采光顶设计计算书.doc

采光顶设计计算书1 计算引用的规范、标准及资料1.1 幕墙及采光顶设计规范：铝合金结构设计规范 GB50429-2007玻璃幕墙工程技术规范 JGJ102-2003建筑玻璃应用技术规程 JGJ113-2009建筑玻璃采光顶 JG/T231-20071.2 建筑设计规范：地震震级的规定 GB/T17740-1999钢结构防火涂料 GB14907-2002钢结构设计规范 GB50017-2003高层建筑混凝土结构技术规程 JGJ3-2002高层民用建筑设计防火规范 GB50045-95(2005年版)高处作业吊蓝 GB19155-2003工程抗震术语标准 JGJ/T97-2010混凝土结构后锚固技术规程 JGJ145-2004混凝土结构设计规范 GB50010-2010混凝土用膨胀型、扩孔型建筑锚栓 JG160-2004建筑表面用有机硅防水剂 JC/T902-2002建筑材料放射性核素限量 GB6566-2010建筑防火封堵应用技术规程 CECS154：2003建筑钢结构焊接技术规程 JGJ81-2002建筑工程抗震设防分类标准 GB50223-2008建筑结构荷载规范 GB50009-2001(2006年版、局部修订)建筑结构可靠度设计统一标准 GB50068-2001建筑抗震设计规范 GB50011-2010建筑设计防火规范 GB50016-2006建筑物防雷设计规范 GB50057-2010冷弯薄壁型钢结构技术规范 GB50018-2002民用建筑设计通则 GB50352-20051.3 铝材规范：变形铝及铝合金化学成份 GB/T3190-2008建筑用隔热铝合金型材 JG175-2011建筑用铝型材、铝板氟碳涂层 JG/T133-2000铝合金建筑型材第1部分基材 GB5237.1-2008铝合金建筑型材第2部分阳极氧化、着色型材 GB5237.2-2008铝合金建筑型材第3部分电泳涂漆型材 GB5237.3-2008铝合金建筑型材第4部分粉末喷涂型材 GB5237.4-2008铝合金建筑型材第5部分氟碳漆喷涂型材 GB5237.5-2008铝合金建筑型材第6部分隔热型材 GB5237.6-2004铝及铝合金彩色涂层板、带材 YS/T431-2000一般工业用铝及铝合金板、带材 GB/T3880.13-2006铝型材截面几何参数算法及计算机程序要求 YS/T437-2009有色电泳涂漆铝合金建筑型材 YS/T459-20031.4 玻璃规范：镀膜玻璃 第1部分：阳光控制镀膜玻璃 GB/T18915.1-2002镀膜玻璃 第2部分：低辐射镀膜玻璃 GB/T18915.2-2002防弹玻璃 GB17840-1999平板玻璃 GB11614-2009建筑用安全玻璃 第3部分：夹层玻璃 GB15763.3-2009建筑用安全玻璃 第2部分：钢化玻璃 GB15763.2-2005建筑用安全玻璃 防火玻璃 GB15763.1-2009幕墙用钢化玻璃与半钢化玻璃 GB17841-2008热弯玻璃 JC/T915-2003压花玻璃 JC/T511-2002中空玻璃 GB/T11944-20021.5 钢材规范：建筑结构用冷弯矩形钢管 JG/T178-2005不锈钢棒 GB/T1220-2007不锈钢冷加工钢棒 GB/T4226-2009不锈钢冷轧钢板及钢带 GB/T3280-2007不锈钢热轧钢板及钢带 GB/T4237-2007不锈钢丝 GB/T4240-2009建筑用不锈钢绞线 JG/T200-2007不锈钢小直径无缝钢管 GB/T3090-2000擦窗机 GB19154-2003彩色涂层钢板和钢带 GB/T12754-2006低合金钢焊条 GB/T5118-1995低合金高强度结构钢 GB/T1591-2008建筑幕墙用钢索压管接头 JG/T201-2007耐候结构钢 GB/T4171-2008高碳铬不锈钢丝 YB/T0961997合金结构钢 GB/T3077-1999金属覆盖层钢铁制品热镀锌层技术要求 GB/T13912-2002冷拔异形钢管 