式中:
σ——荷载和作用产生的截面最大应力;
f——材料强度设计值。
1.4、基本计算公式
(1)场地类别:
--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。
本工程按C类地区计算风压。
(2)风荷载计算(WK)
幕墙属于外围护构件,根据《建筑结构荷载规范》GB50009-2001规定采用风荷载计算公式:
Wk=βgZ·μs·μz·Wo(7.1.1-2)
式中:
Wk——垂直作用在幕墙表面上的风荷载标准值(KN/m2);
βgZ——高度Z处的阵风系数,按照《建筑荷载设计规范(GB50009-2001)》第7.5.1条规定。
根据不同场地类型,按照下列公式计算:
βgZ=K(1+2μf)
其中K为地区粗糙度调整系数,μf为脉动系数。
经简化得:
A类场地:
βgZ=0.92×[1+35-0.072×(Z/10)-0.12];
B类场地:
βgZ=0.89×[1+(Z/10)-0.16];
C类场地:
βgZ=0.85×[1+350.108×(Z/10)-0.22];
D类场地:
βgZ=0.80×[1+350.252×(Z/10)-0.30];
本工程为C类,故取βgZ=0.85×[1+350.108×(Z/10)-0.22]。
μz——风压高度变化系数,按照《建筑荷载设计规范(GB50009-2001)》第7.2.1条规定。
根据不同场地类型,按照下列公式计算:
A类场地:
μz=1.379×(Z/10)0.24;
B类场地:
μz=1.000×(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;
本工程为C类,故取μz=0.616×(Z/10)0.44。
μs——风荷载体型系数,按照《建筑荷载设计规范(GB50009-2001)》第7.3.3条规定大面为-1.2(考虑0.2的内压),檐口、雨蓬、遮阳板等突出构件,取-2.0。
W0——基本风压,按照《建筑荷载设计规范(GB50009-2001)》附表D.4给出的50年一遇的风压采用,北京地区取0.45KN/m2。
(3)水平地震作用(EQ)
根据《玻璃幕墙工程技术规范》第5.3.4条地震作用可采用简化的等效静力计算方法进行计算。
具体计算方法如下:
qEK=βEαmaxGk/A
式中:
qEK—分布水平地震作用标准值KN/m2;
βE—动力放大系数,取5.0;
αmax—水平地震影响系数最大值,按照下述方法取定:
6度(设计基本地震加速度为0.05g);αmax=0.04
7度(设计基本地震加速度为0.1g);αmax=0.08
7度(设计基本地震加速度为0.15g);αmax=0.12
8度(设计基本地震加速度为0.20g);αmax=0.16
8度(设计基本地震加速度为0.30g);αmax=0.24
9度(设计基本地震加速度为0.40g);αmax=0.32
北京设防烈度为8度(0.20g),故取αmax=0.16。
Gk—构件的重力荷载标准值KN;
A—构件所占的平面面积m2。
(4)作用效应组合:
结构设计时,根据构件受力特点,荷载(作用)的情况和产生的应力(内力)方向,选用最不利的组合,作用效应组合设计值应按照下式采用:
s=rGSGk+rwφwSwk+rEφESEk
式中:
SGk—重力荷载作用为永久荷载产生的效应;
Swk、SEk—分别为风荷载、地震作用作为可变荷载和作用产生的效应。
按不同的组合情况,二者可分别作为第一、第二个可变荷载和作用产生的效应;
rG、rw、rE—各效应的分项系数;
φw、φE—分别为风荷载、地震作用的组合系数。
作用的分项系数,按照以下规定采用:
1.一般情况下,永久荷载、风荷载和地震作用的分项系数rG、rw、rE应分别取1.2、1.4和1.3;
2.当永久荷载的效应起控制作用时,其分项系数rG取1.35,此时,参与组合的可变荷载尽为竖向荷载效应。
3.当永久荷载的效应对构件有利时,其分项系数rG取值不应大于1.0。
可变荷载的组合值系数应按下列规定采用:
一般情况下,风荷载的组合值系数φw应取1.0,地震作用的组合值系数φE应取0.5;
2.对水平倒挂玻璃及其框架,可不考虑地震作用效应的组合,风荷载的组合值系数应取φw=1.0(永久荷载的效应不起控制作用时)或0.6(永久荷载的效应起控制作用时)。
3.幕墙构件的挠度验算时,风荷载分项系数和永久荷载的分项系数均取1.0,且不考虑作用效应的组合。
1.5、结构设计所依据的文件及相关规范
(一)设计依据的技术规范和标准
