幕墙结构设计原理和方法(精)资料.doc

幕墙结构设计原理和方法目录第一节 结构设计原理1第二节 风荷载4第三节 地震作用17第四节 自重和活荷载36第五节 温度变化37第六节 连接计算41第一节 结构设计原理 建筑结构的可靠性直接关系到人民生命财产安全，历来是建筑结构设计必须首先面对和需要审慎解决的重大问题。结构的可靠性是指结构在规定的时间内、在规定的条件下、完成预定功能的能力。结构的可靠度是对结构可靠性的定量描述，即结构在规定的时间内、在规定的条件下、完成预定功能的概率。建筑结构可靠度也是一个国家综合性经济政策问题，实际上是选择一种安全与经济相对的最佳平衡。 结构的设计使用年限是指设计规定的结构或结构构件，不需要进行大修即可按其预定目的使用的时期。设计使用年限是房屋的地基基础和主体结构“合理使用年限”的具体化，实际上它与合理使用年限是等同的含义。 建筑结构可靠度设计统一标准GB50068规定：“结构在规定的设计使用年限内应具有足够的可靠度。结构的可靠度可采用以概率理论为基础的极限状态设计方法分析确定”。结构在规定的设计使用年限内满足以下功能要求： 1.在正常施工和正常使用时，能承受可能出现的各种作用； 2.在正常使用时具有良好的工作性能； 3.在正常维护下具有足够的耐久性； 4.在设计规定的偶然事件发生后，仍然能保持必须的整体稳定性。 结构的设计使用年限如下表： 表1类别设计使用年限（年）示例15临时性结构225易于替换的结构构件350普通房屋和构筑物4100纪念性建筑和特别重的建筑构件 为保证建筑结构具有规定的可靠度，除应进行必要的设计计算外，还应对结构材料性能、施工质量、使用和维护进行相应的控制。 结构可靠度与结构的使用年限长短有关，GB50068所指的结构可靠度，是对结构的设计使用年限而言的，当结构的使用年限超过设计使用年限后，结构失效概率可能较设计预期值要大。 设计基准期是为确定可变作用及与时间有关的材料性能等级取值而选用的时间参数。它不等同于建筑结构的设计使用年限。GB50068所考虑的荷载统计参数，都是按设计基准期为50年确定的。 建筑幕墙是建筑物的外围护构件，它要承受外界施加给它的各种作用。建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068）对结构上的作用给出的定义：“施加在结构上的集中或分布荷载，以及引起结构外加变形或约束变形的原因，均称为结构上的作用”。“引起结构外加变形或约束变形的原因系指地震、基础沉降、温度变化、焊接等作用”。这就是说，作用是指能使结构产生效应（内力、变形、应力、应变、裂缝等）的各种原因的总称，其中包括施加在结构上的集中力和分布力系，以及形成结构外加变形或约束变形的原因。前一种作用是力（包括集中力和分布力）在结构上的集结，就是通常说的荷载。后一种作用（如温度变化、材料的收缩与徐变、地基变形、地震等）不是以力的形式出现的，过去将施加在结构上的作用统称为荷载（国际上也有这个习惯），但荷载这个术语对间接作用并不恰当，它混淆了两种不同的作用，而且容易发生误解，例如将地震作用当作是施加在结构上而与地基和结构本身无关的外力。建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068）将这两类作用分别称为直接作用和间接作用，而荷载仅等同于直接作用，建筑结构荷载规范（GB50009）对直接作用作了规定。间接作用，除地震作用由建筑抗震设计规范（GB50011）作了规定外，其余间接作用暂时还没有相应的规范。第二节 风荷载 风荷载是作用于幕墙上的一种主要直接作用。它垂直作用于幕墙的表面上。幕墙是一种薄壁外围护构件，一块玻璃，一根杆就是一个受力单元，而且质量较轻，在设计时，既需考虑长期使用过程中，在一定时距平均最大风速的风荷载作用下保证其正常功能不受影响；又必须注意到在阵风袭击下不受损坏，避免安全事故。 建设部2002年1月10日以建标200210号通知发布了建筑结构荷载规范（GB500092001），从2002年3月1日起施行。建筑结构荷载规范GB50009规定对垂直于建筑物表面的风荷载标准值，当计算主要承重结构时应按下式计算：WK=ZSZW0 ； （1） 式中：WK风荷载标准值，N/m2； Z高度Z处的风振系数； S风荷载体型系数； Z风压高度变化系数 W0基本风压，N/m2。 当计算围护结构时应按下式公式计算： WK=gzsZW0 （2） 式中 ： gz高度Z处的阵风系数（JGJ102和JGJ133规定取为2 .25）。 