玻璃采光顶结构的荷载及组合

作者：龙  文  志

一 玻璃采光顶结构的定义：
1、屋盖：根据《建筑结构设计术语和符号标准》（GB/T50083-97）定义如下：在房屋顶部，用以承受各种屋面作用的屋面板、屋面梁或屋架及支撑系统组成的部件或以拱、网架、薄壳和悬索等大跨空间构件与支承边缘构件所组成的部件的总称。
2、屋面板定义如下：直接承受屋面荷载的面板。
3、玻璃采光顶定义如下：屋面板为玻璃的屋盖。
若以面板对地面倾角来分：幕墙指对地面倾角在  75O～ 105O（90O 15O）范围内的墙体；竖直的为一般幕墙，其它为斜幕墙（内倾为75O～90O，外倾为90O～105O）。在90O 15O范围外均为屋盖。建筑玻璃采光顶是屋面板为硅酸盐系玻璃的屋盖；
4、玻璃雨篷是非封闭式建筑玻璃采光顶；玻璃屋顶是封闭式建筑玻璃采光顶；玻璃采光顶承受的荷载包括自重、风荷载、活荷载、雪荷载。还应考虑非对称荷载的作用和效应；必要时还需考虑冰荷载、积雪荷载、积水荷载的作用和效应；
此外还需考虑地震、温度变化、地基变形等作用。风荷载是垂直作用于采光顶表面，自重、活荷载、雪荷载及其它荷载是采光顶水平投影面的荷载，荷载作用方向和分布是不同的，不能简单的将计算结果相加，而必须转换成同一作用方向与同一种分布的计算值后相组合。风荷载可能有时是控制荷载，可能有时不是控制荷载；而在其它工况，风荷载与重力荷载大多数都是同一数量级，而建筑玻璃幕墙的风荷载往往是主要的控制荷载，这是建筑玻璃采光顶和建筑玻璃幕墙的重大区别，这就决定了两者结构的区别，一般来说，建筑玻璃采光顶结构比建筑玻璃幕墙结构更为复杂、种类更多，建筑玻璃采光顶结构应归属建筑屋盖系统，不宜归属建筑幕墙系统。

二 玻璃采光顶的设计荷载。
  （l）自重。包括玻璃杆件、连接件、附件等自重，自重是按构件实际长度均匀分布的垂直作用于水平面的荷载，当缺乏资料时，可采用下列预估参数：
    当采用单层玻璃时：400N／m2。
当采用中空、夹层玻璃时：500N／m2。
(2)风荷载是垂直作用于采光顶表面的荷载，按下述公式计算：
1) 当重力荷载为控制荷载,风荷载宜按(7.1.1.1)式计算;
      （7．1．1•1）
式中   Wk风荷载标准值(kN／m2）；
       ——高度Z处的风振系数;
        _____风荷载体型系数；
        _____风压高度变化系数；
      W。——基本风压（kN/m2）。
2)当风荷载为控制荷载,风荷载宜按(7.1.1.2)式计算。
      （7．1．1•2）
  _______高度Z处的阵风系数。
3)建筑玻璃采光顶应考虑正风压、负风压荷载的作用和效应,必要时尚应考虑非对称荷载的作用和效应。

（3）雪荷载是指采光顶水平投影面上的雪荷载，按GB50009的规定设计。其中第6．2．2条:设计建筑结构及屋面的承重构件时，可按下列规定采用积雪的分布情况：
    1、屋面板和檩条按积雪不均匀分布的最不利情况采用；
    2、屋架和拱壳可分别按积雪全跨均匀分布情况、不均匀分布的情况和半跨的均匀分布的情况采用；
    3、框架和柱可按积雪全跨的均匀分布情况采用。
    4、其他屋面形式，对规范典型屋面图形以外的情况，设计人员可根据上述说明推断酌定.
  (4)活荷载是指采光项水平投影面上的活荷载，按GB50009的规定。房屋建筑的屋面；其水平投影面上的屋面均布活荷载，应按表4．3．1采用。屋面均布活荷载，不应与雪荷载同时组合。
  表4.3．1屋面均布活荷载

