玻璃幕墙强度计算方法.docx
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玻璃幕墙强度计算方法
合肥学院校区二期1#学生食堂
横隐竖不隐设计计算书
基本参数:
合肥地区
抗震7度设防
Ⅰ.设计依据:
《建筑结构荷载规范》GB50009-2001
《建筑抗震设计规范》GB50011-2001
《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068-2001
《建筑幕墙》JG3035-96
《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003
《玻璃幕墙工程质量检验标准》JGJ/T139-2001
《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133-2001
《建筑制图标准》GB/T50104-2001
《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113-2003
《全玻璃幕墙工程技术规程》DBJ/CT014-2001
《点支式玻璃幕墙工程技术规程》CECS127:
2001
《点支式玻幕墙支承装置》JC1369-2001
《吊挂式玻幕墙支承装置》JC1368-2001
《建筑铝型材基材》GB/T5237.1-2000
《建筑铝型材阳极氧化、着色型材》GB/T5237.2-2000
《建筑铝型材电泳涂漆型材》GB/T5237.3-2000
《建筑铝型材粉末喷涂型材》GB/T5237.4-2000
《建筑铝型材氟碳漆喷涂型材》GB/T5237.5-2000
《玻璃幕墙学性能》GB/T18091-2000
《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
《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》GB3098.5-2000
《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
《焊接结构用耐候钢》GB/T4172-2000
《浮法玻璃》GB11614-1999
《夹层玻璃》GB9962-1999
《钢化玻璃》GB/T9963-1998
《幕墙用钢化玻璃与半钢化玻璃》GB17841-1999
《铝及铝合金轧制板材》GB/T3880-1997
《铝塑复合板》GB/T17748
《干挂天然花山岗石，建筑板材及其不锈钢配件》JC830.1,830.2-1998
《建筑用铝型材、铝板氟碳涂层》JC133-2000
《建筑用安全玻璃防火玻璃》GB15763.1-2001
《混凝土接缝用密封胶》JC/T881-2001
《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
《中空玻璃用弹性密封胶》JC/T486-2001
《天然花岗石建筑板材》GB/T18601-2001
Ⅱ.基本计算公式:
（1）.场地类别划分:
根据地面粗糙度,场地可划分为以下类别:
A类近海面,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;
合肥学院南艳湖校区二期1#学生食堂按C类地区计算风压
（2）.风荷载计算:
幕墙属于薄壁外围护构件，根据《建筑结构荷载规范》GB50009-20017.1.1采用
风荷载计算公式:
Wk=βgz×μz×μs×W0
其中:
Wk---作用在幕墙上的风荷载标准值（kN/m^2）
βgz---瞬时风压的阵风系数,按《建筑结构荷载规范》GB50009-2001取定
根据不同场地类型,按以下公式计算:
βgz=K（1+2μf）
其中K为地区粗糙度调整系数，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）
μz---风压高度变化系数,按《建筑结构荷载规范》GB50009-2001取定,
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
B类场地:
μz=（Z/10）^0.32
C类场地:
μz=0.616×（Z/10）^0.44
D类场地:
μz=0.318×（Z/10）^0.60
本工程属于C类地区,故μz=0.616×（Z/10）^0.44