GB/T3094-2000碳钢焊条 GB/T5117-1999碳素结构钢 GB/T700-2006碳素结构钢和低合金结构钢热轧薄钢板及钢带GB/T912-2008碳素结构钢和低合金结构钢热轧厚钢板及钢带GB/T3274-2007优质碳素结构钢 GB/T699-19991.6 胶类及密封材料规范：丙烯酸酯建筑密封膏 JC484-2006幕墙玻璃接缝用密封胶 JC/T882-2001彩色涂层钢板用建筑密封胶 JC/T884-2001丁基橡胶防水密封胶粘带 JC/T942-2004干挂石材幕墙用环氧胶粘剂 JC887-2001工业用橡胶板 GB/T5574-1994混凝土建筑接缝用密封胶 JC/T881-2001建筑窗用弹性密封剂 JC485-2007建筑密封材料试验方法 GB/T13477.120-2002建筑用防霉密封胶 JC/T885-2001建筑用硅酮结构密封胶 GB16776-2005建筑用岩棉、矿渣棉绝热制品 GB/T19686-2005建筑用硬质塑料隔热条 JG/T174-2005建筑装饰用天然石材防护剂 JC/T973-2005聚氨酯建筑密封胶 JC/T482-2003聚硫建筑密封胶 JC/T483-2006绝热用岩棉、矿棉及其制品 GB/T11835-2007硫化橡胶或热塑性橡胶撕裂强度的测定 GB/T529-1999石材用建筑密封胶 JC/T883-2001橡胶袖珍硬度计压入硬度试验方法 GB/T531-1999修补用天然橡胶胶粘剂 HG/T3318-2002中空玻璃用弹性密封胶 JC/T486-2001中空玻璃用丁基热熔密封胶 JC/T914-20031.7 五金件规范：封闭型沉头抽芯铆钉 GB/T12616-2004封闭型平圆头抽芯铆钉 GB/T12615-2004紧固件螺栓和螺钉 GB/T5277-1985紧固件公差螺栓、螺钉、螺柱和螺母 GB/T3103.1-2002紧固件机械性能不锈钢螺母 GB/T3098.15-2000紧固件机械性能不锈钢螺栓、螺钉、螺柱 GB/T3098.6-2000紧固件机械性能抽芯铆钉 GB/T3098.19-2004紧固件机械性能螺母、粗牙螺纹 GB/T3098.2-2000紧固件机械性能螺母、细牙螺纹 GB/T3098.4-2000紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱 GB/T3098.1-2010紧固件机械性能自攻螺钉 GB/T3098.5-2000紧固件术语盲铆钉 GB/T3099-2004螺纹紧固件应力截面积和承载面积 GB/T16823.1-1997十字槽盘头螺钉 GB/T818-2000地弹簧 QB/T2697-2005电动采光排烟窗 JG189-20061.8 相关物理性能等级测试方法：玻璃幕墙工程质量检验标准 JGJ/T139-2001玻璃幕墙光学性能 GB/T18091-2000彩色涂层钢板和钢带试验方法 GB/T13448-2006钢结构工程施工质量验收规范 GB50205-2001混凝土结构工程施工质量验收规范 GB50204-2002建筑防水材料老化试验方法 GB/T18244-2000建筑幕墙气密、水密、抗风压性能检测方法 GB/T15227-2007建筑幕墙抗震性能振动台试验方法 GB/T18575-2001建筑幕墙平面内变形性能检测方法 GB/T18250-2000建筑装饰装修工程质量验收规范 GB50210-2001金属材料室温拉伸试验方法 GB/T228-20021.9 建筑结构静力计算手册(第二版)1.10 土建图纸：2 基本参数2.1 采光顶所在地区 绍兴新昌地区；2.2 地面粗糙度分类等级 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类地形考虑。3 采光顶荷载计算3.1 玻璃采光顶的荷载作用说明玻璃采光顶承受的荷载包括：自重、风荷载、雪荷载以及活荷载。