1、《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068-2001
2、气象资料及该工程的地理位置
3、《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003
4、《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133-2001
5、《点支式玻璃幕墙技术规程》CECS127:
2001
6、《建筑幕墙》GB/T21086-2007
7、《建筑幕墙气密、水密、抗风压性能检测方法》GB/T15227-2007
8、《建筑抗震设计规范》GB50011-2001
9、《建筑设计防火规范》GBJ16-87
10、《建筑用硅酮结构密封胶》GB16776-2005
11、《高层民用建筑设计防火规范》GB50045-95(2005年版)
12、《建筑物防雷设计规范》GB50057-94
13、《建筑结构荷载规范》GB50009-2001(2006)
14、《钢结构设计规范》GBJ50017-2003
15、《民用建筑热工设计规范》GB50176-93
16、《公共建筑节能设计标准》GB50189-2005
17、《点支式玻璃幕墙支承装置》JG138-2001
(二)施工、验收依据和标准
1、《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003
2、《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113-2003
3、《金属与石材幕墙工程技术规范》JGJ133-2001
4、《建筑幕墙》GB/T21086-2007
5、《建筑幕墙气密、水密、抗风压性能检测方法》GB/T15227-2007
6、《建筑抗震设计规范》GB50011-2001
7、《建筑设计防火规范》GBJ16
8、《高层民用建筑设计防火规范》GB50045
9、《建筑物防雷设计规范》GB50057
10、《建筑结构荷载规范》GB50009-2001(2006)
11、《钢结构设计规范》GB50017-2003
12、《民用建筑热工设计规范》GB50176-1993
13、《建筑装饰工程施工及验收规范》GB50210-2001
14、《玻璃幕墙工程质量检验标准》JGJ/T139-2001
15、《建筑装饰装修工程质量验收规范》GB50210-2001
16、《建筑工程施工质量验收统一标准》GB50300-2001
17、《钢结构工程施工质量验收规范》GB50205-2001
18、类似工程施工经验资料
19、GB/T19001—ISO9001《质量管理体系要求》及本企业制定的《质量手册》
1.6钢材的强度设计值
钢材牌号
厚度或直径d(mm)
抗拉、抗弯、抗压
抗剪
端面承压
Q235
d≤16
215
125
325
16<d≤40
205
120
40<d≤60
200
115
Q345
d≤16
310
180
400
16<d≤35
295
170
35<d≤50
265
155
50<d≤100
250
145
1.7荷载和作用效应组合
荷载和作用效应按下式进行组合:
S=γGSGk+ψwγwSwk+ψEγESEk……5.4.1[JGJ102-2003]
上式中:
S:
作用效应组合的设计值;
SGk:
重力荷载作为永久荷载产生的效应标准值;
Swk、SEk:
分别为风荷载,地震作用作为可变荷载产生的效应标准值;
γG、γw、γE:
各效应的分项系数;
ψw、ψE:
分别为风荷载,地震作用效应的组合系数。
上面的γG、γw、γE为分项系数,按5.4.2、5.4.3、5.4.4[JGJ102-2003]规定如下:
进行幕墙构件强度、连接件和预埋件承载力计算时:
重力荷载:
γG:
1.2;
风荷载:
γw:
1.4;
地震作用:
γE:
1.3;
进行位移及挠度计算时;
重力荷载:
γG:
1.0;
风荷载:
γw:
1.0;
地震作用:
γE:
1.0;
上式中,风荷载的组合系数ψw为1.0;
地震作用的组合系数ψE为0.5;
(二)钢结构的设计计算
2.1.总体说明
本钢结构,最大标高为58m,地面粗糙度C类,基本风压0.45kN/㎡;基本雪压0.40kN/㎡;抗震设防8度,计算软件采用ANSYS。
2.2.荷载概况
⑴作用在幕墙上的风荷载标准值按下式计算:
Wk=βgZ·μs1·μz·Wo
式中:
Wk-作用在幕墙上的风荷载标准值(KN/m2);
βgZ-考虑瞬时风压的阵风系数;
