某工程玻璃采光顶结构分析

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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

2、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

3、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

4、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，采用公式ωk=βzμsμzω0，其中βz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ωk=βgzμsμzω0,其中βgz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。2.3.1承载能力极限状态1）1.2静；2）1

5、.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。2.3.2正常使用极限状态10）恒+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

6、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

7、知，工况7和工况8为控制荷载工况。结构各杆件的应力不入土2.最大应力比为0.836，这表示杆件对强度的利用达到83.6%，可见这些会首先进入塑性阶段。由图2可知，桁架杆的应力比斗稍大，特别是下弦杆的应力比都大于0.5.但大部分小于0.8，说明桁架杆的材料利用较为充分，这是较为合理的。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

8、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2.5×10-6㎏/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.