梁系玻璃采光顶的设计

提要：本文介绍了点式玻璃、梁系钢结构支撑体系采光顶的设计.结合《建筑玻璃应用技术规程》、《玻璃幕墙工程技术规范》、《钢结构设计规范》,总结点式梁系斜玻璃幕墙设计方法.

关 键 词：点式玻璃；斜幕墙；钢结构

随着建筑的发展,大型公共建筑的大厅为了增加其通透的效果,通常在大厅顶部采用玻璃采光顶.根据玻璃采光顶造型要求,为了显示其轻巧,采光顶的支撑结构通常采用梁系钢结构、拱或组合拱钢结构、穹顶钢结构、预应力珩架体系钢结构以及网架和网壳等.

玻璃采光顶的设计属于跨行业的范围.它隶属于整个建筑（国内通常以土建结构为主体）,同时关联到钢结构的设计以及玻璃的设计.玻璃采光顶属于斜玻璃幕墙,由于荷载情况,人体的直接观感等因素,其设计中要考虑的因素远多余玻璃幕墙.与玻璃幕墙体系有本质的区别.本文将对采用梁系钢结构、点式玻璃斜屋面的设计方法.

1.玻璃面板的设计

屋面采光顶的玻璃必须采用安全玻璃,在玻璃面板最高点离地高度大于5米时必须采用夹层玻璃.为了更好符合建筑要求,允许对安全玻璃进行：膜处理以增加对太阳辐射的反射,防火处理以达到消防防火要求,中空处理以增加玻璃的保温隔热功能.也可以采用上述各种处理的组合.点式玻璃斜幕墙的玻璃面板必须钢化处理.

1.1玻璃尺寸的划分及爪件的选择

按照建筑的整体要求,力求玻璃的分格种类尽量少.点式玻璃受其支撑条件的限制,过大玻璃面板将会出现：玻璃在自重的作用下成为一顶拉紧的帐篷,过大变形是无法容忍的.将玻璃的长宽尽量做到一致有利于玻璃强度的发挥.一般情况下,玻璃支点间距离可做到夹层玻璃中较厚玻璃厚度的150倍时,其自重弯曲是在视觉能够接受的范围内的.

点式玻璃的驳接爪分为夹具、球铰和钢爪组成.每四块玻璃角部的四个螺栓用“X”或“H”钢爪连接.球铰在玻璃的孔洞中可以自由转动,保证节点与玻璃的扭转约束的释放,使玻璃变形时在连接处的应力集中最小.

1.2玻璃面板的计算

由于斜幕墙与水平面的夹角在75度以下,一般的采光顶与水平面的夹角在30度以下.因此,玻璃面板设计荷载除了自重荷载、风荷载和地震荷载外,必须根据是否上人屋面考虑活荷载（此活荷载不同于《建筑结构荷载设计规范》中要求的均布活荷载,此处为局部集中荷载）；雪荷载（特别在有高低跨且玻璃采光顶位于较底一侧是积雪的影响）.

《建筑玻璃技术规程》中对于玻璃面板的计算并未明确.在计算面板的强度时,所用的公式套用《玻璃幕墙工程技术规范》中点式玻璃在风荷载作用时的公式.由于玻璃面板的变形已经超出“弹性薄板小挠度理论计算”要求.其应力与应变并非成线性增长,因此,在进行玻璃面板强度计算时须对不同的工况的应力分别计算.在计算风荷载时必须考虑阵风系数,并且风荷载标准值不小于1.0KN/m2.再按照《建筑结构荷载规范》荷载组合要求,对各工况下的应力进行组合.钢化玻璃用于斜幕墙时其强度仅为42N/mm2（为钢化玻璃强度的一半）须特别注意.

玻璃的挠度的计算同样套用《玻璃幕墙工程技术规范》中点式玻璃在风荷载作用时的公式.在计算挠度时不考虑活荷载作用下的玻璃的挠度,但必须考虑雪荷载作用下的变形情况.求出自重荷载、雪荷载、风荷载标准值等工况下的变形.再按照《建筑结构荷载规范》荷载组合要求,对各工况下的挠度进行组合.根据《玻璃幕墙工程技术规程》点式玻璃允许极限挠度为孔洞距离长边长度的1/60.在2.0X2.0米分格的采光顶玻璃允许挠度为29mm.在观感上是无法接受的.为了达到美观的效果,建议此类玻璃的挠度控制在1/100以内为宜.

2.次梁的设计

玻璃通过爪座与次梁连接,次梁在设计中为承受集中荷载的单根型钢或钢管.在荷载的方面应考虑玻璃自重、屋面活荷载（活荷载标准值应取0.5KN/m2）、风荷载（不须考虑阵风系数）.因屋面的倾斜,其设计按照两端简支双向受弯构件进行设计.挠度的控制以1/250为宜.具体计算可参考各种钢结构设计手册.

为了改善视觉效果,玻璃采光顶通常不设水平支撑,而是通过次梁间增设连梁与次梁形成井格（大小与玻璃分格一致或为玻璃分格的倍数）小框架来代替水平支撑.这样,连梁与次梁,次梁与主梁的连接就必须采用刚性连接——通常为焊接连接.在焊接过程中若未采取有效的变形控制,次梁的变形将变成永久变形,极大影响质量.因此,一种有效的方法就是在焊接时必须对次梁增加临时支撑.

此次梁不是纯粹的次梁,除符合上述要求外,还须符合压杆长细比的要求.

3.主梁的设计

钢结构主梁,在跨度比较小时通常采用成品型钢或钢管.跨度中等时采用焊接H形钢或箱形梁.跨度过大时可改用珩架式钢梁、组合梁以及钢结构网架等结构.因为主梁长度一般较长.次梁集中荷载与将此集中荷载折算成均布荷载时,计算误差较小.为计算方便,将钢大梁简化成一根承受均布荷载的大梁.在荷载的取值方面初次梁自重须折算成平米荷载,钢梁支撑的屋面面积大于60m2时活荷载标准值取0.3KN/m2外,其余与次梁荷载同.屋面大梁挠度按照《钢结构设计规范》中钢大梁类变形要求.

4.工程设计实例

4.1工程概况

本工程为某大学图书信息中心出纳大厅屋面采光顶工程.建筑面积650平方米.玻璃离地最大高度14.2米,屋面玻璃必须采用夹层玻璃.玻璃支撑体系为单梁式钢梁支撑.开间7.8米,将分成四格,每格为1.95米.次梁间距根据建筑设计精神,采用2米.工程平面图、剖面图见第1、2页

4.2主材料选用：

钢大梁跨度：19.88米开间：7.8米总长度：31.8米

屋面玻璃：12+1.52+8钢化夹层点式玻璃标准板块：1.93米*2.00米

钢大梁规格；H750X300X10/12材质：Q235

钢方管次梁：250X150X5材质：Q235

4.3技术指标