某工程玻璃采光顶结构分析

1、某工程玻璃采光顶结构分析蔡建国 冯健 陈耀 曹云峰摘 要：在讨论各种玻璃采光顶支承结构的基础上，首先对由桁架和系杆组成的玻璃采光顶支承结构在各种荷载工况下的结构进行分析，具体分析结构的内力、挠度以及材料的使用效率，并讨论此类结构构件截面的选用；其次，考虑玻璃与支承结构的共同工作，对结果进场整体的分析和比较；最后利用规范公式以及考虑几何非线性的有限元分析两种方法，对带孔采光顶玻璃进行应力和挠度计算，并分析孔边距对于玻璃应力分布影响，可为结构设计提供依据。关键字：采光顶；结构分析；玻璃；共同工作点支承玻璃以良好的通透性和安全性以及优美的建筑表现今年来逐渐为人们所接受，其技术水准也在不断提高，在航站

2、楼、展览馆、商场等公共建筑得到了广泛的应用。点支承玻璃采光板也在一些建筑屋盖中得到运用。采光板主要以大跨空间钢结构作为其支承结构，空间结构的主要特点就是能够充分发挥不同的材料的特性，以适应各种变化的建筑造型需要。由于它受力合理，形体美观，施工方便、快速，在采光顶建筑结构中得到了广泛的应用。1.玻璃采光顶的支承形式玻璃采光顶支承结构一般可分为三类。第一类为刚性支承结构，如单根梁和组合梁，钢桁架或钢网架结构；第二类为柔性支承结构，如索网结构，各种索桁架结构；第三类为了介入刚性和柔性结构之间的半刚性支承结构，如张弦梁结构等。简单的刚性支承结构，如由简单的梁或拱作为抵抗玻璃采光顶外荷载的支承结构，就是

3、利用钢梁的抗弯刚度或钢拱的抗压强度来满足玻璃采光顶的位移限制要求。单杆式支承结构设计与施工较简单，但抗竖线荷载需要较大的截面，在结构跨度不大、需要表现力度美或利用现成的主体刚架支承玻璃时，可以采用这种结构形式。2.结构设计分析2.1工程概况 某工程中庭采光顶支承结构有六榀桁架组成，桁架间距7.5m，高度1.5m,跨度18m，边桁架距支座2.92m，支座均为铰接，如图1所示。2.2荷载玻璃采光顶屋面活荷载标准值为0.50kn/，恒荷载标准值为0.80kn/，工程所在地设防烈度为7度，设计基本地震加速度值为0.010g。风荷载取0.35kn/，地面粗糙度为B类。当采光顶作为主体结构的一部分进行计算

4、，采用公式k=zsz0，其中z为风振系数。而进行采光顶玻璃的分析时，根据工程建筑标准强制性条文（房屋建筑部分）（2002年版），风荷载计算公式为k=gzsz0,其中gz为阵风系数。2.3荷载工况根据承载能力极限状态和正常使用极限状态分为两组荷载组合。承载能力极限状态1）1.2静；2）1.2静+1.4活；3）1.0静+1.4风；4）1.2静+1.4活+0.8风；5）1.4活+0.7活；6）1.2恒+1.4活+0.6×1.4风+1.3地震；7）1.2恒+1.4活-0.6×1.4风+1.3地震9）1.2恒+1.4活-0.6×1.4风-1.3地震。正常使用极限状态10）恒

5、+活；11）恒+活+0.6风+地震；12）恒+活-0.6风+地震；13）恒+活+0.6风-地震；14）恒+活-0.6风-地震。2.4结构分析采用SAO2000软件进行结构计算，计算模型如图1。相对工字形、L型、T型截面。圆管和矩形管截面稳定性较好，不易发生局部失稳，因此本工程采用矩形管和圆管两种截面。在截面积和材料相同的情况下，圆管抗弯刚度又较矩形管大，而且圆管截面没有尖角不易产生集中，所以结构的主要承重构件采用圆管，次要的联系构件采用矩形管。其中桁架间系杆、桁架上弦和边系杆采用矩形管截面，桁架腹杆及桁架下弦杆采用圆形管截面。内力分析结构如表1所示，结构的最大轴力出现在第二榀桁架靠近支座的下弦

6、干，竖向最大变形的出现在工况11下，位移达到30.480mm，是跨度的1/590，满足规范要求。X向的最大位移为5.447mm，Y向的最大位移为2.384mm。分析可知，工况7和工况8 为控制荷载工况。3考虑玻璃共同作用的结构分析目前关于玻璃幕墙的规范有JGJ102-2003玻璃幕墙工程技术规范，其中结构的计算分析并没有考虑玻璃刚度的影响，这将会使理论分析结果与结构的实际受力状况不符合。然而目前玻璃材料在强度、变形性能、抗腐蚀性能等方面都有了很大的发展，且玻璃的热膨胀系数与钢材相近，因此在设计中可以尝试考虑玻璃与其支撑结构的共同工作。在本工程中使用的单层钢化玻璃厚度为16mm，其中密度为2.5