(1)自重：包括玻璃、杆件、连接件、附件等的自重，可以按照以下值估算： 当采用单层玻璃时： 取400N/m2； 当采用中空及夹层玻璃时： 取500N/m2； 当采用中空夹层玻璃时： 取600N/m2； 当由于玻璃较厚或龙骨较重，按上面估算不适合的时候，由人工计算给定；本例计算取：0.0005MPa(按假设)；2)风荷载：是垂直作用于采光顶表面的荷载，按GB50009采用； 对于采光顶结构，荷载作用复杂，并且可能有时风压是正，而有时候是负，一定范围内的负压对结构是有利的！因此实际计算的时候要分别考虑并采用其参与组合后的最大值！(3)雪荷载：是指采光顶水平投影面上的雪荷载，按GB50009采用；(4)活荷载：是指采光顶水平投影面上的活荷载，按GB50009采用； 在实际工程中，对上面的几种荷载，考虑最不利组合，且雪荷载与活荷载不同时考虑。分项系数按以下参数取值： 永久荷载分项系数取：g：1.2 风荷载的分项系数取：w：1.4 雪荷载的分项系数取：s：1.4 活荷载的分项系数取：h：1.4 组合值系数为： 永久荷载组合值系数取：g：1.0 风荷载的组合值系数取：w：0.6 雪荷载的组合值系数取：s：0.7 活荷载的组合值系数取：h：0.73.2 风荷载标准值计算按建筑结构荷载规范(GB50009-2001)计算： wk=gzzs1w0 7.1.1-2GB50009-2001 2006年版上式中： wk：作用在采光顶上的风荷载标准值(MPa)； Z：计算点标高：25.5m； gz：瞬时风压的阵风系数； 根据不同场地类型,按以下公式计算(高度不足5m按5m计算)： gz=K(1+2f) 其中K为地面粗糙度调整系数，f为脉动系数 A类场地： gz=0.92×(1+2f) 其中：f=0.387×(Z/10)-0.12 B类场地： gz=0.89×(1+2f) 其中：f=0.5(Z/10)-0.16 C类场地： gz=0.85×(1+2f) 其中：f=0.734(Z/10)-0.22 D类场地： gz=0.80×(1+2f) 其中：f=1.2248(Z/10)-0.3对于C类地形，25.5m高度处瞬时风压的阵风系数： gz=0.85×(1+2×(0.734(Z/10)-0.22)=1.8656 z：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： z=1.379×(Z/10)0.24 当Z>300m时，取Z=300m，当Z<5m时，取Z=5m； B类场地： z=(Z/10)0.32 当Z>350m时，取Z=350m，当Z<10m时，取Z=10m； C类场地： z=0.616×(Z/10)0.44 当Z>400m时，取Z=400m，当Z<15m时，取Z=15m； D类场地： z=0.318×(Z/10)0.60 当Z>450m时，取Z=450m，当Z<30m时，取Z=30m；对于C类地形，25.5m高度处风压高度变化系数： z=0.616×(Z/10)0.44=0.9299s1：局部风压体型系数，根据计算点体型位置选取，并依据实际结构分别考虑其最大和最小两种情况，对本例，分别取0.2、-0.6； 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s1： 一、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 二、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。 对于采光顶屋面等复杂结构由表7.3.1GB50009-2001 2006年版查出，有条件的需要由风洞实验给出。 另注：上述的局部体型系数s1(1)是适用于围护构件的从属面积A小于或等于1m2的情况，当围护构件的从属面积A大于或等于10m2时，局部风压体型系数s1(10)可乘以折减系数0.8，当构件的从属面积小于10m2而大于1m2时，局部风压体型系数s1(A)可按面积的对数线性插值，即： s1(A)=s1(1)+s1(10)-s1(1)logA 考虑到采光顶的特殊性质：该处的建筑结构比较复杂，作为屋面结构又与人们的生命安全密切相关，很难每个工程都做风洞实验，而常规采光结构的风载本身就不大，所以在计算中没有按从属面积进行插值折减，而采用了s1(1)值。 