋁塑復合板俗稱鋁塑板，由兩邊的鋁合金板與中間聚乙烯層復合而成。主要力學性能如下：4、花崗巖石板花崗巖石板的抗彎強度設(shè)計值，應依據(jù)其彎曲強度實驗的彎曲強度平均值 Fgm 決定，抗彎強度設(shè)計值、抗剪強度設(shè)計值應按下列公式計算：Fg1=Fgm/2.15抗彎強度設(shè)計值 Fg2=Fgm/4.30抗剪強度設(shè)計值當彎曲強度實驗中任一試件彎曲強度實驗值低于 8Mpa 時，該批的花崗巖石板不得用于幕墻?；◢弾r石板的彈性模量為 0.8e5(

9、N/mm2)，泊松比為 0.125。5、鋁合金牌號狀態(tài)厚度(mm)抗拉(N/mm2)抗剪(N/mm2)局部承壓(N/mm2)彈性模量 E (N/mm2)泊松比 6061T4不區(qū)分85.549.61330.70e50.33T6190.5110.51996063T585.549.6120厚度(mm)抗拉強度(N/mm2)抗剪強度(N/mm2)彈性模量 E(N/mm2)泊松比470200.2e50.256廠家提供廠家提供0.3e50.252A11T420.5-2.9129. 575.10.70e50.332.9-10136.579.22A12T420.5-2.9171. 599.52.9-10185

10、.5107.67A04T620.5-2.9273. 0158.42.9-10287.0166.57A09T620.5-2.9273. 0158.42.9-10287.0166.5培訓四、面板的計算1、力學模型面材的計算就是力學中板的計算，力學模型可以根據(jù)板的支撐方式來區(qū)分。幕材常用下幾種力學模型：四邊支撐簡支板、三邊支撐簡支板、對邊支撐簡支板、四點支撐簡支板、三點支撐簡支板、六點支撐簡支板其中：框支承幕墻四邊支承簡支板點式幕墻四點、三點、六點支承簡支板全玻璃幕墻（櫥窗）對邊支承簡支板在某些面材長寬比大于 2 時的四邊支撐簡支板也可以簡化成對邊支撐簡支板來進行計算。2、計算的方法面材的計算可以根

11、據(jù)簡化的力學模型分別采用法和有限單元法來進行計算。對于支承形式和形狀規(guī)則的矩形板可以采用方法來進行計算，而對于支承形式和形狀復雜的板可以采用有限單元法來進行計算。法即采用經(jīng)典公式來進行計算。以下是四邊支承力學模型的彈性小撓度公式。四邊支承簡支板：6 m a 2板的應力：t 2 a 4板的最大撓度： u D上式中：T614081.21616063AT510124.472.215010116.667.6141T610147.785.717210140.081.2163培訓am 彎矩系數(shù)，由玻璃的短邊與長邊的比值，按照玻璃幕墻工程技術(shù)b規(guī)范表 6.1.2-1 選??；a撓度系數(shù)，由玻璃的短邊與長邊之比

12、的比值，按照玻璃幕墻工程b技術(shù)規(guī)范表 6.1.3 選?。籇 玻璃的剛度（N.mm）E t 312 (1 2 )D 但是對于在荷載作用下變形比較大的面材，譬如玻璃、鋁單板、鋁塑板要考慮大變形幾何非線性的影響。當變形較大時玻璃抵抗變形不只是由板的彎曲剛度來抵抗，還要考慮在變形后板的拉伸剛度也對抵抗變形起到很大的貢獻。如下圖所示，在板發(fā)生變形后在兩側(cè)產(chǎn)生平衡力 p，大變形計算中就是考慮了平衡力 p 的影響。因此在幕墻的計算中，對于玻璃、鋁單板、鋁塑板等面材的計算中，都考慮了大變形幾何非線性的影響。上面彈性小撓度公式在考慮大撓度的影響后變成：6 m a 2板的應力：t 2 a 4板的最大撓度： u D

