SAP2000有限元 在全玻璃幕墙板块中开窗洞设计实例应用

【摘要】本文阐述了sap2000在全玻璃幕墙板块中开窗洞的应用，演示了计算过程，并在满足现行玻璃幕墙技术规范的情况下，达到了建筑外观设计的要求。

【关键词】全玻璃幕墙;荷载工况;荷载组合;挠度;应力

全玻璃幕墙具有其优良的通透性、重量轻、强度高、造价低等特点， 在现代大型建筑中广泛应用于写字楼、酒店大厅群楼的外立面幕墙装饰中。由于全玻璃幕墙板块一般以建筑层高为整块板面的高度，板面宽度一般不会超过2.5米左右，这就限制了全玻璃幕墙不可能象框架可以任意确定开窗位置，那么在无中央空调环境的条件下，会大大降低工作、生活舒适感， 因此这就要求幕墙设计师在不破坏幕墙结构、满足玻璃幕墙技术规范的前提下，进行全玻璃板块中开窗洞的设计。

北京某大厦裙楼幕墙改造工程案例中，外立面采用了全玻璃幕墙板块中就必须采用开窗洞的设计形式，其设计如下：

1、工程幕墙计算条件

工程名称：北京某大厦裙楼幕墙改造工程;工程地点：北京市;建筑物地区类别：C类;  抗震设防烈度：8度（0.2 g）;基本风压：0.45 kN/m2;幕墙计算标高：10.0m。

幕墙形式：坐式全玻璃幕墙，四边简支力学模型。

（1）风荷载的计算

本工程C类场地，按《建筑结构荷载规范》（GB 50009-2012）：

Wk=βgz×us1×uz×wo

式中：Wk—作用在幕墙上的风荷载标准值，kN/m2;

Wo—北京市基本风压;

βgz—瞬时风压阵风系数;

g—峰值因子，取2.5;

z—为计算高度;

I10—10 m高名义湍流度， 取0.23;

α—地面粗糙度指数，取0.22;

us1—风荷载体型系数;

uz —风压高度变化系数;

（2）地震作用的计算

qEAK=βE×αmax×GAK

式中：qEAK—水平地震作用标准值;

βE—动力放大系数，取值5.0;

αmax—平地震影响系数，取值0.16;

GAK—幕墙构件自重KN/m2

2、工程幕墙荷载的计算

2.1  幕墙风荷载标准值Wk的计算

幕墙面板在正风压风荷载标准值的计算：

Wk =βgz×us1×uz×wo =0.961 （kN/m2）

Wk <1 kN/m2，按《玻璃幕墙技术规范》（JGJ102-2003），取 Wk=1 kN/m2。

其中：在此高处风压高度变化系数

uz=1×（z/1  ）0.44

uz=0.544×（15/10）0.44=0.6502

阵风系数βgz=1+2×g×I10×（z/10）（-α）

βgz=1+2×2.5×0.23×（15/10）-0.22=2.0519

式中： Z—计算高度;  us1—局部風压体型系数;

按建筑转角位置取体型系数1.4;封闭式建筑内表面局部体型系数为+0.2;则其局部风压体型系数为：μs1=1.6

2.2 幕墙水平地震作用的计算

幕墙面板重按：GAK=0.384 kN/m2

垂直于玻璃幕墙平面的分布水平地震作用标准值可按下式计算：

qEK=βE×αmax×GAK =0.307（kN/m2）;

3、玻璃板块开窗洞分析计算

全玻璃幕墙规格：采用15mm厚钢化超白玻璃;玻璃板块高3450mm，板块宽2250mm;玻璃肋300mm宽后置，在板块中部位置750mm高处开一600×800mm窗洞。

3.1 定义材料：

按玻璃材质：弹性模量E（MPa）=0.72×105 、泊松比υ=0.2 、膨胀系数α（1/℃）=1.0×10-5、重力密度γg （KN/m3）=25.6、幕墙15mm玻璃的强度设计值 fg（MPa）≤72 MPa、 许用挠度，取玻璃面板短边边长的1/60，为 df，lim≤37.5mm;

把玻璃板块定义为薄壳、建虚杆、进行约束、分割、剖分、再按6个有效自由度设定分析模型等。

3.2 定义荷载模式与工况：

全玻璃幕墙所受力主要荷载模式可定义为：恒载DL、垂直幕墙的地震荷载qEk、迎风面水平荷载标准值Wk。

3.3 定义荷载组合：

用于强度计算时的荷载组合：荷载组合（QDZH）：1.3DL+1.5Wk+0.65qEk

用于挠度计算时的荷载组合：荷载组合（NDZH）： DL+Wk

3.4 全玻璃幕墙面板荷载的施加：

选定建立的玻璃面板，再把上述荷载值，按荷载工况方式分别施加向下重力荷载（DL）、施加Y向风荷载（Wk）、施加Y向地震荷载（qEk）在面板上。

3.5全玻璃幕墙的最大位移：

经SAP2000分析、计算：玻璃面板在NDZH下，最大变形位移（挠度）为：11.726mm;          Y向：Uy，max= 11.726 mm ≤df，lim =2250/60= 37.5mm。

（最大位移图）

全玻璃幕墙面板挠度满足规范要求！

3.6全玻璃幕墙玻璃面板上所受的最大壳应力：

经SAP2000分析、计算：玻璃面板在QDZH下，所受的最大应力为：46.789 MPa;          应力：fg，max= 46.789 MPa ≤fg=72 MPa。

（最大应力图）

全玻璃面板强度满足规范要求！

结语：

通过SAP2000在以上案例的分析、计算，在满足玻璃幕墙技术规范的前提下，完全可以在全玻璃幕墙的板块中实施开窗洞设计，以满足人们对工作、生活舒适感的需求。

参考文献：

[1]《玻璃幕墙工程技术规范JGJ102-2003》.

[2]《建筑结构荷载规范GB50009-2012》.

[3]《建筑结构可靠性设计统一标准GB50068-2018》.

作者简介：

屈铮（1962年12月），男，汉，湖南省长沙市，工程师，大专，从事建筑幕墙、建筑装饰装修设计。