μs---风荷载体型系数,按《建筑结构荷载规范》GB50009-2001取为：
1.2
W0---基本风压,按全国基本风压图,合肥地区取为0.350kN/m^2
（3）.地震作用计算:
qEAk=βE×αmax×GAK
其中:
qEAk---水平地震作用标准值
βE---动力放大系数,按5.0取定
αmax---水平地震影响系数最大值,按相应设防烈度取定:
6度:
αmax=0.04
7度:
αmax=0.08
8度:
αmax=0.16
9度:
αmax=0.32
合肥设防烈度为7度,故取αmax=0.080
GAK---幕墙构件的自重（N/m^2）
（4）.荷载组合:
结构设计时，根据构件受力特点，荷载或作用的情况和产生的应力（内力）作用方向，选用最不利的组合，荷载和效应组合设计值按下式采用：
γGSG+γwφwSw+γEφESE+γTφTST
各项分别为永久荷载：
重力；可变荷载：
风荷载、温度变化；偶然荷载：
地震
水平荷载标准值:
qk=Wk+0.5qEAk
水平荷载设计值:
q=1.4Wk+0.5×1.3qEAk
荷载和作用效应组合的分项系数,按以下规定采用:
①对永久荷载采用标准值作为代表值，其分项系数满足：
a.当其效应对结构不利时：
对由可变荷载效应控制的组合，取1.2；对有永久荷载效应控制的组合，取1.35
b.当其效应对结构有利时：
一般情况取1.0；对结构倾覆、滑移或是漂浮验算，取0.9
②可变荷载根据设计要求选代表值，其分项系数一般情况取1.4
一、风荷载计算
1、标高为12.000处风荷载计算
（1）.风荷载标准值计算:
Wk:
作用在幕墙上的风荷载标准值（kN/m^2）
βgz:
12.000m高处阵风系数（按C类区计算）:
μf=0.734×（Z/10）^（-0.22）＝0.705
βgz=0.85×（1+2μf）=2.049
μz:
12.000m高处风压高度变化系数（按C类区计算）:
（GB50009-2001）
μz=0.616×（Z/10）^0.44=0.740
风荷载体型系数μs=1.20
Wk=βgz×μz×μs×W0（GB50009-2001）
=2.049×0.740×1.2×0.350
=0.637kN/m^2
因为Wk<=1.0KN/M^2,取Wk=1.000kN/m^2
（2）.风荷载设计值:
W:
风荷载设计值:
kN/m^2
rw:
风荷载作用效应的分项系数：
1.4
按《建筑结构荷载规范》GB50009-20013.2.5规定采用
W=rw×Wk=1.4×1.000=1.400kN/m^2
二、玻璃的选用与校核
玻璃的选用与校核:
（第1处）
本处选用玻璃种类为:
浮法平板玻璃
1.玻璃面积:
B:
该处玻璃幕墙分格宽:
1.200m
H:
该处玻璃幕墙分格高:
1.650m
A:
该处玻璃板块面积:
A=B×H
=1.200×1.650
=1.980m^2
2.玻璃厚度选取:
W:
风荷载标准值:
1.400kN/m^2
A:
玻璃板块面积:
1.980m^2
K3:
玻璃种类调整系数:
1.500
试算:
C=Wk×A×10/3/K3
=1.000×1.980×10/3/1.500
=4.400
T=2×（1+C）^0.5-2
=2×（1+4.400）^0.5-2
=2.648mm
玻璃选取厚度为:
6.0mm
3.该处玻璃板块自重:
GAK:
玻璃板块平均自重（不包括铝框）:
t:
玻璃板块厚度:
6.0mm
玻璃的体积密度为:
25.6（KN/M^3）
BT_L中空玻璃内侧玻璃厚度为:
5.000（mm）
BT_w中空玻璃外侧玻璃厚度为:
6.000（mm）
GAK=25.6×（Bt_L+Bt_w）/1000
=25.6×（5.000+6.000）/1000
=0.282KN/m^2
4.该处垂直于玻璃平面的分布水平地震作用:
αmax:
水平地震影响系数最大值:
0.080
qEAk:
垂直于玻璃平面的分布水平地震作用（kN/m^2）
qEAk=5×αmax×GAK
=5×0.080×0.282
=0.113kN/m^2
rE:
地震作用分项系数:
1.3
qEA:
垂直于玻璃平面的分布水平地震作用设计值（kN/m^2）
qEA=rE×qEAk
=1.3×qEAK
=1.3×0.113
=0.146kN/m^2
5.玻璃的强度计算:
校核依据:
σ≤ｆg=28.000N/mm^2
Wk:
垂直于玻璃平面的风荷载标准值（N/mm^2）
qEK:
垂直于玻璃平面的地震作用标准值（N/mm^2）
σWk:
在垂直于玻璃平面的风荷载作用下玻璃截面的最大应力标准值（N/mm^2）
σEk:
在垂直于玻璃平面的地震作用作用下玻璃截面的最大应力标准值（N/mm^2）
θ:
参数（用于查玻璃板折减系数）
η:
折减系数
a:
玻璃短边边长:
1200.0mm
b:
玻璃长边边长:
1650.0mm
BT_L中空玻璃内侧玻璃厚度为:
5.000（mm）
BT_w中空玻璃外侧玻璃厚度为:
6.000（mm）
ψ:
玻璃板的弯矩系数,按边长比a/b查
表6.1.2-1得:
0.072
Wk1中空玻璃分配到外侧玻璃的风荷载标准值（N/mm^2）
Wk2中空玻璃分配到内侧玻璃的风荷载标准值（N/mm^2）
qEk1中空玻璃分配到外侧玻璃的地震作用标准值（N/mm^2）
qEk2中空玻璃分配到内侧玻璃的地震作用标准值（N/mm^2）
Wk1=1.1×Wk×BT_w^3/（BT_w^3+BT_L^3）=0.697
Wk2=Wk×BT_L^3/（BT_w^3+BT_L^3）=0.367
qEk1=qEk×BT_w^3/（BT_w^3+BT_L^3）=0.061
qEk2=qEk×BT_L^3/（BT_w^3+BT_L^3）=0.051
在垂直于玻璃平面的风荷载和地震作用下玻璃截面的最大应力标准值计算（N/mm^2）
在风荷载作用下外侧玻璃参数θ=Wk1×a^4/（E×t^4）
=15.48
η:
折减系数，按θ=15.48
查6.1.2-2表得:
0.94
在风荷载作用下外侧玻璃最大应力标准值σWk=6×ψ×Wk1×a^2×η/t^2
=11.263N/mm^2
在地震作用下外侧玻璃参数θ=qEK1×a^4/（E×t^4）
=1.37
η:
折减系数，按θ=1.37
查6.1.2-2表得:
1.00
在地震作用下外侧玻璃最大应力标准值σEk=6×ψ×qEk1×a^2×η/t^2
=1.059N/mm^2
σ:
外侧玻璃所受应力:
采用SW+0.5SE组合:
σ=1.4×σWK+0.5×1.3×σEK
=1.4×11.263+0.5×1.3×1.059
=16.457N/mm^2
在风荷载作用下内侧玻璃参数θ=Wk2×a^4/（E×t^4）
=16.89
η:
折减系数，按θ=16.89
查6.1.2-2表得:
0.97
在风荷载作用下内侧玻璃最大应力标准值σWk=6×ψ×Wk1×a^2×η/t^2
=8.867N/mm^2
在地震作用下内侧玻璃参数θ=qEK2×a^4/（E×t^4）
=2.36
η:
折减系数，按θ=2.36
查6.1.2-2表得:
1.00
在地震作用下内侧玻璃最大应力标准值σEk=6×ψ×qEk2×a^2×η/t^2
=1.270N/mm^2
σ:
内侧玻璃所受应力:
采用SW+0.5SE组合:
σ=1.4×σWK+0.5×1.3×σEK
=1.4×8.867+0.5×1.3×1.270
=13.240N/mm^2
中空玻璃最大应力设计值应为内、外侧玻璃最大应力设计值中的大者，为：
16.457N/mm^2
df:
在风荷载标准值作用下挠度最大值（mm）
D:
玻璃的刚度（N.mm）
te:
玻璃等效厚度te=0.95×（Bt_L^3+Bt_w^3）^（1/3）=6.6mm
ν:
泊松比，按JGJ102-20035.2.9条采用，取值为0.20
μ:
挠度系数:
0.007
D=（E×te^3）/12（1-ν^2）
=1827280.47（N.mm）
df=μ×Wk×a^4×η/D
=7.4（mm）
由于玻璃最大应力设计值σ=16.457N/mm^2≤ｆg=28.000N/mm^2
玻璃的强度满足!
由于玻璃的最大挠度df=7.4mm,小于或等于玻璃短边边长的60分之一20.000（mm）
玻璃的挠度满足!
6.玻璃温度应力计算:
校核依据:
σmax≤[σ]=19.500N/mm^2
（1）在年温差变化下,玻璃边缘与边框间挤压在玻璃中产生的
挤压温度应力为:
E:
玻璃的弹性模量:
0.72×10^5N/mm^2
α^t:
玻璃的线膨胀系数:
1.0×10^-5
△Ｔ:
年温度变化差:
61.600℃
c:
玻璃边缘至边框距离,取5mm
dc:
施工偏差,可取:
3mm,按5.4.3选用
b:
玻璃长边边长:
1.650m
在年温差变化下,玻璃边缘与边框间挤压在玻璃中产生的
温度应力为:
σt1=E（a^t×△Ｔ-（2c-dc）/b/1000）
=0.72×△Ｔ-72×（2×5-3）/b
=0.72×61.600-72×（2×5-3）/1.650
=-261.103N/mm^2
计算值为负,挤压应力取为零.
