屋顶天窗强度计算.docx
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屋顶天窗强度计算
豪景苑售楼处屋顶天窗
设计计算书
设计：
沈龙
校对：
董家林
审核：
夏良龙
批准：
陈楠
二〇一〇年七月十四日
屋顶天窗设计计算书
11计算引用的规范、标准及资料
11.1幕墙设计规范：
《铝合金结构设计规范》GB50429-2007
《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003
《点支式玻璃幕墙工程技术规程》CECS127-2001
《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
《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113-2003
《建筑幕墙》GB/T21086-2007
《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133-2001
《建筑玻璃屋顶天窗》JG/T231-2007
11.2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/T97-95
《混凝土结构后锚固技术规程》JGJ145-2004
《混凝土结构设计规范》GB50010-2002
《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》GB6566-2001
《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》GB50011-2001（2008年版）
《建筑设计防火规范》GB50016-2006
《建筑物防雷设计规范》GB50057-94（2000年版）
《冷弯薄壁型钢结构设计规范》GB50018-2002
《民用建筑设计通则》GB50352-2005
11.3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-穿条式》JG/T175-2005
《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/T3880.1～3-2006
《铝型材截面几何参数算法及计算机程序要求》YS/T437-2000
《有色电泳涂漆铝合金建筑型材》YS/T459-2003
11.4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
《浮法玻璃》GB11614-1999
《夹层玻璃》GB/T9962-1999
《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》GB15763.1-2001
《幕墙用钢化玻璃与半钢化玻璃》GB17841-2008
《普通平板玻璃》GB4871-1995
《热弯玻璃》JC/T915-2003
《压花玻璃》JC/T511-2002
《中空玻璃》GB/T11944-2002
《着色玻璃》GB/T18701-2002
11.5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/T4226-1984
《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/T4240-93
《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/T096—1997
《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/T699-1999
11.6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/T13477.1～20-2002
《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/T914-2003
11.7门窗及五金件规范：
《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/T3098.1-2000
《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》JG189-2006
11.8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
《建筑装饰装修工程施工质量验收规范》GB50210-2001
《金属材料室温拉伸试验方法》GB/T228-2002
11.9《建筑结构静力计算手册》（第二版）
11.10土建图纸：
12基本参数
12.1幕墙所在地区：
上海地区；
12.2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D类地形考虑。
13屋顶天窗荷载计算
13.1玻璃屋顶天窗的荷载作用说明：
玻璃屋顶天窗承受的荷载包括：
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：
0.0013MPa（人工给定）；
（2）风荷载：
是垂直作用于屋顶天窗表面的荷载，按GB50009采用；
对于屋顶天窗结构，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：
是指屋顶天窗水平投影面上的雪荷载，按GB50009采用；
（4）活荷载：
是指屋顶天窗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：
γg：
1.2
风荷载的分项系数取：
γw：
1.4
雪荷载的分项系数取：
γs：
1.4
活荷载的分项系数取：
γh：
1.4
组合值系数为：
永久荷载组合值系数取：
ψg：
1.0
风荷载的组合值系数取：
ψw：
0.6
雪荷载的组合值系数取：
ψs：
0.7
活荷载的组合值系数取：
ψh：
0.7
13.2风荷载标准值计算：
按建筑结构荷载规范（GB50009-2001）计算：
wk=βgzμzμs1w0……7.1.1-2[GB50009-20012006年版]
上式中：
wk：
作用在屋顶天窗上的风荷载标准值（MPa）；
Z：
计算点标高：
10m；
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（高度不足5m按5m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D类地形，10m高度处瞬时风压的阵风系数：
βgz=0.80×（1+2×（1.2248（Z/10）-0.3））=2.7597
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D类地形，10m高度处风压高度变化系数：
μz=0.318×（Z/10）0.60=0.6148
μs1：
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、-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μs1：
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。
对于屋顶天窗屋面等复杂结构由表7.3.1[GB50009-20012006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μs1
（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μs1（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μs1（A）可按面积的对数线性插值，即：
μs1（A）=μs1
（1）+[μs1（10）-μs1
（1）]logA
考虑到屋顶天窗的特殊性质：
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μs1
（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，上海地区取0.00055MPa；
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+=βgzμzμs1+w0
=2.7597×0.6148×0×0.00055
=0MPa
wk-=βgzμzμs1-w0
=2.7597×0.6148×（-0.6）×0.00055
=-0.00056MPa
13.3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
=0MPa
w-=1.4×wk-
=1.4×（-0.00056）
=-0.000784MPa
13.4雪荷载标准值计算：
Sk：
作用在屋顶天窗上的雪荷载标准值（MPa）
S0：
基本雪压，根据现行<<建筑结构荷载规范>>GB50009-2001取值，上海地区50年一遇最大积雪的自重：
0.0002MPa.