  注：1)不上人的层面，当施工或维修荷载较大时．应按实际情况采用；对不同结构应按有关设计规范的规定，将标准值作0．2kN／m 的增减。
     2)上人的屋面，当兼作其他用途时，应按相应楼面活荷载采用。
     3)对于因屋面排水不畅、堵塞等引起的积水荷载，应采取构造措施加以防,必要时，应按积水的可能深度确定屋面活荷载。
(5)对承受活荷载的屋面玻璃．活荷载的设计应符合下列规定：
    1、对上人的屋面玻璃，应按分布荷载和集中荷载最不利情况，分别计算：玻璃板中心点直径为150mm的区域内，应能承受垂
直于玻璃为1．8kN的活荷载。
    2、对不上人的屋面玻璃，设计应符合下列规定：
    1）与水平面夹角小于30”的屋面玻璃，在玻璃板中心点直径为150mm的区域内，应能承受垂直于玻璃为   1．1kN 的活荷载。
    2）与水平面夹角不小于30“的屋面玻璃．在玻璃板中心直径为150mm的区域内．应能承受垂直于玻璃为0．5kN 的活荷载。
(6)屋面积灰荷载、施工和检修荷载按《GB50009》第4.4和第4.5条选用。沙尘暴地区如何考虑沙荷载按专用工程技术规范设计。
(7)冰荷载或其它特殊作用和荷载按专用工程技术规范设计。
(8)应按《建筑抗震设计规范》(GB50011)作抗震设计。有地震作用时,尚需考虑水平地震和竖向地震作用。根据对玻璃采光项震害分析，在地震作用下玻璃采光项震害有两种类型：
    1．在纵向水平地震作用下，玻璃错动而掉落，杆件倾倒，支撑破坏，采光顶倾覆。
    2．在地震作用下玻璃采光须与主支承体系的连接破坏，或主支承体系水平变形过大而使玻璃项挤压变形过大而破坏。
    这就是说，玻璃采光顶在地震作用的破坏情况是多种多样的，有地震作用时,尚需考虑水平地震和竖向地震作用。
(8)玻璃采光顶结构与建筑物主体结构密切相连,有些甚至与主体结构不可分割或很难分割,结构类型多且受力特性不同,其地震作用及其它作用的反应各异,根据国家已颁布的标准和规范,研究制定专用的规定。
(9)刚性结构体系可按一阶弹性分析;  柔性结构体系宜按二阶弹性分析;半柔性结构按专用工程规范规定。
(10)建筑玻璃采光顶必要时还需进行剩余强度设计验算和试验。“剩余强度” 的概念有三层意思：
一是对整个结构而言，当组成该结构的一个或数个部件发生破坏时，尽管整个结构没有原来设计的最大承载能力，但不会发生结构的整体破坏，整体结构仍然具有可以接受的最低安全水平。
二是最低安全水平维持的时间，要能够满足恢复整体结构达到正常安全水平的要求。
三是结构承受疲劳荷载的情况下，裂纹扩展后的剩余强度能否承受规定的使用荷载。
三、玻璃采光顶荷载组合
依照《GB50009》3.2.3条、3.2.5条及说明 建议如下:
(1)对于基本组合,荷载效应组合的设计值s应从下列组合值中取最不利值确定：
1)由可变荷载效应控制的组合(3.2.3-1)

式中 ——永久荷载的分项系数，应按第3．2．5条采用；
     ——第i个可变荷载的分项系数，其中 为可变荷载
            Q1的分项系数，应按第3．2．5条采用,
    SGk——按永久荷载标准值Gk计算的荷载效应值；
    SQik－－可变荷载标准值 Qik计算的荷载效应值，其中SQ1k为诸可变荷载效应中起控制作用者；
——可变荷载Qi的组合值系数，应分别按各章的规定
          采用；
    n——参与组合的可变荷载数。
2)由永久荷载效应控制的组合(3.2.3-2)。