0.000N/mm^2＜19.500N/mm^2
玻璃边缘与边框间挤压温度应力可以满足要求
（2）玻璃中央与边缘温度差产生的温度应力:
μ1:
阴影系数:
按《玻璃幕墙工程技术规范》
JGJ102-96表5.4.4-1得1.000
μ2:
窗帘系数:
按《玻璃幕墙工程技术规范》
JGJ102-96表5.4.4-2得1.000
μ3:
玻璃面积系数:
按《玻璃幕墙工程技术规范》
JGJ102-96表5.4.4-3得1.064
μ4:
边缘温度系数:
按《玻璃幕墙工程技术规范》
JGJ102-96表5.4.4-4得0.400
a:
玻璃线胀系数:
1.0×10^-5
I0:
日照量:
3027.600（KJ/M^2h）
t0:
室外温度-40.000℃
t1:
室内温度40.000℃
Ｔc0:
室外侧玻璃中部温度（依据JGJ113-97附录B计算）;
Ｔc1:
室内侧玻璃中部温度（依据JGJ113-97附录B计算）;
A0:
室外侧玻璃总吸收率;
A1:
室内侧玻璃总吸收率;
α0:
室外侧玻璃的吸收率为0.142
α1:
室内侧玻璃的吸收率为0.122
τ0:
室外侧玻璃的透过率为0.075
τ1:
室内侧玻璃的透过率为0.075
γ0:
室外侧玻璃反射率为0.783
γ1:
室内侧玻璃反射率为0.713
A0=α0×［1+τ0×γ1/（1-γ0×γ1）］（JGJ113-97B.0.3-7）
=0.159
A1=α1×τ0/（1-γ0×γ1）（JGJ113-97B.0.3-8）
=0.021
当中空玻璃空气层厚为:
9mm时
Ｔc0=I0×（0.0147×A0+0.00679×A1）+0.801×t0+0.199×t1（JGJ113-97B.0.3-3）
=-16.569℃
Ｔc1=I0×（0.00679×A0+0.0215×A1）+0.370×t0+0.530×t1（JGJ113-97B.0.3-4）
=11.021℃
因此，中空玻璃中部温度最大值为max（Ｔc0,Ｔc1）=11.021℃
Ｔs:
玻璃边缘部分温度（依据JGJ113-97附录B计算）:
Ｔs=（0.65×t0+0.35×t1）（JGJ113-97B.0.4）
=（0.65×-40.000+0.35×40.000）
=-12.000℃
△t:
玻璃中央部分与边缘部分温度差:
△t=Ｔc-Ｔs
=23.021℃
玻璃中央与边缘温度差产生的温度应力:
σt2=0.74×E×a×μ1×μ2×μ3×μ4×（Ｔc-Ｔs）
=0.74×0.72×10^5×1.0×10^-5×μ1×μ2×μ3×μ4×△t
=5.220N/mm^2
玻璃中央与边缘温度差产生的温度应力可以满足要求
7.玻璃最大面积校核:
Azd:
玻璃的允许最大面积（m^2）
Wk:
风荷载标准值:
1.000kN/m^2
t1:
中空玻璃中较薄玻璃的厚度:
5.0mm
t2:
中空玻璃中较厚玻璃的厚度:
6.0mm
α2:
玻璃种类调整系数:
0.220
A:
计算校核处玻璃板块面积:
1.980m^2
Azd=α2×（t2+t2^2/4）×（1+（t1/t2）^3）/Wk=5.210m^2
A=1.980m^2≤Azd=5.210m^2
可以满足使用要求
三、幕墙玻璃板块结构胶计算:
幕墙玻璃板块结构胶计算:
（第1处）
该处选用结构胶类型为:
DC995
1.按风荷载和自重效应,计算硅酮结构密封胶的宽度:
（1）风载荷作用下结构胶粘结宽度的计算:
Cs1:
风载荷作用下结构胶粘结宽度（mm）
W:
风荷载设计值:
1.400kN/m^2
a:
矩形分格短边长度:
1.200m
f1:
结构胶的短期强度允许值:
0.2N/mm^2
按5.6.3条规定采用
Cs1=（W+0.5×qEA）×a/2/0.2
=（1.400+0.5×0.146）×1.200/2/0.2
=4.42mm取5mm
（2）自重效应胶缝宽度的计算:
Cs2:
自重效应胶缝宽度（mm）
