太陽(yáng)能邊框單坡式設(shè)計(jì)計(jì)算書

基本參數(shù): 標(biāo)高=7.000m
         抗震7 度 （0.10g）設(shè)防

一、設(shè)計(jì)方法和指標(biāo)
    本工程設(shè)計(jì)采用概率極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法,根據(jù)<<建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范>>GB50009-2001規(guī)定
    各種載荷的分項(xiàng)系數(shù)如下： 
1.永久載荷分項(xiàng)系數(shù) rg：
    1)當(dāng)其效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)不利時(shí)
      ①對(duì)由可變荷載效應(yīng)控制的組合，應(yīng)取 1.2；
      ②對(duì)由永久荷載效應(yīng)控制的組合，應(yīng)取 1.35；
    2)當(dāng)其效應(yīng)對(duì)結(jié)構(gòu)有利時(shí)
      ①一般情況下應(yīng)取 1.0；
      ②對(duì)結(jié)構(gòu)的傾覆、滑移或漂浮驗(yàn)算，應(yīng)取 0.9。 
2.可變荷載的分項(xiàng)系數(shù)：
      ①一般情況下應(yīng)取 1.4；
      ②對(duì)標(biāo)準(zhǔn)值大于 4KN/m^2 的工業(yè)房屋樓面結(jié)構(gòu)的活荷載應(yīng)取 1.3。

    對(duì)于某些特殊情況，可按建筑結(jié)構(gòu)有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范的規(guī)定確定。
    在設(shè)計(jì)中采用可變荷載效應(yīng)控制的組合，各相的分相系數(shù)取值如下
    永久載荷分項(xiàng)系數(shù) rg 為：  1.2
    風(fēng)載荷分項(xiàng)系數(shù) rw為：    1.4
    雪載荷分項(xiàng)系數(shù) rs為：    1.4
    活載荷分項(xiàng)系數(shù) rq為：    1.3
    地震載荷分項(xiàng)系數(shù) re 為：  1.3
    溫度載荷分項(xiàng)系數(shù) rt 為：  1.3

二、采光頂承受荷載計(jì)算
    1. 風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算:
      Wk: 作用在采光頂上的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m^2)
      Wk=0.800 kN/m^2
      因?yàn)?Wk<=1.0KN/M^2,取 Wk=1.000 kN/m^2
    2. 風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值:
      Ｗ: 風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值: kN/m^2
      rw: 風(fēng)荷載作用效應(yīng)的分項(xiàng)系數(shù)：1.4
      按《鋁門窗幕墻技術(shù)資料匯編(一)》表'3-1 各種荷載分頂系數(shù)'采用
      Ｗ=rw×Wk=1.4×1.000=1.400kN/m^2
    3. 雪載荷標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算
      Sk: 作用在采光頂上的雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值(kN/m^2)
      S0: 基本雪壓,青龍 50 年一遇最大積雪的自重: 0.400kN/m^2
      根據(jù)現(xiàn)行<<建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范>>GB50009-2001 取值 
      μr: 屋面積雪分布系數(shù)為  1.000
      根據(jù)<<建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范>>GB50009-2001 公式 6.1.1 屋面雪載荷按下式計(jì)算
      Sk=μr×S0
       =1.000×0.400     =0.400kN/m^2 
   4. 雪載荷設(shè)計(jì)值計(jì)算
      S:  雪載荷設(shè)計(jì)值(KN/m^2)
      rs: 雪載荷分項(xiàng)系數(shù)為  1.40
      按《鋁門窗幕墻技術(shù)資料匯編(一)》表'3-1 各種荷載分頂系數(shù)'采用
      S=rs×Sk
       =1.40×0.400
       =0.560kN/m^2
   5.采光頂構(gòu)件自重荷載設(shè)計(jì)值 
      G: 采光頂構(gòu)件自重荷載設(shè)計(jì)值(KN/m^2)
      Gk: 采光頂結(jié)構(gòu)平均自重[KN/m^2]為  0.40  KN/m^2
      rg: 恒載荷分項(xiàng)系數(shù)為  1.20
      按《鋁門窗幕墻技術(shù)資料匯編(一)》表'3-1 各種荷載分頂系數(shù)'采用
      G=rg×Gk
       =1.20×0.400
       =0.480kN/m^2
   6. 采光頂坡面活荷載設(shè)計(jì)值
      Q: 采光頂坡面活載荷設(shè)計(jì)值(KN/m^2)
      rq: 活載荷分項(xiàng)系數(shù)為 1.30
      Qk: 采光頂坡面活載荷標(biāo)準(zhǔn)值為 0.300kN/m^2
      Q=rq×Qk
       =1.3×0.300
       =0.390kN/m^2
   7. 采光頂設(shè)計(jì)中各種荷載組合:
      計(jì)算采光頂桿件和結(jié)構(gòu)應(yīng)力時(shí)的載荷組合(沿坡面分布)
      本地區(qū)位于北緯 27.5°以南,冬季氣溫較高,很少降雪。
      根據(jù)<<建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范>>GB50009-2001 規(guī)定和<<建筑幕墻與采光頂技術(shù)>>5.2.1 中載荷組合要求:
      設(shè)計(jì)荷載取恒載與活載,或恒載與風(fēng)載兩組中大值,組合系數(shù)取 1。