S风荷载体型系数(JGJ102和JGJ133规定取为±1.5)； 风荷载的组合值、频遇值和准永久值系数可分别取0.6 、0.4 和 0。一. 基本风压:GB50009规定的基本风压是根据全国气象台站历年来的最大风速纪录，按基本风速的标准要求，将不同风速仪高度和时距的年最大风速，统一换算为离地10m高、自记10min平均年最大风速（m/s）。根据该风速数据（选取最大风速数据，一般应有25年以上的资料；当无法满足时，至少不少于10年的风速资料）经统计分析确定重现期为50年的最大风速，作为当地的基本风速V0。再按伯努力公式：W0=1/2v02确定基本风速。= /g，为空气重力密度，g为重力加速度，以= /g代入W0=/2g*v02。以往国内的风速记录大多数根据风压板的观测结果，刻度所反映的风速，实际上是统一根据标准的空气密度=1.25Kg/m3按上述公式反算而得，因此在按该风速确定风压时，可统一按W0=V02/1600（KN/m2）计算。当前各气象站已积累了根据风杯式自记风速仪记录的10min平均最大风速数据，因此在这次数据处理时基本上是以自记的数据为依据。所以在确定风压时，必须考虑各台站观测当时的空气密度，当缺乏资料时也可参考有关规定采用。GB50009将基本风压的重现期由以往的30年改为50年，这样在标准上将与国外大部份国家取得一致，经修改后各地的风压并不是在原有的基础上提高10%，而是根据新的风速观测数据进行统计分析后重新确定的。对于风荷载比较敏感的高层建筑和高耸建筑，仍要求将基本风压提高10%，这相当于将重现期提高到100年左右。对于围护结构，其重要性与主体结构相比要低些，仍可取50年一遇的基本风压。基本风压应按GB50009规范附录D4附表D.4给出的50年一遇的风压（其中136个城市基本风压见本教材表2）或全国基本风压分布图(见GB50009附图D5.3)采用，但不得低于0.3KN/m2。 全国136个城市基本风压值与基本雪压值 表2序号城市名基本风压W0（Pa）基本雪压S0（Pa）序号城市名基本风压W0（Pa）基本雪压S0（Pa）1北京4504002天津5004003上海5502004重庆40005石家庄3503006邢台3003507张家口5502508承德4003009秦皇岛45025010唐山40035011保定40035012沧州40030013大同55025014太原40035015阳泉40035016临汾40025017包头55025018呼和浩特55040019通辽55030020阜新60040021朝阳55045022锦州60040023鞍山50040024沈阳55050025本溪45055026营口60040027丹东55040028大连65040029四平55035030长春65035031吉林50045032通化50080033齐刘哈尔45040034鹤岗40065035绥化55050036佳木斯65065037哈尔滨55045038牡丹江50060039德州45035040烟台55040041威海65045042济南45030043泰安40035044潍坊40035045青岛60020046衮州40035047莱阳40025048徐州35035049淮阴40040050南京40050051南通45025052常州40035053杭州45045054舟山85050055金华35055056衢州35050057宁波50030058温州60035059蚌埠35045060六安35055061合肥35055062安庆40035063黄山35045064赣州30035065九江35040066景德镇35035067南昌45045068樟树30040069邵武30035070南平35071福州70072龙岩35073厦门80074延安35025075宝鸡35020076西安35025077汉中30020078安康45015079洒泉55030080张掖50010081兰州30015082平凉30025083天水35020084银川65020085格尔本40020086西宁35020087玉树30020088伊宁600100089乌鲁木齐60080090库尔勒45025091哈密70020092安阳45040093新乡40030094三门峡40020095洛阳40035096郑州45040097许昌40040098开封45030099南阳350450100驻马店400450101商邱350450