大跨度玻璃房的设计与结构分析

大跨度玻璃房的设计与结构分析
摘要：玻璃房子具有轻巧、晶莹的透射和反射性质，可以营造出明亮的室内光环境并达到建筑内外空间交融的效果，因而在现代建筑设计中越来越多的运用。

玻璃作为建筑外围护，其结构的安全性、耐久性是首要考虑的问题。

本文以实际工程设计为例，介绍了大跨度玻璃房的设计与结构分析过程。

经过合理的设计，玻璃房实现了其相应的使用功能与安全防护作用。

其中结构计算利用ANSYS 大型有限元分析软件进行静力分析，位移与应力结果均符合规范要求。

关键词：钢结构；钢化玻璃；安全性；结构分析
1引言
作为现代建筑的象征，玻璃在国内外的建筑中得到了越来越广泛的应用。

玻璃房子更具有轻巧、晶莹的透射和反射性质，可以营造出明亮的室内光环境并达到建筑内外空间交融的效果，因而也成为现代各类建筑设计的新宠。

本文以实际工程设计为例，介绍大跨度玻璃房的设计与结构分析。

玻璃作为建筑外围护，其结构的安全性、耐久性是首要考虑的问题，玻璃房的设计也应与其相应的使用功能相适应，发挥其应有的安全防护作用。

重点设计为玻璃房的物理安全性设计：除了按照工程的功能要求外，在设计时对地震设防按照7度进行了考虑，同时对面材、龙骨及连接系统均做了仔细计算，满足强度上设计的要求，并对关键构件进行了相宜的防腐处理，以延长其使用寿命。

另外，面材采用了钢化玻璃，耐撞击性能好。

可以说，物理上的安全性通过以上措施是完全可以保障的。

2工程概况及玻璃房的设计
青岛某工程总建筑面积约264.700m2，项目包含商业、办公、公寓式酒店等内容，见建筑效果图1。

其中T1 塔楼为办公楼，建筑最高标高147.2m，T2、T3 塔楼为公寓式酒店，建筑最高标高分别为132.85m、100.90m。

裙楼为商业建筑，高度为25m。

此工程结构设计的难点为裙楼的一些大跨度玻璃房，玻璃房骨架全部采用钢结构。

本文选取最大跨度的玻璃房进行计算分析，详细阐述其设计与结构分析过程。

玻璃房钢结构由多榀钢管焊接的钢架组成，跨度为27m。

顶面玻璃配置8mm+12A+8mm+1.52PVB+8mm钢化中空夹胶玻璃，侧面玻璃配置
10mm+12A+8mm钢化中空玻璃。

采用半隐框玻璃幕墙结构，玻璃顶面分格尺寸为1.5m×3m，立面分格尺寸为1.5m×2.8m。

立面竖向龙骨为200×200×8mm镀锌钢龙骨后端设灯具槽和亚克力垫片，横龙骨采用60×60×4mm镀锌钢龙骨。

设计应注意竖龙骨外设铝合金垫框，垫框与龙骨之间设计柔性垫片，中空玻璃横向通过硅酮结构胶与铝合金副框组合，并通过压板安装到幕墙横龙骨上，竖向通过压板之间将玻璃固定在垫框上，竖向压板设计200mm扣板。

铝型材室外暴露处采用三涂氟碳喷涂处理，室内暴露处采用粉末喷涂处理，隐蔽位置的铝型材表面阳极氧化处理。

图1：建筑效果图
3玻璃房钢结构的计算分析
玻璃房钢结构高度范围从标高17m至25m，选取标高25m作为计算条件。

钢柱底部刚接在土建结构梁上，钢梁端部铰接在土建结构梁上。

安全起见结构分析中所有约束均采用铰接形式进行建模计算，布置见玻璃房模型图2、图3。

利用ANSYS大型有限元分析软件进行结构计算和静力分析。

图2：玻璃房模型图图3：玻璃房模型图
=========================== 模型简化==========================
计算时，考虑工况如下：
工况一：顶面：风荷载＋地震荷载＋自重荷载
立面：风荷载＋地震荷载＋自重荷载
工况二：顶面：Max{雪荷载or活荷载}＋自重荷载
立面：风荷载＋地震荷载＋自重荷载
将荷载乘以相应的分项系数进行组合计算，所受的荷载以均布荷载和集中荷载的形式施加在梁单元上。

