SAP2000有限元 在全玻璃幕墻板塊中開(kāi)窗洞設(shè)計(jì)實(shí)例應(yīng)用

【摘要】本文闡述了sap2000在全玻璃幕墻板塊中開(kāi)窗洞的應(yīng)用，演示了計(jì)算過(guò)程，并在滿(mǎn)足現(xiàn)行玻璃幕墻技術(shù)規(guī)范的情況下，達(dá)到了建筑外觀設(shè)計(jì)的要求。

【關(guān)鍵詞】全玻璃幕墻;荷載工況;荷載組合;撓度;應(yīng)力

全玻璃幕墻具有其優(yōu)良的通透性、重量輕、強(qiáng)度高、造價(jià)低等特點(diǎn)， 在現(xiàn)代大型建筑中廣泛應(yīng)用于寫(xiě)字樓、酒店大廳群樓的外立面幕墻裝飾中。由于全玻璃幕墻板塊一般以建筑層高為整塊板面的高度，板面寬度一般不會(huì)超過(guò)2.5米左右，這就限制了全玻璃幕墻不可能象框架可以任意確定開(kāi)窗位置，那么在無(wú)中央空調(diào)環(huán)境的條件下，會(huì)大大降低工作、生活舒適感， 因此這就要求幕墻設(shè)計(jì)師在不破壞幕墻結(jié)構(gòu)、滿(mǎn)足玻璃幕墻技術(shù)規(guī)范的前提下，進(jìn)行全玻璃板塊中開(kāi)窗洞的設(shè)計(jì)。

北京某大廈裙樓幕墻改造工程案例中，外立面采用了全玻璃幕墻板塊中就必須采用開(kāi)窗洞的設(shè)計(jì)形式，其設(shè)計(jì)如下：

1、工程幕墻計(jì)算條件

工程名稱(chēng)：北京某大廈裙樓幕墻改造工程;工程地點(diǎn)：北京市;建筑物地區(qū)類(lèi)別：C類(lèi);? 抗震設(shè)防烈度：8度（0.2 g）;基本風(fēng)壓：0.45 kN/m2;幕墻計(jì)算標(biāo)高：10.0m。

幕墻形式：坐式全玻璃幕墻，四邊簡(jiǎn)支力學(xué)模型。

（1）風(fēng)荷載的計(jì)算

本工程C類(lèi)場(chǎng)地，按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》（GB 50009-2012）：

Wk=βgz×us1×uz×wo

式中：Wk—作用在幕墻上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN/m2;

Wo—北京市基本風(fēng)壓;

βgz—瞬時(shí)風(fēng)壓陣風(fēng)系數(shù);

g—峰值因子，取2.5;

z—為計(jì)算高度;

I10—10 m高名義湍流度， 取0.23;

α—地面粗糙度指數(shù)，取0.22;

us1—風(fēng)荷載體型系數(shù);

uz —風(fēng)壓高度變化系數(shù);

（2）地震作用的計(jì)算

qEAK=βE×αmax×GAK

式中：qEAK—水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值;

βE—?jiǎng)恿Ψ糯笙禂?shù)，取值5.0;

αmax—平地震影響系數(shù)，取值0.16;

GAK—幕墻構(gòu)件自重KN/m2

2、工程幕墻荷載的計(jì)算

2.1? 幕墻風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值Wk的計(jì)算

幕墻面板在正風(fēng)壓風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算：

Wk =βgz×us1×uz×wo =0.961 （kN/m2）

Wk <1 kN/m2，按《玻璃幕墻技術(shù)規(guī)范》（JGJ102-2003），取 Wk=1 kN/m2。

其中：在此高處風(fēng)壓高度變化系數(shù)

uz=1×（z/1? ）0.44

uz=0.544×（15/10）0.44=0.6502

陣風(fēng)系數(shù)βgz=1+2×g×I10×（z/10）（-α）

βgz=1+2×2.5×0.23×（15/10）-0.22=2.0519

式中： Z—計(jì)算高度;? us1—局部風(fēng)壓體型系數(shù);