102枣阳400400103恩施300200104宜昌300300105天门300350106武汉350500107黄石350350108岳阳400550109吉首300300110常德400500111衡阳400350112郴州300300113长沙350450114韶关350115梅县300116广州500117汕头800118深圳750119堪江800120桂林300121柳州300122梧州300123南宁350124北海700125海口750126三亚850127绵阳300128成都300100129内江400130涪陵300131遵义300150132贵阳300200133大理650134昆明300135丽江300300136玉溪3002风压高度变化系数：在大气边界层内，风速随离地面高度变化而增大。当气压场随高度不变时，速度随高度增大的规律，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300500m时风速不再受地面粗糙度的影响，也即达到所谓“梯度风速”，该高度称之梯度风高度。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。原规范将地面粗糙度等级由过去的陆、海两类改成A、B、C三类，但随我国建设事业的蓬勃发展，城市房屋的高度和密度日益增大，因此，对大城市中心地区，其粗糙程度也有不同程度的提高。考虑到大多数发达国家，诸如美、英、日等国家的规范，以及国际标准ISO4354和欧洲统一规范EN1991-2-4都将地面粗糙度等级划分为四类，甚至于五类（日本）。为适应当前发展形势，这次修订也将由三类改成四类，其中A、B两类的有关参数不变，C类指有密度建筑群的城市市区，其粗糙度指数由0.2改为0.22，梯度风高度HG仍取400m；新增添的D类，指有密集建筑群且有大量高层建筑的大城市市区，其粗糙度指数取0.3，HG取450m。根据地面粗糙度指数及梯度风高度，即可得出风压变化系数如下： zA=1.379(Z/10)0. 24 (3a) zB=1.000(Z/10)0. 32 (3b) zC=0.616(Z/10)0.44 (3c) zD=0.318(Z/10)0. 60 (3d)在确定城区的粗糙度类别时,若无的实测资料,可按下述原则近似确定：(一) 以拟建房屋为中心，2km为半径的迎风半园影响范围内的房屋高度和密集度来区分粗糙度类别，风向原则上应以该地区最大风的风向为准，但也可取其主导风向；(二) 以半园影响范围内建筑物的平均高度h来划分地面粗糙度类别：当h18m，为D类，9mh18m，为C类，h9m，为B类；(三) 影响范围内不同高度的面域可按下述原则确定，即每座建筑物向外延伸距离为其高度的面域内均为该高度，当不同高度的面域相交时，交叠部分的高度取大者；(四) 平均高度h取各面域面积为权数计算。当直接以高度Z来描述风压高度变化系数时：由 （Z/10）0.24=0.575Z0.24 则 ZA=1.379×0.575Z0.24=0.794Z0.24 (4a)由 (Z/10)0.32=0.479Z0.32 则 uZB=0.479Z0.32 (4b)由 (Z/10)0.44=0.363Z0.44 则 uZC=0.616×0.363Z0.44=0.224Z0.44 (4c)由 (2/10)0.60=0.251Z0.60 则 uZD=0.318×0.251Z0.60=0.08Z0.60 (4d)表3 风压高度变化系数Z 离地面或海平面高度(m) 地面粗糙度类别 A B C D5101520304050607080901001502002503003504004501.171.381.521.631.801.922.032.122.202.272.342.402.642.832.993.123.123.123.121.001.001.141.251.421.561.671.771.861.952.022.092.382.612.802.973.123.123.120.740.740.740.841.001.131.251.351.451.541.621.702.032.302.542.752.943.123.120.620.620.620.620.620.730.840.931.021.111.191.271.611.922.192.452.682.913.12 例1求A类地区高度45m处风压高度变化系数。 