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+：比较大的风荷载体型系数情况下的风荷载标准值； wk-：比较小的风荷载体型系数情况下的风荷载标准值； wk+=gzzs1+w0 =1.8656×0.9299×0.2×0.00045 =0.000156MPa wk-=gzzs1-w0 =1.8656×0.9299×(-0.6)×0.00045 =-0.000468MPa3.3 风荷载设计值计算 w+：比较大的风荷载体型系数情况下的风荷载设计值； w-：比较小的风荷载体型系数情况下的风荷载设计值； wk+：比较大的风荷载体型系数情况下的风荷载标准值； wk-：比较小的风荷载体型系数情况下的风荷载标准值； w+=1.4×wk+ =1.4×0.000156 =0.000218MPa w-=1.4×wk- =1.4×(-0.000468) =-0.000655MPa3.4 雪荷载标准值计算 Sk：作用在采光顶上的雪荷载标准值(MPa) S0：基本雪压，根据现行<<建筑结构荷载规范>>GB50009-2001取值，北京地区50年一遇最大积雪的自重：0.0004MPa. r：屋面积雪分布系数，按表6.2.1GB50009-2001，为1。 根据<<建筑结构荷载规范>>GB50009-2001公式6.1.1屋面雪荷载标准值为： Sk=r×S0 =1×0.0004 =0.0004MPa3.5 雪荷载设计值计算 S：雪荷载设计值(MPa)； S=1.4×Sk =1.4×0.0004 =0.00056MPa3.6 采光顶构件自重荷载设计值 G：采光顶构件自重荷载设计值(MPa)； Gk：采光顶结构平均自重取0.0005MPa； G=1.2×Gk =1.2×0.0005 =0.0006MPa3.7 采光顶坡面活荷载设计值 Q：采光顶坡面活荷载设计值(MPa)； Qk：采光顶坡面活荷载标准值取：0.0005MPa； Q=1.4×Qk =1.4×0.0005 =0.0007MPa4 选取计算荷载组合 雪荷载与活荷载不同时考虑，根据计算点体型位置，风载可能为正、负或0。因为负风压在某些情况下对结构反而是有利的,所以如果绝对值最大的情况是负数状态下产生的，还要计算风载为正(或零)时的情况，需要分别计算两种状态，并以其最危险状态来设计结构及选取材料。4.1 风荷载标准为wk+情况下的荷载组合 在这种取自重、活荷载和风荷载组合： 第一可变荷载为：活荷载 第二可变荷载为：风荷载所以，组合值系数依次为：永久荷载组合值系数取：g：1.0 风荷载的组合值系数取：w：0.6 雪荷载的组合值系数取：s：0 活荷载的组合值系数取：h：1 qA1：该情况下作用在采光顶表面的荷载设计值组合(MPa)； q1：该情况下作用在采光顶表面的荷载设计值组合(MPa)；先取自重和风荷载组合： G+w=0.0006+0.6×0.000218 =0.000731MPa转化为垂直于水平面的荷载： 0.000731/cos5°=0.000734MPa再与活荷载组合，得： qA1=(0.000734+1×0.0007)×cos5° =0.001429MPa4.2 风荷载标准为wk-情况下的荷载组合 在这种取自重、活荷载和风荷载组合： 第一可变荷载为：活荷载 第二可变荷载为：风荷载所以，组合值系数依次为： 永久荷载组合值系数取：g：1.0 风荷载的组合值系数取：w：0.6 雪荷载的组合值系数取：s：0 活荷载的组合值系数取：h：1 qA2：该种情况下作用在采光顶表面的荷载设计值组合(MPa)； q2：该种情况下作用在采光顶表面的荷载设计值组合(MPa)；先取自重和风荷载组合： G+w=0.0006+0.6×(-0.000655) =0.000207MPa转化为垂直于水平面的荷载： 0.000207/cos5°=0.000208MPa再与活荷载组合，得： qA2=(0.000208+1×0.0007)×cos5° =0.000905MPa4.3 极限状态的荷载确定 对比qA1和qA2，可以看到wk+情况下是结构的最不利情况，结构计算应该以此进行。