玻璃采光顶结构的荷载及组合

1、玻璃采光顶结构的定义

 (1)屋盖(roofsystem)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(roofplate；roofboard；roofslab)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75度-105度(90度±15度)范围内的墙体；竖直的为一般幕墙，其它为斜幕墙(内倾为75度—90度，外倾为90度-105度)。在90度±15度范围外均为屋盖。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加。

当屋面平行地面且坡度较小时，风荷载往往不是主要的，承重荷载是主要的；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，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。

玻璃采光顶的设计荷载：

 (1)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/㎡。

当采用中空、夹层玻璃时：500N/㎡。                   

 (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；

（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）活荷载是指采光顶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 1采用。屋面均布活荷载，不应与雪荷载同时组合。

表 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北京幕墙设计顾问，将标准值作0．2kN/㎡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：玻璃板中心

1 与水平面夹角小于30度的屋面玻璃，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度的屋面玻璃．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。

3)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。地区

如何考虑沙荷载按专用工程技术规范设计。

4)冰荷载或其它特殊作用和荷载按专用工程技术规范设计。

5)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。根据对玻璃采光顶震害分析，在地震作用下玻璃采光顶震害有两种类型：

①平面结构型式的单坡、双坡、半圆采光顶，在横向水平地震作用下，玻璃采光顶与柱头连接破坏，玻璃采光顶底部受挤压，跨度方向变形，双坡、半圆屋脊处开裂，单坡跨中过度弯曲而破坏；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空间结构形式的锥体，在地震作用下玻璃采光顶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顶挤压变形过大而破坏。

6)这就是说，玻璃采光顶受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。

7)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金属板幕墙，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。

8)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。

一阶弹性分析：不考虑结构二阶变形对内力产生的影响，根据未变形

的结构建立平衡条件，按弹性阶段分析结构内力及位移。

二阶弹性分析：考虑结构二阶变形对内力产生的影响，根据位移后的结

构建立平衡条件，按弹性阶段分析结构内力及位移。

所谓弹性，是指假定结构在弹性阶段工作，以杆件为例，所谓一阶分

析，是指分析时力的平衡条件按变形前的杆件轴线建立，而二阶分析中则按发生变形后的杆件轴线建立。

图(a) 为一对称单层框架及其荷载承业旭阳(天津)幕墙装饰工程有限公司，图(b)为由此框架柱脱离出来的半根柱及其荷载及按一阶分析时的简图，图(c)为此半根柱按二阶分析时的简图，图(d)为图(C)柱的隔离体。今拟用图(b)和图(C)来说明一阶弹性分析和二阶弹性分析结果的差别。

按一阶弹性分析时(b)的结果由材料力学得出：

固定端A的最大弯矩：M1=Hh

自由端的最大位移：6l=Hh3/(3EI) 

6l 与 H 呈线性关系，与荷载P无关。

求解此方程得柱的弯曲曲线方程y=y(x),

可得6l1与荷载呈非线性关系。固端弯矩与柱的轴力P有关。

 (11) 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。

玻璃采光顶性能要求及其试验方法探讨

1引言

随着玻璃在屋面的应用，建筑玻璃采光顶的应用越来越广泛，形式也越来越多样化。玻璃采光顶在我国虽然大量应用，而且幕墙行业内也在大量生产玻璃采光顶，但一直以来，我国对玻璃采光顶却并没有制定相应的标准。

2004年，建设部产品标准计划中已经将玻璃采光顶产品标准的编制列入计划。这本标准的编制将对玻璃采光顶的生产和质量管理提供依据。

采光顶在很多方面与玻璃幕墙有着相似之处，但也有许多不同的地方。

首先，采光顶的形式是复杂的。按照其大小分，既有屋面一小部分的类似天窗的采光顶，又有占据大部分屋面甚至全部屋面的采光顶。按照其外形分，既有较为平坦的造型，也有非常外凸的造型。按照其作用分，既有单纯用来采光的，也有采光、装饰、通风等多功能于一体的。

其次，采光顶的结构也非常多种多样。有与屋面结构甚至是与主体结构溶为一体的，也有仅仅附于主体结构之上的小型独立结构。结构形式的不同会使得其受力分析和性能要求也大为不同。