μr：
屋面积雪分布系数，按表6.2.1[GB50009-2001]，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=μr×S0
=1×0.0002
=0.0002MPa
13.5雪荷载设计值计算：
S：
雪荷载设计值（MPa）；
S=1.4×Sk
=1.4×0.0002
=0.00028MPa
13.6屋顶天窗构件自重荷载设计值：
G：
屋顶天窗构件自重荷载设计值（MPa）；
Gk：
屋顶天窗结构平均自重取0.0013MPa；
G=1.2×Gk
=1.2×0.0013
=0.00156MPa
13.7屋顶天窗坡面活荷载设计值：
Q：
屋顶天窗坡面活荷载设计值（MPa）；
Qk：
屋顶天窗坡面活荷载标准值取：
0.002MPa；
Q=1.4×Qk
=1.4×0.002
=0.0028MPa
14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。
14.1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：
ψg：
1.0
风荷载的组合值系数取：
ψw：
0.6
雪荷载的组合值系数取：
ψs：
0
活荷载的组合值系数取：
ψh：
1
qA1：
该情况下作用在屋顶天窗表面的荷载设计值组合（MPa）；
q1：
该情况下作用在屋顶天窗表面的荷载设计值组合（MPa）；
先取自重和风荷载组合：
G+w=0.00156+0.6×0
=0.00156MPa
转化为垂直于水平面的荷载：
0.00156/cos1°=0.00156MPa
再与活荷载组合，得：
qA1=0.00156+1×0.0028
=0.00436MPa
14.2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：
ψg：
1.0
风荷载的组合值系数取：
ψw：
0.6
雪荷载的组合值系数取：
ψs：
0
活荷载的组合值系数取：
ψh：
1
qA2：
该种情况下作用在屋顶天窗表面的荷载设计值组合（MPa）；
q2：
该种情况下作用在屋顶天窗表面的荷载设计值组合（MPa）；
先取自重和风荷载组合：
G+w=0.00156+0.6×（-0.000784）
=0.00109MPa
转化为垂直于水平面的荷载：
0.00109/cos1°=0.00109MPa
再与活荷载组合，得：
qA2=0.00109+1×0.0028
=0.00389MPa
14.3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。
15双坡屋顶天窗杆件计算
基本参数：
1：
L=8950mm；
2：
α=1°；
3：
分格宽度：
B=1580mm；
双坡屋顶天窗的杆件设计计算，用直线三铰拱计算简图分析内力，并按压弯构件验算截面强度。
计算模型如下：
15.1杆件荷载计算：
计算取自重、活荷载和风荷载设计值组合。
qA：
作用在屋顶天窗表面的荷载设计值组合（MPa）；
q：
作用在屋顶天窗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=0.00156+0.6×0
=0.00156MPa
转化为垂直于水平面的荷载：
0.00156/cos1°=0.00156MPa
再与活荷载组合，得：
qA=0.00156+1×0.0028
=0.00436MPa
q=qA×B
=0.00436×1580
=6.889N/mm
15.2杆件的强度计算：
校核依据：
σ=N/A+M/γW≤f
双坡屋顶天窗的最大弯矩在总跨长的四分之一处：
h：
拱高（mm）；
L：
屋顶天窗的总跨度（mm）；
α：
屋顶天窗与水平面的夹角（度）；
h=L/2×tanα
=8950/2×tan1°
=78.072mm
Mc0：
跨中弯矩（N·mm）；
H：
推力（N）；
Mc0=qL2/8
=6.889×89502/8
=68978265.312N·mm
H=Mc0/h
=68978265.312/78.072
=883521.177N
验算截面处的受力分析：
M0.25L0：
代梁弯矩（N·mm）；
M0.25L：
验算截面的弯矩（N·mm）；
V0.25L0：
验算截面的代梁剪力（N）；
N0.25L：
验算截面轴力（N）；
Y0.25L：
验算截面处与A（B）点的垂直高度（mm）；
Y0.25L=h/2=78.072/2=39.036mm
M0.25L0=qL2/8×（1-0.25）
=6.889×89502/8×0.75
=51733698.984N·mm
M0.25L=M0.25L0-HY0.25L
=51733698.984-883521.177×39.036
=17244566.319N·mm
V0.25L0=qL/2×（1-2×0.25）
=6.889×8950/2×0.5
=15414.138N
N0.25L=-V0.25L0sinα-Hcosα
=-15414.138×0.017-883521.177×1
=-883783.217N
σ：
计算截面的强度计算值（MPa）；
f：
选择的龙骨材料的强度设计值（MPa）；
A：
选取材料的截面面积（mm2）；
W：
选取材料的截面抗弯矩（mm3）；
γ：
塑性发展系数：
对于钢材龙骨，参照JGJ133或JGJ102规范,取1.05；
对于铝合金龙骨，参照最新《铝合金结构设计规范》GB50429-2007，取1.00；
σ=N0.25L/A+M0.25L/γW
=883783.217/6058.2+17244566.319/1.05/407528
=186.182MPa≤f=215MPa（Q235）
所以，材料的强度满足设计要求！
16屋顶天窗玻璃的计算
基本参数：
1：
计算点标高：
10m；
2：
板面尺寸：
宽×高=B×H=1500mm×1580mm；
3：
玻璃配置：
中空、内夹层玻璃：
6+6+PVB+6mm；
4：
玻璃形式：
中空、内夹层；
模型简图为：
16.1玻璃板块荷载计算：
（1）外片玻璃自重荷载标准值：
GAk1：
外片玻璃自重标准值（仅指玻璃）（MPa）；
t1：
外片玻璃厚度（mm）；
γg：
玻璃的体积密度（N/mm3）；
GAk1=γg×t1
=0.0000256×6
=0.000154MPa
（2）外片玻璃自重荷载设计值：
GA1：
外片玻璃自重设计值（仅指玻璃）（MPa）；
GAk1：
外片玻璃自重标准值（仅指玻璃）（MPa）；
GA1=1.2×GAk1
=1.2×0.000
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