解： uZA=1.379*(45/10)0.24=1.988 或 uZA=0.794*450.24=1.98 例2求B类地区高度75m处风压高度变化系数 解： uZB=(75/10)0.32=1. 906 或 uZB=0.479*750.32=1.907例3求C类地区高度125m处风压高度变化系数 解： uZC=0.616*(125/10)0.44=1.87 或 uZA=0.224*1250.44=1.87例4求D类地区高度150m处风压高度变化系数 解： uZD=0.318*(150/10)0.6=1.615 或 uZD=0.08*1500.6=1.617 三风荷载体型系数。 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（或吸力）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的作用下的静压力的分布规律，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。由于涉及的是固体和流体相互作用的流体力学问题，对于不规则形状的固体，问题尤为复杂；无法得出理论上的结果。一般均应由试验确定，鉴于真型的实侧方法对结构设计的不现实性，目前只能采用相似原理，在边界层风洞内对拟建的建筑物模型进行测试。GB50009表7.3.1列出38项不同类型的建筑物和各类结构体型及其体型系数，这些都是根据国内外的试验资料和外国规范中的建议性规定整理而成。当建筑物与表中列出的体型数同时，可按该表的规定采用；当建筑物与表中的体型不同时，可参考有关资料采用；当建筑物与表中的体型不同且无有关资料可以借鉴时，宜由风洞试验确定；对于重要且体型复杂的建筑物应由风洞试验确定。 当建筑群，尤其是高层建筑群，房屋相互间距较近时，由于旋涡的相互干扰，房屋某些部位的局部风压会显著增大，设计时应予注意，对比较重要的高层建筑，在风洞试验中要考虑周围建筑物的干扰因素。验算围护构件及连接的强度时，可按下列规定采用局部风荷载体型系数。1 外表面 1）正压区 按GB50009表7.3.1采用 2）负压区 对墙面取-1.0 对墙角边取-1.8 对屋面局部部位（周边和屋面坡度大于10度的屋脊部位）取-2.2 对檐口、雨蓬、遮阳板等突出构件，取-2.0注：对墙角边和屋面局部部位的作用宽度为房屋宽度的0.1或房屋平均高度的0.4。取其小者，但不小于1.5m2 内表面对封闭式建筑物按外表面风压的正负情况取-0.2或0.2四阵风系数 计算围护结构的风荷载时，阵风系数按下述公式确定：gz=K（1+2f） （5a）式中：K地面粗糙度调整系数。对A、B、C、D四种类型分别取0.92、0.89、0.85、0.80； f脉动系数。f=0.5×351.8（-0.16）（Z/10）- (5b)式中：地面粗糙度指数对应于A、B、C、D四类地貌，分别取0.12、0.16、0.22和0.30。将K、系数代入后，各类地区阵风系数计算公式为：gzA=0.92*(1+2fA) fA=0.387(Z/10)-0.12 (5c) gzB=0.89*(1+2fB) fB=0.5(Z/10)-0.16 (5d) gzC=0.85*(1+2fC) fC=0.734(Z/10)-0.22 (5e) gzD=0.80*(1+2fD) fD=1.2248(Z/10)-0.3 (5f) 根据上海风速实测资料证明了以上取值的可行性。8081年通过在四次台风过程中对上海电视塔20m186m七个高度处瞬时风速和十分钟平均最大风速的观测数据得出阵风系数的近似计算公式： gz=e0.7/ (z/10) (5g) 由此式可算出,在10m、20m、50m、100m及150m处阵风系数为2.01、1.74、1.51、1.38和1.33。 上海金茂大厦根据历年0500m各高程风速资料进行风洞试验得出的设计风荷载和按GB50009计算结果相吻合。 