采光顶与玻璃幕墙最大的不同在于其朝向天空。这一朝向使得其与玻璃幕墙相比承受的太阳辐射大大增强，承受的雨水荷载大大增加，承受撞击的可能性更大，受到集中荷载的频率也会提高，从而有更多的性能要素要考虑。

从使用环境和功能要求出发，我们是可以知道其性能要求的。

2玻璃采光顶的性能分类

采光顶的性能要求与玻璃幕墙的性能要求有很多共同点。

1）两者均首先需要满足抗风压的性能要求；

2）两者均有水密性能的要求；

3）都有气密性能要求

4）都有采光要求；

5）都有保温、隔热、隔声要求；

 6）都有防雷、防火要求；

 7）防结露要求；

 8）抗撞击要求；

 9）抗震要求。

但是，采光顶还应该有如下的进一步要求：

1）防温度应力；

  2）防噪声要求；

  3）更高的防结露要求；

  4）更高的防冲击（撞击）要求；

  5）排水功能；

  6）集中荷载承受能力；

  7）承受雪荷载；

  8）承受冰雹冲击

针对这些要求，我们可以将其进行分类。

1）结构性能

这一性能包含了如下几个方面：

a) 抗风

   b) 局部集中荷载

   c) 雨荷载

   d) 雪荷载

   e) 温度应力

 f) 主体结构位移

 g) 寒冷地区防脆断设计

 2）密封性能

   a) 气密性

   b) 水密性

3）节能要求

a) 气密性

   b) 保温性能

   c) 遮阳系数

   d) 防结露设计

   e) 采光系数

4）安全性

a) 防火

   b) 防雷

   c) 抗冲击

   d) 抗震

   e) 防冰雹

5）功能要求

a) 防噪声

   b) 隔声

   c) 排水设计

3 玻璃采光顶的性能要求

3.1 结构性能

结构性能是采光顶最为重要的性能。

在结构性能方面，采光顶会承受较为均匀分布的荷载，如重力荷载、风荷载、地震荷载、雪荷载等。

采光顶也可能会承受不均匀的荷载，如集中荷载、雨水荷载、温度应力等。其实风荷载也会很不均匀，尤其对于大型的采光顶和较为外突的采光顶。

一般采光顶的风荷载可以按照《建筑结构荷载规范》GB50009 中规定的屋面围护结构取值。但对于比较特殊的、大型的、造型复杂的采光顶，则应进行比较详细的抗风分析，或者进行风洞试验。

对于大型（或是作为主体结构）的采光屋面，其结构应该按照主体结构进行结构抗风计算，而玻璃面板及其连接部位则应该按照围护结构进行计算。

对于局部集中荷载，《建筑玻璃应用技术规程》中有取值方法。雨荷载的取值则要按照给排水的有关设计要求，分析屋面的排水情况，考虑积水的可能深度，然后进行取值计算。

《建筑结构荷载规范》GB50009 第 4.3.1条规定：房屋建筑的屋面，其水平投影面上的屋面均布活荷载，应按下表采用。屋面均布活荷载，不应与雪荷载同时组合。

注：

1、不上人的屋面，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/㎡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止；必要时，应按积水的可能深度确定屋面活荷载。

4、屋顶花园活荷载不包括花圃土石等材料自重。

第 4.5.1条规定：设计屋面板、檩条、钢筋混凝土挑檐、雨篷和预制小梁时，施工或检修集中荷载（人和小工具的自重）应取1.0kN，并应在最不利位置处进行验算。

注：

1、对于轻型构件或较宽构件，当施工荷载超过上述荷载时，应按实际情况验算，或采用加垫板、支撑等临时设施承受。

2、当计算挑檐、雨篷承载力时，应沿板宽每隔1.0m取一个集中荷载；在验算挑檐、雨篷倾覆时，应沿板宽每隔2.5～3.0m取一个集中荷载。

雪荷载可以按照《建筑结构荷载规范》GB50009中规定的取值。

6.1.1 条规定：屋面水平投影面上的雪荷载标准值，应按下式计算：

6.2.2 条规定：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。

温度应力和主体结构位移则比较复杂，必须对整个屋面体系进行分析，从而计算可能的荷载。

对于寒冷地区，一定要进行寒冷地区防脆断设计。这一设计可以按照《钢结构设计规范》GB50017-2003中第8.7节提高寒冷地区结构抗脆断能力的要求进行设计。