      1)計(jì)算恒載荷+活載荷組合:
      Q: 采光頂坡面活載荷為 0.390kN/m^2 
      α: 采光頂坡面水平夾角為 14.000°
      G:  采光頂結(jié)構(gòu)平均自重設(shè)計(jì)值為 0.480KN/m^2
      Lj: 斜桿間距為 0.994m
      qk1: 載荷組合之一(KN/m)
      qk1=(G×1/cosα+Q)×Lj×cos(α)
         =(0.495+0.390)×0.994×0.970
         =0.853kN/m
      2)計(jì)算恒載荷+風(fēng)載荷組合:
      W: 風(fēng)載荷設(shè)計(jì)值 1.400  KN/m^2
      G: 采光頂結(jié)構(gòu)平均自重設(shè)計(jì)值為 0.480KN/m^2
      Lj: 斜桿間距為 0.994m
      α: 采光頂坡面水平夾角為 14.000°
      qk2: 載荷組合之二(KN/m)     qk2=(G+W)×1/cosα×Lj×cosα
                                                               =1.880×1.031×0.994×0.970
                                                               =1.869kN/m
      Lj: 斜桿間距為 0.994m
      q1: 載荷組合(KN/m)
     3)設(shè)計(jì)荷載取其中最大者
     q1=MAX(qk1,qk2)
       =1.869kN/m

二、玻璃的選用: 
    本工程選用玻璃種類為: 鋼化玻璃 
1. 玻璃面積:
  H: 采光頂分格高: 0.994m
  B: 采光頂分格寬: 1.652m
  A: 玻璃板塊面積:
  A=B×H
   =0.994×1.652
   =1.642m^2

2. 玻璃厚度選取:
  Wk: 風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值: 1.000kN/m^2
  A: 玻璃板塊面積: 1.642m^2
  K3:  玻璃種類調(diào)整系數(shù): 3.000
  試算:
  C=Wk×A×10/3/K3
   =1.000×1.642×10/3/3.000
   =1.825
  T=2×(1+C)^0.5-2
   =2×(1+1.825)^0.5-2
   =1.361mm
   玻璃選取厚度為: 4.0mm
  其大面強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為:84.000N/mm^2
  其邊緣強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為:58.800N/mm^2

三、玻璃的校核:
1. 玻璃板塊自重:
  GAk: 玻璃板塊平均自重:
  t: 玻璃板塊厚度: 4.0mm
  25.6: 玻璃的體積密度, 單位是kN/m^3   按5.2.1 采用
  GAk=25.6×t/1000
     =25.6×4.0/1000
     =0.102kN/m^2