13、式中 為考慮了大變形后的折減系數(shù)。具體取值可以參見玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范（JGJ102-2003）中相關(guān)章節(jié)。如果按照小撓度公式來進行計算的變形會比實際值相差 30%50%。當采用有限單元法來計算時對于大變形的面材同樣要采用大變形幾何非線培訓性來進行計算。因此在選擇有限元來進行計算時必須要了解是否具有非線性的功能。對邊支承簡支板依然采用上面四邊簡支板的計算公式來計算，只是，彎矩系數(shù)和撓度系數(shù)分別取 0.125 和 0.013，并且 a 為跨度。四點支撐玻璃的計算基本形式與四邊支撐相同，但是彎矩系數(shù)和撓度系數(shù)取值不同，見玻璃幕墻規(guī)范。而對于不同支撐方式石板的計算與相同支撐方式的玻璃的計算是一樣的，

14、只是不考慮大變形的影響，因此公式中不考慮折減系數(shù)，并且彎矩系數(shù)、撓度系數(shù)應按照金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范中的有關(guān)內(nèi)容來取值。3、中空及夾層玻璃的荷載分配對于夾層及中空玻璃，在承受風荷載及作用時在計算前必須要進行荷載分配。主要是依據(jù)是材料力學中層合板荷載荷載分配的理論，既所分配的荷載的大小與各層板的彎曲剛度成正比。以夾層玻璃為例，如下圖所示：忽略膠層的作用，則層 1 及層 2 所被分配的荷載 q1 及 q2 分別為：D1D2、D1 D2D1 D2上式中 D1、D2 分別為層 1 和層 2 的彎曲剛度。單板的彎曲剛度 D 按照下式計算：E t 312(1 2 )D 由于層 1 和層 2 的彈性模量

15、 E 及泊松比 是相同的因此，每層玻璃的剛度取決于培訓厚度的立方，既 t 3 。因此可以得到如下關(guān)于厚度 t 來進行分配的公式：t 3t 3 2 。 1 ；t 3t 3t 3t 31212中空玻璃兩塊玻璃之間有氣體層，直接承受荷載的玻璃撓度一般略大于間接承受荷載的玻璃，因此為了安全起見，將直接承受荷載的玻璃再乘以 1.1 的系數(shù)，則，外層直接承受何在的玻璃荷載分配公式變成：t 3 1t 3t 312這就是玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范中夾層及中空玻璃荷載分配公式的來由。4、面板變形的控制框支撐玻璃在風荷載作用下的變形不宜大于其短邊邊長的 1/60；全玻璃幕墻櫥窗玻璃的變形不宜大于其跨度的 1/60；點支

16、撐玻璃的變形不宜大于支撐點間長邊邊長的 1/60；五、立柱及橫梁的計算立柱和橫梁既幕墻中俗稱的豎框及橫框1、立柱橫梁所采用的力學模型立柱的計算模型一般采用的是或雙跨梁，對于特殊的可采用多跨連續(xù)梁。而橫梁一般采用的力學模型為。及雙跨梁的力學模型如下：培訓2、計算的方法及雙跨梁都有經(jīng)典的小撓度線彈性公式來求解在均布荷載 q 作用下最大彎矩及撓度。（1）、彎矩及變形的計算對于及雙跨梁都有經(jīng)典的力學公式如下：在受均布荷載 q 作用下的公式如下：q L2最大彎矩 M MAX85 q L4384 E I最大變形UMAXI 為梁截面的慣性矩。雙跨梁在受均布荷載 q 作用下的公式如下：q (L13 L23 )

17、A 的彎矩 M A8 LO、A、B 三點的支反力分別為：1 q L12q (L13 L25 ) RO L128 L培訓1 q L22q (L13 L25 ) RB L228 LRA q.L (RO RB )圖中 L1 為長跨，則最大變形發(fā)生在 L1 跨上，L1 上的撓度方程為：u(x) 1 .q.x4 4.R .x3 L12.x(4.R q.L1)OO24.EI但是對于多跨連續(xù)梁很難找到公式來進行計算，如果采用力法和位移法手算又特別麻煩，不太適合于工程當中。因此必須要采用應用有限單元法來進行計算。需要注意的是如果想得到詳細的位移分布必須要保證單元劃分時的合理性。對于特殊的梁與梁的連接要注意節(jié)點