5 单坡采光顶立柱计算基本参数： 1：L=7000mm； 2：=5°； 3：分格宽度：B=1500mm； 4：型材选择： 材料名称：20#工字钢，Q235B； 截面面积A：1391.5mm2； 抗弯矩W：41452mm3； 惯性矩I：1555950mm4； 单坡采光顶的立柱设计计算，受力单元的立柱用斜梁计算简图分析内力，并按压弯构件验算截面强度。计算模型如下：5.1 立柱荷载计算(1)荷载标准值组合：取自重、活荷载和风荷载设计值组合。 qkA：作用在采光顶表面的荷载标准值组合(MPa)； qk：作用在采光顶表面的线荷载标准值组合(N/mm)； B：分格宽度(mm)；先取自重和风荷载组合： Gk+wk=0.0005+0.6×0.000156 =0.000594MPa转化为垂直于水平面的荷载： 0.000594/cos5°=0.000596MPa再与活荷载组合，得： qkA=(0.000596+1×0.0005)×cos5° =0.001092MPa qk=qkA×B =0.001092×1500 =1.638N/mm(2)荷载设计值组合：取自重、活荷载和风荷载设计值组合。 qA：作用在采光顶表面的荷载设计值组合(MPa)； q：作用在采光顶表面的线荷载设计值组合(N/mm)； B：分格宽度(mm)；先取自重和风荷载组合：G+w=0.0006+0.6×0.000218 =0.000731MPa转化为垂直于水平面的荷载： 0.000731/cos5°=0.000734MPa再与活荷载组合，得： qA=(0.000734+1×0.0007)×cos5° =0.001429MPa q=qA×B =0.001429×1500 =2.144N/mm5.2 立柱的强度计算校核依据： =N/A+M/Wf单坡采光顶的最大弯矩在跨中： f：选择的龙骨材料的强度设计值(MPa)； L1：斜梁长度(mm)； ：采光顶与水平面的夹角(度)； NL/2：跨中截面的轴力(N)； ML/2：跨中截面的弯矩(N·mm)； L1=L/cos =3000/0.9962 =3011.4435mm ML/2=qL12/8 =2.144×3011.44352/8 =2430436.244N·mm NL/2=q×L1sin/2 =2.144×3011.4435×0.0872/2 =281.505N A：材料的截面面积(mm2)； W：材料的截面抗弯矩(mm3) ：塑性发展系数： 对于冷弯薄壁型钢龙骨，按冷弯薄壁型钢结构技术规范GB 50018-2002，取1.00；对于热轧型钢龙骨，按JGJ133或JGJ102规范,取1.05； 对于铝合金龙骨，按最新铝合金结构设计规范GB 50429-2007，取1.00； =NL/2/A+ML/2/W =281.505/1391.5+2430436.244/1.00/41452 =58.835MPaf=150MPa(6063-T6)所以，材料的强度满足设计要求！5.3 立柱的挠度计算 df=5qkL14/384EIdf,lim 其中： df：斜梁的挠度计算值(mm)；qk：作用在采光顶表面的线荷载标准值组合(N/mm)； L1：斜梁长度(mm)； E：材料的弹性模量(Mpa)； I：材料的惯性矩(mm4)； df,lim：材料的挠度限值，对钢材取跨度的1/250，对铝材取跨度的1/180； df,lim=L1/180=16.73mm df=5qkL14/384EI =5×1.638×3011.44354/384/70000/1555950 =16.105mm 16.105mm16.73mm所以，挠度满足要求！