2. 驗(yàn)算荷載
1)計(jì)算恒載荷+活載荷組合:
   Q: 采光頂坡面活載荷為 0.390kN/m^2     α: 采光頂坡面水平夾角為 14.000°
  GAk: 玻璃板塊平均自重為 0.102kN/m^2
   rg : 永久荷載分項(xiàng)系數(shù),取 1.2
   qk1: 載荷組合之一(KN/m^2)
   qk1=(rg×GAk×1/cosα+Q)×cos(α)
      =(0.127+0.390)×0.970
      =0.501kN/m^2
2)計(jì)算恒載荷+風(fēng)載荷組合:
   W: 風(fēng)載荷設(shè)計(jì)值 1.400  KN/m^2
  GAk: 玻璃板塊平均自重為 0.102kN/m^2
   rg : 永久荷載分項(xiàng)系數(shù),取 1.2
   α: 采光頂坡面水平夾角為 14.000°
   qk2: 荷組合之二(KN/m^2)
   qk2=1.2GAk+W
      =0.123+1.400
      =1.523kN/m^2
3)設(shè)計(jì)荷載取其中最大者
   qb=MAX(qk1,qk2)
     =1.523kN/m^2

3. 玻璃的強(qiáng)度計(jì)算:
  校核依據(jù): σ≤ｆg=84.000
  q: 玻璃所受組合荷載:
  a: 玻璃短邊邊長(zhǎng):0.994m
  b: 玻璃長(zhǎng)邊邊長(zhǎng):1.652m
  t: 玻璃厚度:4.0mm
  ψ: 玻璃板面跨中彎曲系數(shù), 按邊長(zhǎng)比 a/b查
      表5.4.1 得: 0.087
  σw: 玻璃所受應(yīng)力:
  σw=6×ψ×qb×a^2×1000/t^2
     =6×0.087×1.523×0.994^2×1000/4.0^2
     =48.852N/mm^2
       48.852N/mm^2≤ｆg=84.000N/mm^2
  玻璃的強(qiáng)度滿足!

4. 玻璃溫度應(yīng)力計(jì)算:
  校核依據(jù): σmax≤[σ]=58.800N/mm^2
(1)在年溫差變化下, 玻璃邊緣與邊框間擠壓在玻璃中產(chǎn)生的
  擠壓溫度應(yīng)力為:
  E: 玻璃的彈性模量:0.72×10^5N/mm^2
  α^t: 玻璃的線膨脹系數(shù): 1.0×10^-5
  △Ｔ: 年溫度變化差: 80.000℃
  c: 玻璃邊緣至邊框距離,  取 5mm
  dc: 施工偏差, 可取:3mm  ,按5.4.3 選用
  b: 玻璃長(zhǎng)邊邊長(zhǎng):1.652m
  在年溫差變化下, 玻璃邊緣與邊框間擠壓在玻璃中產(chǎn)生的    溫度應(yīng)力為:
  σt1=E(a^t×△Ｔ-(2c-dc)/b/1000)
      =0.72×△Ｔ-72×(2×5-3)/b
      =0.72×80.000-72×(2×5-3)/1.652
      =-247.485N/mm^2
  計(jì)算值為負(fù),擠壓應(yīng)力取為零.
  0.000N/mm^2＜58.800N/mm^2
  玻璃邊緣與邊框間擠壓溫度應(yīng)力可以滿足要求!

