钢玻混合结构采光顶的设计

钢--玻混合结构采光顶的设计Steel-glassmixedstructureinskylightdesign摘要：本文以深圳某采光顶工程为例，介绍混合结构在采光顶中的运用。Abstract:ThearticleutilizesaShenzhenskylightProjectasanexample,introducestheapplicationinskylightdesignofsteel-glassmixedstructure.关键词：钢――玻混合结构，钢—－索混合结构Keywords:steel-glassmixedstructure,steel-cablemixedstructure一、前言随着玻璃制造、建筑结构的发展，天窗逐渐演变成了采光顶，它打破了传统的屋面结构，用钢骨架及镶嵌其间的玻璃构成屋面。采光顶除了具有传统天窗的采光性能，更将由屋面确定的内部与外部空间明晰的界限打破，使内部与外部的分界转变为动态的开放的空间，把房屋向蓝天白云“敞开”，当采光顶与侧面的玻璃幕墙衔接时，则更犹如拓展了建筑空间和居者的视野。正是这种良好的建筑效果，得到了建筑师的青睐，使采光顶在实际工程中得到了越来越多的应用。为了使上述效果得到极至的发挥，笔者在深圳某商场设计了一座钢――玻混合结构的采光顶。这里所说的混合结构具有两重含义：一是就采光顶整体而言，除屋面为玻璃外，次要受力构件（类同于一般屋面的檩条或玻璃幕墙的横梁）亦采用了玻璃;而屋面主要受力部件采用了钢结构，从而构成了钢——玻混和受力的屋面结构。二是就屋面主要受力部件的钢结构而言，又系用了钢——索共同工作的混合结构。这种结构造成的最终效果从照片1中可见一斑！照片1这种屋面的具体构造如图1。图1屋面构造图下面仅以本工程为实例，对其设计做一简单的介绍：二、玻璃屋面的设计1、面玻璃的设计本工程面玻璃按四边简支板设计，即一边支承在钢主梁上，另三边分别支承在主、次玻璃肋上。其计算简图见下图2-1。根据《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113-2003的相关条文的规定，设计中，采用了弹性力学的方法，按大挠度理论对其应力及变形进行了分析。其承受的荷载及分项系数见下表：荷载类型序号名称标准值组合系数分项系数均布荷载①恒载0.7kN/m2-1.2（1.0）②活载0.5kN/m20.71.4③风载-1.0kN/m20.61.4④地震作用±0.266kN/m20.51.3集中荷载⑤活载1.1kN0.71.4说明：1.集中荷载作用在玻璃中心点直径150mm范围内。2.（）内数值用于恒载有利的情况下。3.恒载仅为玻璃自重，下文玻璃肋计算及钢骨架计算中包含了其自身自重。由于按大挠度理论进行分析,对各工况组合作用的情况,不适于采用效应组合。因此，计算时，我们采用了荷载组合后再行分析。具体组合如下：荷载组合标准值设计值组合一①+②1.2kN/m21.54kN/m2组合二①+③0.3kN/m20.7kN/m2组合三①+②+④1.466kN/m21.71kN/m2组合四①+③+④0.566kN/m20.87kN/m2组合五①+⑤0.7kN/m21.1kN0.84kN/m21.54kN说明：控制组合应为组合三及组合四。实际面玻璃选用了Low-E彩釉夹胶中空玻璃（10+9A+8+1.52PVB+8），面板大小为1425mmx2000mm各组合下的应力变形计算结果如下表：设计值作用下的最大应力（N/mm2）标准值作用下的最大挠度（mm）外片内片组合三8.015.503.96组合五16.8512.074.27根据《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113-2003的规定，玻璃的强度设计值为42Mpa，强度满足要求。参照《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003对玻璃面板挠度的控制要求为ｕ≤a/60＝23.75mm（其中：a为面板短边的长度），亦满足。在本工程设计中，未考虑屋面积水荷载，所以要求从屋面坡度控制和排水通道设计上确保排水顺畅！