按建筑轉(zhuǎn)角位置取體型系數(shù)1.4;封閉式建筑內(nèi)表面局部體型系數(shù)為+0.2;則其局部風(fēng)壓體型系數(shù)為：μs1=1.6

2.2 幕墻水平地震作用的計(jì)算

幕墻面板重按：GAK=0.384 kN/m2

垂直于玻璃幕墻平面的分布水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值可按下式計(jì)算：

qEK=βE×αmax×GAK =0.307（kN/m2）;

3、玻璃板塊開(kāi)窗洞分析計(jì)算

全玻璃幕墻規(guī)格：采用15mm厚鋼化超白玻璃;玻璃板塊高3450mm，板塊寬2250mm;玻璃肋300mm寬后置，在板塊中部位置750mm高處開(kāi)一600×800mm窗洞。

3.1 定義材料：

按玻璃材質(zhì)：彈性模量E（MPa）=0.72×105 、泊松比υ=0.2 、膨脹系數(shù)α（1/℃）=1.0×10-5、重力密度γg （KN/m3）=25.6、幕墻15mm玻璃的強(qiáng)度設(shè)計(jì)值 fg（MPa）≤72 MPa、 許用撓度，取玻璃面板短邊邊長(zhǎng)的1/60，為 df，lim≤37.5mm;

把玻璃板塊定義為薄殼、建虛桿、進(jìn)行約束、分割、剖分、再按6個(gè)有效自由度設(shè)定分析模型等。

3.2 定義荷載模式與工況：

全玻璃幕墻所受力主要荷載模式可定義為：恒載DL、垂直幕墻的地震荷載qEk、迎風(fēng)面水平荷載標(biāo)準(zhǔn)值Wk。

3.3 定義荷載組合：

用于強(qiáng)度計(jì)算時(shí)的荷載組合：荷載組合（QDZH）：1.3DL+1.5Wk+0.65qEk

用于撓度計(jì)算時(shí)的荷載組合：荷載組合（NDZH）： DL+Wk

3.4 全玻璃幕墻面板荷載的施加：

選定建立的玻璃面板，再把上述荷載值，按荷載工況方式分別施加向下重力荷載（DL）、施加Y向風(fēng)荷載（Wk）、施加Y向地震荷載（qEk）在面板上。

3.5全玻璃幕墻的最大位移：

經(jīng)SAP2000分析、計(jì)算：玻璃面板在NDZH下，最大變形位移（撓度）為：11.726mm;? ? ? ? ? Y向：Uy，max= 11.726 mm ≤df，lim =2250/60= 37.5mm。

（最大位移圖）

全玻璃幕墻面板撓度滿(mǎn)足規(guī)范要求！

3.6全玻璃幕墻玻璃面板上所受的最大殼應(yīng)力：

經(jīng)SAP2000分析、計(jì)算：玻璃面板在QDZH下，所受的最大應(yīng)力為：46.789 MPa;? ? ? ? ? 應(yīng)力：fg，max= 46.789 MPa ≤fg=72 MPa。

（最大應(yīng)力圖）

全玻璃面板強(qiáng)度滿(mǎn)足規(guī)范要求！

結(jié)語(yǔ)：

通過(guò)SAP2000在以上案例的分析、計(jì)算，在滿(mǎn)足玻璃幕墻技術(shù)規(guī)范的前提下，完全可以在全玻璃幕墻的板塊中實(shí)施開(kāi)窗洞設(shè)計(jì)，以滿(mǎn)足人們對(duì)工作、生活舒適感的需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范JGJ102-2003》.

[2]《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB50009-2012》.

[3]《建筑結(jié)構(gòu)可靠性設(shè)計(jì)統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)GB50068-2018》.

作者簡(jiǎn)介：

屈錚（1962年12月），男，漢，湖南省長(zhǎng)沙市，工程師，大專(zhuān)，從事建筑幕墻、建筑裝飾裝修設(shè)計(jì)。