上海金茂大厦设计风荷载与按GB50009计算结果对照表 表4 N/m2层数标高（m）地面粗糙度类别zgzWk风洞试验结果31125.55B2.24711.4837550×2.2471×1.4837×1.5=27502500C1.87531.5652550×1.8753×1.5652×1.5=2422D1.45121.7174550×1.4512×1.7174×1.5=205653213.80B2.66441.4352550×2.6644×1.4352×1.5=31553000C2.37021.4862550×2.3702×1.4862×1.5=2906D1.97721.5820550×1.9772×1.5820×1.5=258182316.10B3.01961.4022550×3.0196×1.4022×1.5=34933500C2.81521.4337550×2.8152×1.4337×1.5=3330D2.52541.4954550×2.5254×1.4954×1.5=311588340.00B3.09081.3962550×3.0908×1.3962×1.5=35604000C2.90691.4245550×2.9069×1.4245×1.5=3416D2.63821.4804550×2.6382×1.4804×1.5=3222 阵风系数gz 表5离地面高度m地面粗糙度类别ABCD51.691.882.303.21101.631.782.102.76151.601.721.992.54201.581.691.922.39301.541.641.832.21401.521.601.772.09501.511.581.732.01601.491.561.691.94 701.481.541.661.89801.471.531.641.85901.471.521.621.81 1001.461.511.601.781501.431.471.541672001.421.441.501.602501.401.421.461.553001.391.411.441.51例5计算A类地区高度45m处阵风系数。 解： fA=0.387×（45/10）-0.12=0.323 gzA=0.92×（1+2×0.323）=1.514例6计算B类地区高度75m处阵风系数。 解： fB=0.5×（75/10）-0.16=0.3622 gzB=0.89×（1+2×0.3622）=1.535例7计算C类地区高度125m处阵风系数。 解： fC=0.734×（125/10）-0.22=0.421 gzC=0.85×（1+2×0.421）=1.5657例8计算D类地区高度150m处阵风系数。 解： fD=1.2248×（150/10）-0.3=0.5435 gzD=0.80×（1+2×0.5435）=1.6689例9 厦门市一建筑幕墙位于滨海大道上，计算高度160m处风荷载标准值。 解: W0=800N/m2 (750×1.1) ZA=1.379×（160/10）0.24=2.6826 fA=0.387×（160/10）-0.12=0.27747 gzA=0.92×（1+2×0.27747）=1.4305墙面区： Wk=1.4305×2.826×(1+0.2)×800=3881N/m2墙角区： Wk=1.4305×2.826×(1.8+0.2)×800=6468N/m2按JGJ102和133规定计算Wk=2.25×2.826×1.5×750×1.1=7869N/m2例10 求上海中心区一幕墙高度220m处风荷载标准值。 解： W0=550N/m2 (550*1.1) ZD=0.318×（220/10）0.6=2.032 （50009） ZC=0.713×（220/10）0.4=2.455（JGJ102） fD=1.2248×（220/10）-0.30=0.4845 gzD=0.80×（1+2×0.4845）=1.5752墙面区： Wk=1.5752×2.032×(1+0.2)×550=2113N/m2墙角区： Wk=1.5752×2.032×(1.8+0.2)×550=3521N/m2按JGJ102和133规定计算Wk=2.25×2.455×1.5×550×1.1=5013N/m2例11 求常州市一幕墙高度90m处风荷载标准值。 解： W0=400N/m2 （350×1.1） ZB=（90/10）0.32=2.02 fB=0.5×（90/10）-0.16=0.3518 gzB=0.89×（1+2×0.3518）=1.5162墙面区： Wk=1.5162×2.02×(1+0.2)×400=1470N/m2墙角区： Wk=1.5162×2.02×(1.8+0.2)×400=2450N/m2按JGJ102和133规定计算Wk=2.25×2.02×1.5×350×1.1=2625N/m2例12 求合肥市一幕墙高度120m处风荷载标准值。 