B:
幕墙分格宽:
1.200m
H:
玻璃面板高度:
1.650m
t:
玻璃厚度:
6.0mm
f2:
结构胶的长期强度允许值:
0.01N/mm^2
按5.6.3条规定采用
Cs2=H×B×（Bt_l+Bt_w）×25.6/（H+B）/2/10
=9.78mm取10mm
（3）硅酮结构密封胶的最大计算宽度:
10mm
2.硅酮结构密封胶粘接厚度的计算:
（1）温度变化效应胶缝厚度的计算:
Ts3:
温度变化效应结构胶的粘结厚度:
mm
δ1:
硅酮结构密封胶的温差变位承受能力:
12.5%
△Ｔ:
年温差:
61.6℃
Us:
玻璃板块在年温差作用下玻璃与铝型材相对位移量:
mm
铝型材线膨胀系数:
a1=2.35×10^-5
玻璃线膨胀系数:
a2=1×10^-5
Us=b×△Ｔ×（2.35-1）/100
=1.650×61.600×（2.35-1）/100
=1.372mm
Ts3=Us/（δ1×（2+δ1））^0.5
=1.372/（0.125×（2+0.125））^0.5
=2.7mm
（2）地震作用下胶缝厚度的计算:
Ts4:
地震作用下结构胶的粘结厚度:
mm
H:
玻璃面板高度:
1.650m
θ:
风荷载标准值作用下主体结构的楼层弹性层间位移角限值（rad）:
0.0017
ψ:
胶缝变位折减系数0.650
δ2:
硅酮结构密封胶的变位承受能力，取对应于其受拉应力为0.14N/mm^2时的伸长率:
45.0%
Ts4=θ×H×ψ×1000/（δ2×（2+δ2））^0.5
=0.0017×1.650×0.650×1000/（0.450×（2+0.450））^0.5
=1.7mm
3.胶缝推荐宽度为:
10mm
4.胶缝推荐厚度为:
6mm
5.胶缝强度验算
胶缝选定宽度为:
16mm
胶缝选定厚度为:
8mm
（1）短期荷载和作用在结构胶中产生的拉应力:
Wk:
风荷载设计值:
1.000kN/m^2
a:
矩形分格短边长度:
1.200m
Cs:
结构胶粘结宽度:
16.000mm
σ1=W×a×0.5/Cs
=1.400×1.200×0.5/16.000
=0.053N/mm^2
（2）短期荷载和作用在结构胶中产生的剪应力:
H:
玻璃面板高度:
1.650m
t:
玻璃厚度:
6.0mm
σ2=12.8×H×B×t/Cs/（B+H）/1000
=0.003N/mm^2
（3）短期荷载和作用在结构胶中产生的总应力:
σ=（σ1^2+σ2^2）^0.5
=（0.053^2+0.003^2）^0.5
=0.053N/mm^2≤0.2N/mm^2
结构胶强度可以满足要求
四、幕墙立柱计算:
幕墙立柱计算:
（第1处）
幕墙立柱按双跨梁力学模型进行设计计算：
1.选料:
（1）风荷载线分布最大荷载集度设计值（矩形分布）
qw:
风荷载线分布最大荷载集度设计值（kN/m）
rw:
风荷载作用效应的分项系数：
1.4
Wk:
风荷载标准值:
1.000kN/m^2
B:
幕墙分格宽:
1.200m
qw=1.4×Wk×B
=1.4×1.000×1.200
=1.680kN/m
（2）立柱弯矩:
Mw:
风荷载作用下立柱弯矩（kN.m）
qw:
风荷载线分布最大荷载集度设计值:
1.680（kN/m）
Hsjcg:
立柱计算跨度:
4.500m
Mw=（L1^3+L2^3）/8/（L1+L2）×qw
=（3.750^3+0.750^3）/8/（3.750+0.750）×1.680
=2.481kN·m
qEA:
地震作用设计值（KN/M^2）:
GAk:
玻璃幕墙构件（包括玻璃和框）的平均自重:
500N/m^2
垂直于玻璃幕墙平面的分布水平地震作用:
qEAk:
垂直于玻璃幕墙平面的分布水平地震作用（kN/m^2）
qEAk=5×αmax×GAk
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