注：1基本组合中的设计值仅适用于荷载与荷载效应为线性的情况。
    2当对SQ1k无法明显判断时，轮次以各可变荷载效应为SQ1k，选其中最不利的荷载效应组合。
3当考虑以竖向的永久荷载效应控制的组合时，参与组合的可变 荷载仅限于竖向荷载。
在承载能力极限状态的基本组合中，公式（3．2．3－1）和
（3．2．3-2）给出了荷载效应组合设计值的表达式，建立表达式的目的是在于保证在各种可能出现的荷载组合情况下，通过设计都能使结构维持在相同的可靠度水平上。
  由公式（3．2．3－2）给出的由永久荷载效应控制的组合设计值，当结构的自重占主要时，考虑这个条件就能避免可靠度偏低的后果；虽然过去在有些结构设计规范中，也曾为此专门给出某些补充规定，例如对某些以自重为主的构件采用提高重要性系数、提高屋面活荷载的设计规定，但在实际应用中，总不免有挂一漏万的顾虑。采用公式（3．2．3-2）后，在撤消这些补漏规定的同时，也避免了安全度可能不足之后果。
(2)基本组合的荷载分项系数(3.2.5条)，应按下列规定采用：
    1永久荷载的分项系数：
      1）当其效应对结构不利时
      一对由可变荷载效应控制的组合，应取1．2；
      一对由永久荷载效应控制的组合，应取1．35；
      2）当其效应对结构有利时
      —  一般情况下应取1．0；
      一对结构的倾覆、滑移或漂浮验算，应取0.9
    2 可变荷载的分项系数,一般情况下: SQ1k 可取1.4；雪荷载可取0.7,风荷载可取O.6,活荷载可取O.7,其它及各种作用的分项系数按专用工程规范确定。
分析表明，当永久荷载效应与可变荷载效应相比很大时，若仍采用 =1．2，则结构的可靠度远不能达到目标值的要求，因此，在式（3．2．3-2）中给出由永久荷载效应控制的设计组合值中，相应取 =1．35。
分析表明，当永久荷载效应与可变荷载效应异号时，若仍采用 =1．2，则结构的可靠度会随永久荷载效应所占比重的增大而严重降低，此时， 宜取小于1的系数。但考虑到经济效果和应用方便的因素，建议取 ＝1。而在验算结构倾覆.滑移或漂浮时，一部分永久荷载实际上起着抵抗倾覆、滑移或漂浮的作用，对于这部分永久荷载，其荷载分项系数 显然也应取用小于1的系数，规范对此建议采用 ＝0．9，而实际上在不同材料的结构中，出于历史经验的不同，对此也有采用更小的系数，以提高结构抗倾覆、滑移或漂浮的可靠性。
例如南岭、武夷山脉以南及其它雪压小的地区的玻璃采顶很有可能永久荷载效应成为控制组合,则按由(3.2.3-2)确定;而对高雪值区或风荷载大的地区玻璃采光顶,有可能可变荷载效应成为控制组合,就要由(3.2.3-1)确定;
(3) 必须注意，给出的表达式都是以荷载与荷载效应有线性关系为前提，对于明显不符合该条件的情况，应在各自结构设计规范中对此作出相应的补充规定。这个原则同样适用于正常使用极限状态的各个组合的表达式中。
(4)对于雪荷载敏感结构,(例如轻型屋盖,雪荷载远远大于结构自重的结构)风荷载敏感结构(例如刚度不大的结构或柔性结构) 应在各自结构设计规范中作出相应的补充规定。
四挠度设计限制及材料强度设计值
1挠度的限值
挠度限值的主要目的是防止支承结构过大变形引起面板玻璃的法向弯曲而导致破裂。而这种弯曲最终还是由每一分格的玻璃来承受。因此建议挠度双控限值采用德国哈特曼公司的设计计算改进后的模式（参考文献三）。如下图示意：
                                             
     
                     
                     
          改进前的模式
                        
      
               
                        
                    
改进后的模式
2 风荷载作用下的结构侧移:
1)侧向荷载标准值S,一般情况相等于侧向风荷载标准值。
2)结构的侧移限值,不宜大于结构高度1/500
3屋面玻璃的强度设计值应符合下列规定：
    1)夹层玻璃的强度设计值应为14MPa；
    2)钢化玻璃的强度设计值应为42MPa；
    3)半钢化夹层玻璃的强度设计值应为24MPa；
    4)单片防火玻璃的强度设计值应为63MPa。
5)用于屋面的夹层玻璃，夹层胶片厚度不应小于0．76mm
4其它材料强度设计值同JGJ102-2003第5.2节。
       玻璃采光顶的玻璃破裂的事故较多, 有时把破裂玻璃换以新玻璃, 照样发生破裂, 有些事故很有可能是设计组合不当、可靠度不够所致。理论和实践都说明: 玻璃采光顶的结构有其自身的规律和特点,我们还了解不够。本文是对目前正在编制《建筑玻璃采光顶》行业标准资料性附录的初浅建议,抛砖引玉,仅供参考,不妥之处,请批评指正。
                                                                                                                                    2005年1月18日