(2)玻璃中央與邊緣溫度差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力:
  μ1: 陰影系數(shù): 按《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》
           JGJ 102-96 表 5.4.4-1 得 1.000
  μ2: 窗簾系數(shù): 按《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》
           JGJ 102-96 表 5.4.4-2 得 1.000
  μ3: 玻璃面積系數(shù): 按《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》
           JGJ 102-96 表 5.4.4-3 得 1.046
  μ4: 邊緣溫度系數(shù): 按《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》
           JGJ 102-96 表 5.4.4-4 得 0.380
  Ｔc: 玻璃中央部分溫度
  a: 玻璃線脹系數(shù): 1.0×10^-5
  a0: 玻璃吸熱率:0.099
  a1: 室外熱傳遞系數(shù), 取 15W/m^2K
  t0: 室外設(shè)計(jì)溫度-10.000℃
  t1: 室內(nèi)設(shè)計(jì)溫度 40.000℃
  Ｔc=(a0×700+15×t0+8×t1)/(15+8)
     =(0.099×700+15×(-10.000)+8×40.000)/(15+8)
     =10.404℃
  Ｔs: 玻璃邊緣部分溫度:
  Ｔs=(15×t0+8×t1)/(15+8)
     =(15×(-10.000)+8×40.000)/(15+8)
     =7.391℃
  △t: 玻璃中央部分與邊緣部分溫度差:
  △t=Ｔc-Ｔs
     =3.013℃
  玻璃中央與邊緣溫度差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力:
  σt2=0.74×E×a×μ1×μ2×μ3×μ4×(Ｔc-Ｔs)
      =0.74×0.72×10^5×1.0×10^-5×μ1×μ2×μ3×μ4×△t
      =0.638N/mm^2
  玻璃中央與邊緣溫度差產(chǎn)生的溫度應(yīng)力可以滿足要求!

四、玻璃最大面積校核:
  Azd: 玻璃的允許最大面積(m^2)
  Wk: 風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值: 1.000kN/m^2
  t: 玻璃厚度: 4.0mm
  α1: 玻璃種類調(diào)整系數(shù): 3.000    A: 計(jì)算校核處玻璃板塊面積: 1.642m^2
  Azd=0.3×α1×(t+t^2/4)/Wk                                      (6.2.7-1)
     =0.3×3.000×(4.0+4.0^2/4)/1.000
     =7.200m^2
  A=1.642m^2≤Azd=7.200m^2
  可以滿足使用要求!

五、單坡式采光頂桿件計(jì)算:
1. 驗(yàn)算截面彎矩
   單坡采光頂大彎矩點(diǎn)發(fā)生在跨中
   M0.5L: 驗(yàn)算截面彎矩
  L1: 斜桿長(zhǎng)度0.994m
  q1: 設(shè)計(jì)荷載的線密度 1.869kN/m
  M0.5L=q1×L1^2×cos α/8=q1×(L1/2)^2×cos α/2
       =1.869×0.497^2×0.970/2
       =0.224kN-m
       =22371.968N-cm
2. 驗(yàn)算截面軸力
   N0.5L: 驗(yàn)算截面軸力
  L1: 斜桿長(zhǎng)度0.994m
  N0.5L=q1×L1×sin α/2
       =1.869×0.994×0.242/2
       =224.575N
3. 選用斜桿型材的截面特性:
  選用型材號(hào): XC1\Q128A60
  型材強(qiáng)度設(shè)計(jì)值: 85.500N/mm^2
  型材彈性模量: E=70000N/mm^2
  X 軸慣性矩: Ix=5.511cm^4
  Y 軸慣性矩: Iy=1.317cm^4
  X 軸抵抗矩: Wx1=2.121cm^3
  X 軸抵抗矩: Wx2=2.897cm^3
  型材截面積: A=2.207cm^2
  型材截面面積矩: Ss=1.588cm^3
4. 斜桿強(qiáng)度
   σ:斜桿強(qiáng)度(N/mm^2)
   Wx2:型材截面抗彎矩 2.897cm^3
   A:型材截面積2.207cm^2
   σ=M/W+N/A
     =22371.968/2.897+224.575/2.207
     =7824.754N/cm^2
     =78.248N/m^2
  78.248N/mm^2≤ｆa=85.500N/mm^2
   桿件強(qiáng)度可以滿足!