7、×10-6/mm3,玻璃的弹性模量为0.72×105MPa，泊松比为0.20，强度设计值为59MPa，挠度限值为长边边长的1/60.结构内力分析结果如图2所示。由表2与表1分析比较可知，考虑玻璃与结构的共同工作后，杆件中的各最不利内力均有一定的降低，玻璃刚度的贡献对结构的受力是有利的。为了进一步研究玻璃与结果共同工作地规律，玻璃板刚度的贡献指标定义为=u/ug ，其中 u为不考虑玻璃作用的结构内力；ug为考虑玻璃与结构共同工作地结构内力。桁架和节点的编号为见图1，而桁架上、下弦杆件的编号示意图3.本文分别以结构的竖向位移、上弦杆件及下弦杆件的内力为对象，比较了玻璃面板刚度贡

8、献指标，见图4-图8.由图4-图8可以看出；玻璃参与结构工作后，桁架上弦杆件的轴力及其应力比都有较大程度降低，玻璃面板刚度贡献指标在桁架两端较大，跨中处最大，但在轴力变号区段反而出现1的情况；桁架下弦内力以及采光顶面内节点的竖向位移的变化值都很小；各榀桁架的内力和唯一变化规律也基本一致。在设计过程中应考虑比例的贡献，选择性的放弃一些附属结构构件，并减小主体结构构件的截面尺寸，节约材料。但考虑玻璃与结构的共同工作时，还应分析玻璃本身的受力情况。4 玻璃受力分析JGJ102-2003规定，最大应力标准值和最大挠度可按考虑几何非线性的有限元方法计算，页可按规范中的公式计算，玻璃采光顶主要承受垂直于玻

9、璃平面的活荷载和自重作用，因此本文参考规范中风荷载作用下的计算公式，并且利用ANSYS软件对带孔玻璃板在恒载荷活载作用下的应力和挠度状况进行分析，考虑了几何非线性的影响。模型为1.5m×1.8m的四点支承矩形玻璃板，荷载标准值为活载+恒载=1.3Kn/，孔径为36mm,孔边距分别取50，100，150，200，250mm，单层钢化玻璃的厚度为16mm，边空为0.72×105ANSYS分析结构见表3.按规范公式计算结果见表4.由表3可见，孔边的应力集中和玻璃的最大挠度随孔边距增大而减小，且孔边距为100mm比50mm时应力集中下降较多，而当孔边距大于100mm时应力集中下降不

10、大。由表4可见，规范给出的公式计算结果也表明孔边距增大时应力和挠度减小，但是不能指出最大应力和最大挠度发生的位置，页不能反映应力集中地情况，而且数值变化接近于线性，没有能够准确反映处孔边距对应力的影响。通过比较不同孔边距的ANSYS应力云图（图9）可以发现，应力集中发生于方向朝玻璃中央的孔边，且随着孔边距的增长，玻璃板中央的应力逐渐增大，而玻璃四个角部的应力减小，应力集中区随着空的位置移动。如果孔边距过小，则应力集中程度较大，且空靠近边界，易造成沿孔边至边界的玻璃过早被拉断，而孔边距过大，则会造成应力集中区向中央靠拢，各应力集中区过于靠近，孔间的欧力易 拉断。综上，本文认为孔边距取100mm较

11、合适。5结语1）.分析了以桁架为主要承重结构的某工程玻璃采光顶支承结构的内力和挠度状况，并且讨论了这类结构构件截面的选用。分析结果表明，在跨度不大的玻璃采光顶中采用常规刚性支承结构计算简单方便，构件截面简单，用以规模化生产，施工方便。2）.考虑玻璃与结构的共同工作，并对结构进行详细的分析后得出，考虑玻璃的作用，可以一定程度上减小结构的变形和内力，从而减小构件的截面。3）.对于采光顶玻璃的应力和挠度计算，本文参考规范给出的两种方法，即公式法和考虑几何非线性的有限元法。利用ANSYS软件分析了孔边距对于玻璃应力分布的影响，认为100mm是比较合适的孔边距。规范提供的公式计算简便，但不能完全反映孔边距的影响，结果也偏于保守，需要和有限元计算结果进行比较， 。4）.本文对于玻璃的分析并不全面，只考虑了孔边距的影响，实际上，玻璃的受力分析还与孔径、孔边支承条件等有关，并且和金属连接件与支承体的连接状况有关。较精确实用的计算方法还有待进一步综合考虑金属连接件、支承体和带孔玻璃的共同作用而完善。参考文献1 朱奕锋，冯健。点支承玻璃幕墙的柔性支撑体系索桁架J。 工业建筑，2002，32（5）：1-4.2 徐文伟，莫展涛。大跨度玻璃采光顶结构