18、之間度的傳遞。（2）、承載力的驗算當采用上述的方法計算得到彎矩后，必須要進行拉壓及剪切承載力的驗算。橫梁的驗算：橫梁截面受彎承載力必須符合下式要求：M XMY f WX WY式中：M X 、MY 橫梁繞截面 X 軸及 Y 軸的彎矩設(shè)計值。在幕墻中 X 軸為平行幕墻平面的方向，Y 軸為垂直于幕墻平面的方向。WX 、WY 橫梁截面繞 X 軸、Y 軸的凈截面抵抗矩（抗彎模量）。塑性發(fā)展系數(shù)，取 1.05；f型材抗彎強度設(shè)計值。橫梁截面受剪承載力必須符合下式要求：VY SXVX SY、 f fI X .t X式中：IY .tYVX 、VY 分別為橫梁 X 軸和 Y 軸的剪力設(shè)計值；培訓S X 、SY

19、分別為距形心軸 Y、X 處橫線以外面積對形心軸的面積矩；t X 、tY 分別為對應形心軸 X、Y 處截面的寬度。f型材抗剪強度設(shè)計值。立柱的驗算：立柱不僅僅承受彎矩的作用還承受軸力的作用。軸要由重力產(chǎn)生。如果軸力為壓力，則要驗算立柱的壓彎穩(wěn)定性能，為了避免出現(xiàn)失穩(wěn)，一般是把立柱設(shè)計成軸心受拉構(gòu)件，即立柱的上支點設(shè)為固定鉸，而下端設(shè)為滑動鉸。如下圖所示：則立柱在承受拉力和彎矩作用下，其承載力應符合下式要求：NM fA W式中：N立柱的軸力設(shè)計值； M立柱的彎矩設(shè)計值； A立柱的凈截面面積； W立柱截面的抗彎模量；f型材抗彎強度設(shè)計值；截面塑性發(fā)展系數(shù)，取 1.05。培訓（3）、正常使用狀態(tài)變形的

20、驗算立柱和橫梁在正常使狀態(tài)的變形要求應符合如下：對鋁合金型材，構(gòu)件的撓度應小于跨度的 1/180；對鋼型材，構(gòu)件的撓度應小于跨度的 1/250。3、玻璃肋的計算玻璃肋作為櫥窗玻璃的支撐構(gòu)件起著抵抗面板玻璃所傳遞的荷載。玻璃肋的基本受力模型采用的是力學模型。由于玻璃肋截面為矩形，因此在一定厚度下主要是考核在承載力極限狀態(tài)下的玻璃肋的最小高度，玻璃肋的截面厚度不得小于 12mm。（1）、全玻璃幕墻玻璃肋的截面高度 hr（下圖）可按下列公式計算：r =（3WLh2 /8fgt）1/2r =（3WLh2 /4fgt）1/2（雙肋）（6-3）（6-4）（單肋）式中： r玻璃肋截面高度（mm）w 風荷載設(shè)

21、計值（N/mm2） L兩肋之間的玻璃面板跨度（mm） fg玻璃側(cè)面強度設(shè)計值（N/mm2） t 玻璃肋截面厚度（mm）h玻璃肋上、下支點的距離，即計算跨度（mm）。（2）、 全玻幕墻玻璃肋在風荷載設(shè)計值作用下的應力可按下式計算：=0.75WL h 2 / hr2tfg（6-5）（單肋）培訓=0.375WL h 2 / hr2tfg（雙肋）（6-6）（3）、全玻幕墻玻璃肋在風荷載標準值作用下的撓度 df 可按下式計算：3df =5/32（wkLh4/Ethr ）3df =5/64（wkLh4/Ethr ）式中：wk風荷載標準值(N/mm2) E玻璃彈性模量（N/mm2）（6-7）（6-8）（單肋

22、）（雙肋）在風荷載標準值作用下，玻璃肋的撓度限值 df，lim 宜取其計算跨度 1/200。六、連接節(jié)點的計算1、立柱與主體的連接計算立柱與主體連接主要通過 L 形鋼角碼來連接，如下圖：培訓上圖中鋼角碼與預埋板相焊接，在這個連接中主要計算螺栓、鋼角碼、焊縫的承載能力、豎框局部承壓承載力及預埋件的計算。豎框傳遞給每個鋼角碼的力水平方向為 N、垂直方向為 V，見下圖。（1）、鋼角碼與預埋件焊縫的計算：鋼角碼與預埋件間采用三邊圍焊連接，每個水平焊縫長度為 b,度為 h, 焊腳尺寸 hf，則焊縫的計算厚度為：hE0.7hf豎向焊縫長根據(jù)規(guī)范對圍焊在計算時需在端點減去 hf，則實際計算焊縫的寬度為b0=