钢结构自重由ANSYS大型有限元分析程序自动计算。

=========================== 外部荷载==========================
本次计算工程标高为25米，地面粗糙度为B类；基本风压、雪压均按50年一遇采用，基本风压：W0=0.60KN/m2，基本雪压:So=0.20KN/m2。

顶面玻璃面板最大负压：
Wkp ＝βgZ•μs•μz•Wo
＝1.659×(-0.7)×1.341×0.6
＝-0.9344 KN／m2
取Wkp = -1 KN／m2
立面玻璃面板最大负压：
μs=μs1*0.8= -1.2×0.8= -0.96
Wks ＝βgZ•μs•μz•Wo
＝1.659×（-0.96）×1.341×0.6
＝-1.281 KN／m2
立面玻璃面板最大正压：
μs ＝μs2*0.8＝1.0×0.8＝0.8
Wks ＝βgZ•μs•μz•Wo
＝1.659×0.8×1.341×0.6
＝1.0679 KN／m2
顶面面材自重G = 676 N/m2
立面面材自重G = 507 N/m2
雪荷载S0 = 200 N/m2
活荷载HK = 700 N/m2
地震荷载Qek= 270 N/m2
积雪分布系数UR = 2
------------------------------------------------------------ 分项系数：
应力计算时：
可变荷载分项系数γw= 1.4
地震作用分项系数γE= 1.3
永久荷载分项系数γg= 1.2
挠度计算时：
可变荷载分项系数xw = 1.0
永久荷载分项系数xg = 1.0
荷载组合系数：
可变荷载组合系数ψw= 1.0
地震作用组合系数ψe= 0.5
永久荷载组合系数ψg= 1.0
活荷载组合系数ψg= 0.7
------------------------------------------------------------ 立面正风荷载标准值Wk = 1068N/m2
立面正风荷载设计值W = 1495N/m2
立面负风荷载标准值Wk =-1281N/m2
立面负风荷载设计值W =-1794N/m2
顶面玻璃自重荷载标准值Gk =676N/m2
顶面玻璃自重荷载设计值G=811 N/m2
立面玻璃自重荷载标准值Gk =507N/m2
立面玻璃自重荷载设计值G=608 N/m2
雪荷载标准值Sk =200N/m2
雪荷载设计值S =560N/m2
活荷载标准值HK =700N/m2
活荷载设计值H =980N/m2
地震荷载标准值Qek=270N/m2
地震荷载设计值Q=351N/m2
在计算分析中我们考虑两种不利组合，经比较工况二较为不利，因此顶面采用活荷载＋自重荷载进行结构计算。

====================== 截面规格========================
主钢梁方钢管600×200×14
屋面次钢梁方钢管500×200×8
屋面次钢梁方钢管300×200×8
立面钢框方钢管200×200×8
水平钢管方钢管60×60×4
======================= 求解程序==========================
计算程序：有限元分析系统ANSYS
分析类型：线性结构、静态
单元种类：梁单元
========================计算结果==========================
最大位移Disp =88.886 mm/1.4=63.49mm（按荷载标准值计算）
63.49mm/27000mm=1/425< 1/350
最大应力S_max =155.132 Mpa < 215 Mpa
位移结果见变形云图4，单位为mm；应力结果见应力云图5 ，单位为Mpa。

位移与应力的结果符合均规范要求。

图4：变形云图图5：应力云图
4结论
玻璃房结构的安全性、耐久性是首要考虑的问题，其设计也应与其相应的使用功能相适应并且发挥出应有的安全防护作用。

物理安全性的设计是大跨度玻璃房的重点设计内容。

本文结合工程实例给出大跨度钢结构玻璃房的设计方法及应注意的问题；算例的结构分析利用ANSYS大型有限元分析软件进行，文中详细阐述了模型简化、外部荷载、截面规格等内容，计算的位移与应力结果均符合规范要求。