解： W0=350N/m2 (300×1.1) ZC=0.616×（120/10）0.44=1.838 (50009) ZC=0.713×（120/10）0.40=1.926 (JGJ102) fC=0.734×（120/10）-0.22=0.4249 gzC=0.85×（1+2×0.4249）=1.5723墙面区:： Wk=1.5723×1.838×(1+0.2)×350=1214N/m2墙角区： Wk=1.5723×1.838×(1.8+0.2)×350=2023N/m2按JGJ102和133规定计算Wk=2.25×1.926×1.5×300×1.1=2145N/m2第三节 地震作用 一震级和烈度 地震是一种突发性自然灾害，目前科学技术还达不到控制地震发生的水平，但是可以预防和减轻地震灾害。人类在长期与地震灾害的斗争中，积累了丰富的经验，随着科学技术的发展，人们通过地震台站网监测纪录和现场调查，积累了不少地震资料，对这些资料的分析和经验总结，人们对地震作用规律有了初步认识。地震是一种自然现象，地壳中岩层发生断裂或错动，以及火山爆发都可能导致地面发生程度不同的震动，这种现象称为地震。随每次地震强烈程度不同，释放出的能量大小是不同的，所引起的地震灾害也是不同的。地震的强弱在地震工程学中是以震级来表示的，它直接取决于一次地震中所释放出的能量大小，所以每次地震都有一确定的震级。震级是对地震大小的相对度量。GB/T177401999地震震级的规定是地震震级M的测定方法和使用的规定。 地震烈度则是用以描述某一地区地面和建筑物遭受到一次地震影响的强弱程度。显然对于距震中远近不同的地区所受的震害是不同的。一般说来，距震中越远，地震烈度就越低。地震烈度是指地震引起的地面震动及其影响的强弱程度。GB/T177421999中国地震烈度表规定了地震烈度从度到度的在地面上人的感觉、房屋震害程度、其它震害现象、水平向地面峰值加速度、峰值速度的评定指标和使用说明，适用于地震烈度评定。中国地震烈度表见表6。 中国地震烈度表 表6烈度在地面上人的感觉房屋震害程度其它震害现象水平向地面运动震害现象平均震害指数峰值加速度m/s2峰值速度m/s无感室内个别静止中人有感觉室内少数静止中人有感觉门窗轻微作响悬挂物微动室内多数人、室外少数人有感觉，少数人梦中惊醒门窗作响悬挂物明显摆动，器皿作响室内普遍、室外多数人有感觉，多数人梦中惊醒门窗、屋顶，屋架颤动作响，灰土掉落，抹灰出现细小裂缝，有檐瓦掉落，个别屋顶烟囱掉落不稳定器物摇动或翻倒0.31(0.220.44)0.03(0.020.04)多数人站立不稳，少数人惊逃户外损坏墙体出现裂缝，檐瓦掉落，少数屋顶烟囱裂缝、掉落00.10河岸和松软土出现裂缝,饱和砂层出现喷砂冒水;有的独立砖烟囱轻度裂缝0.63(0.450.89)0.06(0.050.09)大多数人惊逃户外，骑自行车的人有感觉，行驶中的汽车驾乘人员有感觉轻度破坏局部破坏，开裂，小修或不需要修理可继续使用0.110.30河岸出现坍方;饱和砂层常见喷砂冒水,松软土地上地裂缝较多;大多数独立砖烟囱中等破坏1.25(0.901.77)0.13(0.100.18)多数人摇晃颠簸行走困难中等破坏结构破坏需要修复才能使用0.310.50干硬土上亦出现裂缝;大多数独立砖烟囱严重破坏;树稍折断;房屋破坏倒致人畜伤亡2.50(1.783.53)0.25(0.190.35)行动的人摔倒严重破坏结构严重破坏，局部倒塌，修复困难0.510.70干硬土上出现许多地方有裂缝;基岩可能出现裂缝、错动;滑坡坍方常见；独立砖烟囱许多倒塌5.0(3.547.07)0.50(0.360.71)骑自行车的人会摔倒，处不稳状态的人会摔离原地，有抛起感大多数倒塌0.710.90山崩和地震断裂出现；基岩石上拱桥破坏；大多数独立砖烟囱从根部破坏或倒毁10.00(7.0814.14)1.00(0.721.41)普遍倒塌0.911.00地震断裂延续很长;大量山崩滑坡地面剧烈变化,山河改观注:表中的数量词：“个别”为10%以下；“少数”为10%50%；“多数”为50%70%；“大多数”为70%90%；“普遍”为90%以上使用说明1 用本标准评定烈度时，度以地面上人的感觉及其它震害现象为主；度以房屋震害和其它震害现象综合考虑为主，人的感觉仅供参考；度以地表震害现象为主。2 在高楼上人的感觉要比地面上室内人的感觉明显，应适当降低评定值。3 表中房屋为未经抗震设计或加固的单层或数层砖混和砖木房屋。相对建筑质量特别差或特别好以及地基特别差或特别好的房屋，可根据具体情况，对表中各烈度相应的震害程度和平均震害指数予以提高或降低。4 平均震害指数可以在调查区域内用普查或随机抽