6 采光顶横梁计算基本参数： 1：横梁跨度：B=1500mm； 2：横梁上分格高：H1=1400mm； 横梁下分格高：H2=1500mm； 3：横梁计算间距：H=1500mm； 4：型材选择： 材料名称：70*3圆管，Q235B； 抗弯矩Wx：3662mm3； 抗弯矩Wy：5763mm3； 惯性矩Ix：115810mm4； 惯性矩Iy：123650mm4；6.1 横梁受力分析(1)横梁在平行于玻璃平面的组合荷载作用下的弯矩(取自重和活荷载组合)： qxk：平行于玻璃平面的线组合荷载标准值(N/mm)； H1：横梁上分格高(mm)； qxk=(Gk+0.7Qk)×H1×sin =(0.0005+0.7×0.0005)×1500×sin =0.111N/mm qx：平行于玻璃平面的线组合荷载设计值(N/mm)； H1：横梁上分格高(mm)； qx=(G+0.7Q)×H1×sin =(0.0006+0.7×0.0007)×1500×sin =0.142N/mm Mx：横梁在平行于玻璃平面的组合荷载作用下的弯矩(N·mm)； B：横梁跨度(mm)； Mx=qxB2/8 =0.142×15002/8 =39937.5N·mm(2)横梁在垂直于玻璃平面的组合荷载作用下的弯矩(取风、自重和活荷载组合)：由于BH，因此在此方向上横框受力是三角形荷载： qkA：作用在采光顶表面的荷载标准值组合(MPa)； qyk：作用在采光顶表面的线荷载标准值组合(N/mm)； B：横梁跨度(mm)； H：横梁计算间距(mm)； qyk=qkAB =0.001092×1500 =1.638N/mm qA：作用在采光顶表面的荷载设计值组合(MPa)； qy：作用在采光顶表面的线荷载设计值组合(N/mm)； qy=qAB =0.001429×1500 =2.144N/mm My：横梁在垂直于玻璃平面的组合荷载作用下的弯矩(N·mm)； B：横梁跨度(mm)； My=qyB2/12 =2.144×15002/12 =402000N·mm6.2 横梁的抗弯强度计算按横梁抗弯强度计算公式，应满足： Mx/xWnx+My/yWnyf 6.2.4JGJ102-2003上式中： Mx：横梁绕X轴方向的弯矩设计值(N·mm)； My：横梁绕Y轴方向的弯矩设计值(N·mm)； Wnx：横梁绕X轴方向的净截面抵抗矩(mm3)； Wny：横梁绕Y轴方向的净截面抵抗矩(mm3)； x，y：塑性发展系数： 对于冷弯薄壁型钢龙骨，按冷弯薄壁型钢结构技术规范GB 50018-2002，取1.00；对于热轧型钢龙骨，按JGJ133或JGJ102规范,取1.05； 对于铝合金龙骨，按最新铝合金结构设计规范GB 50429-2007，取1.00； f：型材的抗弯强度设计值，取150MPa。 Mx/xWnx+My/yWny=39937.5/1.00/3662+402000/1.00/5763 =80.661MPa150MPa横梁抗弯强度满足要求。6.3 横梁的挠度计算(1)横梁在平行于采光顶表面方向的挠度计算： dfx：横梁在平行于采光顶表面方向的挠度计算值(mm)； E：型材的弹性模量(MPa)，取70000MPa； Ix：绕X轴惯性矩(mm4)； dfx=5qxkB4/384EIx =5×0.111×15004/384/70000/115810 =0.903mm(2)横梁在垂直于采光顶表面方向的挠度计算： dfy：横梁在垂直于采光顶表面方向的挠度计算值(mm)； E：型材的弹性模量(MPa)，对取70000MPa； Iy：绕Y轴惯性矩(mm4)； dfy=qykB4/120EIy =1.638×15004/120/70000/123650 =7.984mm df,lim：按规范要求，横梁的挠度限值(mm)； 按相关规范，钢材横梁的相对挠度不应大于L/250，铝材横梁的相对挠度不应大于L/180； df,lim=B/180=1500/180=8.333mm因此： 横梁在平行于采光顶表面方向的挠度满足规范要求； 横梁在垂直于采光顶表面方向的挠度满足规范要求；7 采光顶玻璃的计算基本参数： 1：计算点标高：3m； 2：板面尺寸：宽×高=B×H=1400mm×1500mm； 3：玻璃配置：夹层玻璃：6 +6 mm； 4：玻璃形式：四边简支；模型简图为：7.1 玻璃板块荷载计算(1)外片玻璃自重荷