μs1-局部风压体型系数;
μz-风压高度变化系数;
Wo-基本风压,取0.45KN/m2。
⑵地震作用按下式计算
Qe=βe·αmax·G
式中:
Qe——作用于幕墙平面外水平地震作用(KN);
G——幕墙构件的重量(KN);
αmax——水平地震影响系数最大值8度抗震设计取0.16;
βe——动力放大系数,取5。
⑶荷载分项系数和组合系数的确定
根据《建筑结构荷载规范》(GB50009-2001)及《玻璃幕墙工程技术规范》
之精神,结合本工程的地区地理环境,建筑特点以及幕墙的受力情况,各分项系数和组合系数选择如下:
①强度计算时
分项系数组合系数
重力荷载,γg取1.2
风荷载,γw取1.4风荷载,ψw取1.0
地震作用,γe取1.3地震作用,ψe取0.5(在铝板、石材幕墙计算中取0.6)
温度作用,γt取1.2温度作用,ψt取0.2
②刚度计算时
分项系数组合系数
均按1.0采用风荷载,ψw取1.0
地震作用,ψe取0.5(在铝板、石材幕墙计算中取0.6)
温度作用,ψt取0.2
⑷荷载和作用效应按下式进行组合:
S=γgSg+ψwγwSw+ψeγeSe+ψtγtSt
式中:
S——荷载和作用效应组合后的设计值;
Sg——重力荷载作为永久荷载产生的效应;
Sw,Se,St——分别为风荷载,地震作用和温度作用作为可变荷载和作用产生的效应;
γg,γw,γe,γt——各效应的分项系数;
ψw,ψe,ψt——分别为风荷载,地震作用和温度作用效应的组合系数。
2.3.荷载计算
1)自重荷载标准值
a)钢结构自重由软件自动计算;
b)面材部分计算按GAK=0.5kN/m2
2)风荷载标准值
1、基本信息:
基本风压W0:
0.45KN/m^2
计算处高度Z:
58m
体型系数μs:
1.2
地面粗糙度:
C类
2、计算结果:
风压高度变化系数μz:
经查表7.2.1得:
μz=1.335
阵风系数βgz:
经查表7.5.1得:
βgz=1.698
风荷载标准值Wk:
Wk=βgz×Us×Uz×Wo
=1.698×1.2×1.335×0.45
=1.224KN/m^2
3)地震荷载标准值
1、基本信息:
幕墙自重标准值GAK=0.5KN/m^2
动力放大系数βE=5
地震影响系数最大值αmax=0.16
2、计算结果:
地震荷载标准值qEK:
qEK=βE×αmax×Gk
=5×0.16×0.5
=0.4KN/m^2
3)雪荷载标准值
采光顶体型系数取2.0.
S=2.0*0.4=0.8KN/m2
2.4.工况组合
1)标准值组合
Sk=Wk+qEK+S
=1.224+0.4+0.8
=2.424kN/m2
2)设计值组合
S=1.4Wk+1.3x0.5qEK+S
=1.4*1.224+1.3*0.5*0.4+0.5*1.4*0.8
=2.5336kN/m2
2.5.计算模型
钢结构形式及结构计算模型如下图所示:
2.6.软件单元类型
采用beam188单元类型,可以较真实模拟实际工程情况。
2.7.材料特性
2.8.结果说明
2.8.1刚度计算
由ANSYS软件计算得出,钢结构最大挠度为23.44mm,按《钢结构设计规范》中表A1.1.1中要求允许变形为1/250。
允许变形为15000/250=60mm。
因此,满足设计要求!
详见下图。
2.8.2强度计算
由ANSYS软件计算得出,钢结构最大应力为100.509MPa,此钢结构拉索材质为Q235钢材,允许应力为215Mpa。
因此,满足设计要求!
详见下图。
2.9.支座反力计算
由受力最大工况得出如下支座反力:
(单位NNmmZ方向竖直向上)
NODEFXFYFZMXMYMZ
10.33956E+060.68927E+060.41210E+06
25-0.41239E+060.68664E+060.40685E+06
51-0.72697E+060.37227E+060.41154E+06
77-0.73805E+06-0.38983E+060.42190E+06
103-0.40182E+06-0.69317E+060.41301E+06
1290.31247E+06-0.65964E+060.39593E+06
1550.62126E+06-0.35409E+060.39676E+06
1810.63110E+060.34856E+060.39996E+06
TOTALVALUES
VALUE-0.37485E+060.15926E-050.32580E+070.00000.00000.0000
由支座反力列表可知:
竖向力:
412KN
水平力:
686KN