2、玻璃肋的设计对比采光顶玻璃肋与普通全玻幕墙玻璃肋的受力模式，不难发现其计算模型都是仅承受面内均布或多个集中荷载的简支梁，故可参考《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003中对全玻幕墙玻璃肋计算的相关规定设计。但考虑二者承载条件的差异，即作用在普通全玻幕墙玻璃肋上的作用除轴向的自重外横向作用都是瞬时荷载，而作用在采光顶玻璃肋上的横向作用除瞬时荷载（风荷载）外还有永久荷载（面板及肋的自重）。考虑长期承载的不利性及玻璃材料的脆性，玻璃肋的强度设计值应按《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113-2003条文8.2.7对屋面玻璃强度设计值的规定采用。主、次玻璃肋的平面布置如图2。由于主、次玻璃肋二者计算简图不同，故这里分别介绍如下：图2主、次玻璃肋的平面布置图由于面板为排水而设计成倾斜的，而肋又设计成与面板垂直，故在重力作用下，主次肋均会承受与面坡度平行的分力的作用，但此种作用对次肋是轴力，影响甚微；而对主肋，当对面板采取了面内位移的约束措施后，可不计此分力的横向作用。在横向力作用下，次肋与主肋的计算简图分别如图3，图4。图3次肋计算简图图4主肋计算简图主、次玻璃肋均为12＋1.52PVB＋12＋1.52PVB＋12的夹胶玻璃。在各工况组合作用下的弯曲应力和变形如下：设计值作用下的最大弯曲应力（N/mm2）标准值作用下的最大挠度（mm）主肋次肋主肋次肋组合三8.861.511.280.02说明：恒载中记入玻璃肋的自重后。均满足要求。对于玻璃肋的稳定问题《玻璃幕墙工程技术规范》仅规定：“高度大于8m的玻璃肋宜考虑平面外的稳定验算；高度大于12m的玻璃肋，应进行平面外稳定验算，必要时应采取防止侧向失稳的构造措施。”。由于本工程主玻璃肋仅跨度l2＝4m，参照上述规定，可不计算稳定。3、支承钢结构的设计采光顶钢结构属于屋盖结构。屋盖结构可采用的结构形式多种多样。如梁、拱、桁架等。其中的索－杆结构和索－梁结构是通透性最好的选择，所以，本工程采用了索－梁作为主受力构件。所谓索－梁，即以钢梁做上弦，高强钢索做下弦，其间用撑杆相连而形成的钢索混合结构构件，如图5所示。当跨度L较大时候,上法亦可以桁架代替实腹梁，形成索－桁架结构。此种结构对下弦钢索可施加预紧力，形成预应力索－梁结构，即通常-说的张弦梁结构。但当跨度不大，向上作用较小，不起控制作用时，亦可不加预紧力，而将其视为只拉单元。此时的索—梁便相当于下撑式组合梁结构。③据资料介绍，张弦梁结构体系有明显的经济效果，节省钢材突出！当构造合理，预紧力取值恰当时，其内力较同等条件下的简支梁，可减少80%以上,④因此，在屋盖结构中，特别是大跨结构，张弦梁得到了极大的重视和应用。国内较典型的实例，如上海浦东机场航站楼。张弦梁虽然节省材料突出，但预紧力的控制和调整，梁拱度的控制和调整，不但工作量大，而且难度也很大⑤⑥。由于本采光顶工程跨度较小，L仅有20m，从简化施工出发，故只按下撑式组合梁设计。结构形式、几何尺寸如图5：图5索－梁计算简图图6新疆某工程的采光顶计算简图图7新疆某工程的采光顶在竖直向下荷载作用下的计算简图图8新疆某工程的采光顶在竖直向上荷载作用下的计算简图此种形式结构，由于下弦索未施加预紧力，而一般索只能承受张力。所以，当在组合工况下，如风吸力起控制作用时，下弦因不能承压，故必然退出工作，而只有上弦钢梁如单跨简支梁一样工作，为了保证结构可靠工作，上弦钢梁截面必须按此工况验算其承载能力和刚度。当截面尺寸不足时，亦可采用下拉平衡索的做法。如笔者设计的新疆某工程的采光顶，其结构形式如图6所示，在竖向下荷载起控制作用时，其结构简图如图7所示，而在竖向上荷载起控制作用时，其结构简图如图8所示。在同等作用和跨度的情况下，以本工程为例，对几种不同形式结构用钢量的比较如下表，此时以简支梁的用钢量为1。结构形式用钢量说明简支梁1无平衡索的下撑式梁0.433由于本工程竖直向上的荷载较小，不起控制作用，所以两个的计算结果一致。有平衡索的下撑式梁0.433参考文献：1．《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113-20032．《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-20033．《建筑结构静力计算手册》第三版中国建筑工业出版社出版