23、，鋼角碼及焊縫所圍成的區(qū)域如上圖所示，其中：豎框與鋼角碼連接螺栓距離焊縫形心點距離為；培訓e、ef=b0-b0b0/(2 b0+h)+hf焊縫所圍城區(qū)域的幾何特性為：面積：A= hE(h+2b0)對形心點慣性矩和極慣性矩為: Ix=hhhhE/12+ b0hhhE/2 Iy=2hE(ef-hf)3+ (b-ef)3)/3+hhE(b-ef)2 Ip=Ix+Iy把與豎框連接螺栓點部位所受的反力移到形心點,則形心點所受內(nèi)力為: N=V= Mx=Ve=My=Nef=Mz=Vef=根據(jù)分析認為焊縫最點如圖中 A、B 兩點A 點所受正應力和剪應力分別為：hM2 MY ef N XAI XIY MZ r1

24、I fph2 A 點到形心的距離r1 (e )2 ( )2fB 點所受正應力和剪應力分別為：hM2 MY (b ef )NX AI XIY2r2 2 MV Z 1 2 h hIe fp)2 ( h )2 B 點到形心的距離r 2 (b ef2這里認為剪要由向焊縫承擔焊縫所采用的焊條為 E43 型手工焊條，則角焊縫的抗拉、抗壓和抗剪強度為 160Mpa。因此培訓（2）、鋼角碼根部計算：鋼角碼根部截面形狀為矩形，矩形截面的寬度為鋼角碼的厚度為 t=7mm，長度為 h。則矩形截面的的面積 A=ht截面的抗彎模量 Wx=hht/6把與豎框連接螺栓點部位所受的反力移到根部則鋼角碼根部所受內(nèi)力為：N=N、

25、V=V、M=Ve則截面所受正應力和剪應力分別為： N MAWx VA（3）、與豎框連接的螺栓抗剪承載力的驗算。螺栓所承受的剪力為豎框傳遞給連接件的兩個力 N 及 V 的平方和開根，既：N 2 V 2、豎框局部承壓的計算：豎框壁局部承壓能力為： NBc=dt 總fBc=61213310-3=9.576KN其中：t 總 型材承壓壁的總厚度d螺栓直徑fBc鋁型材承壓強度設(shè)計值當 NBc 大于螺栓所承受的剪力時，豎框壁局部承壓能力滿足要求。、預埋件與主體混凝土連接錨栓的計算預埋件計算面積主要有兩種：1、當有剪力、法向拉力和彎矩共同作用時，按公式（c.0.1-1）和（c.0.1-2）計算，并取二者的較大

26、值A(chǔ)s V/(rvfy)+N/(0.8bfy)+M/(1.3rbfyz)As2 N/(0.8bfy)+M/(0.4rbfyz)（c.0.1-1）（c.0.1-2）2、當有剪力、法向壓力和彎矩共同作用時，按公式（c.0.1-3）和（c.0.1-4）培訓計算，并取二者的較大值A(chǔ)sAs (V-0.3N)/(rvfy)+(M-0.4Nz)/(1.3rbfyz) (M-0.4Nz)/(0.4rbfyz)（c.0.1-3）（c.0.1-4）受拉直錨筋和彎折錨筋的錨固長度應符合下列要求：La=(fys/ft)d同時還需滿足規(guī)范 p88 的其他要求。（6）、后置埋件與主體混凝土連接的計算按后錨固規(guī)范要求計算2、橫梁與立柱連接的計算培訓橫框與豎框連接主要通過螺釘來連接，連接也主要是計算螺釘?shù)目辜舫休d力。假設(shè)橫框傳遞給連接部位的剪力為 V，則根據(jù)螺釘?shù)臄?shù)量及面積可以得到螺釘總的抗剪面積 A，則 V/A 就是螺釘?shù)募羟袘?，從而與許用抗剪強度設(shè)計值相比較就可以