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建筑门窗抗风压受力分析和强度计算

来源:搜狐博客布衣王家　作者:* 　日期:2010-2-4 　页面功能【字体：大中小】【打印】【投稿】【评论】【啄木鸟】

    一、荷载标准值及基本风压
    风荷载是由于风压和热压的作用而形成的空气荷载。风压的确定，大致分为平均风速风压制和瞬时风速风压制。

    作用在建筑外窗上的平均风速风压制风荷载标准值应按下式计算：

    Wk=βgz*μs*μz*Wo

式中：

    wk—风荷载标准值(kN/m2)

    βgz—高度z处的风振系数；

    μs—风荷载体型系数；按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009 –2001采用

    μz—风压高度变化系数；按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009 –2001采用

    Wo—基本风压(kN/㎡)。按现行国家标准《建筑结构荷载规范》GB50009 –2001采用

    Wo值取《全国城市基本风压值》或《全国风压分布图》中数值乘以相应表中的调整系数。如下表1、表2、表3、表4：

    对于平坦或稍有起伏的地形，风压、高度的变化系数应根据地面粗糙度类别按表1确定，地面粗糙度可分为A、B、C、D四类。

    A类指近海、海面、海岛、海岸、湖岩及沙漠地区。

    B类指田野、乡村、丛林、丘陵、以及房屋比较稀疏的乡镇和城市郊区。

    C类指有密集建筑群的城市市区。

    D类指有密集建筑群且房屋较高的城市市区。

当计算的风荷载标准值小于0.75Kpa时，应按0.75Kpa采用。风荷载设计值W一般取标准值Wk的1.4倍。
　　二、荷载分布

    建筑外窗在风荷载作用下，承受与外窗平面垂直的横向水平力。外窗各框料间构成的受荷单元可视为四边铰接的简支板。在每个受荷单元的四角各作45°斜线，使其与平行于长边的中线相交。这些线把受荷单元分成四块，每块面积所承受的风荷载传给其相临的构件，每个构件可以近似地简化为简支梁上呈矩形、梯形或三角形的均布荷载。

　　三、荷载计算

    建筑外窗在风荷载作用下，受力杆件上的总荷载（Q）为该构所受荷面积（A）与施加在该面积上的单位风荷载（W）之乘积，按下式计算：

    Q=A*W

式中：

    Q       受力杆件所承受的总荷载

    A       受力杆件所承受的受荷面积

    W       施加在受荷面积上的单位风荷载

　　四、截面特性

    建筑外窗的受力构件在材料、截面积和受荷状态确定的情况下，构件的承载能力主要取决于与截面形状有关的两个特性，即截面的惯性矩与抵抗矩。

  1、  截面的惯性矩（I），它与材料的弹性模量（E）共同决定着构件的挠度（f）。

  2、  截面的抵抗矩（Wj），当荷载条件一定时，它决定构件应力的大小。

  3、  截面特性的确定    当建筑外窗采用标准型材时，其截面特性可在《材料手册》中查询。当建筑外窗采用非标准型材时，其截面特性需要通过计算来确定。

五、强度计算

    弯矩M的计算：

　　注：（1）上图1在矩形荷载作用下简支梁的弯矩按M=（Q*L）/8计算。

（2）上图2在梯形荷载作用下简支梁的弯矩见下表，其中K=KL/L。

（3）上图3在三角形荷载作用下简支梁的弯矩按M=（Q*L）/6计算。

　　注：（1）上图4在集中荷载作用于跨中时简支梁的弯矩按M=（P*L）/4计算。

（2）上图5在集中荷载作用于任意点上时简支梁的弯矩按M=（P*L1*L2）/L计算。

当向外平开窗的窗扇受负压或向内开平开窗的窗扇受正压且采用单点锁时，其窗框的竖框受荷情况按紧固五金件处有集中荷载作用的简支梁计算（图4、图5）；其窗扇边梃受荷情况可近似简化为以紧固五金件处为固端的悬臂梁上承受矩形均布荷载（图6），其弯矩按 M=（Q*L）/2计算。

　　注：建筑外窗受力构件上有均布荷载和集中荷载同时作用时，其弯矩为各弯矩的叠加代数和。

　　六、弯曲应力计算

    弯曲应力按以下公式计算：

    σmax=M/Wj≤〔σ〕

    Wj=I/C

　　式中：

    M          受力构件承受的最大弯矩，单位为牛顿米（N*m）。

    Wj         净截面的抵抗矩，单位为立方毫米（mm³）。

    δmax       计算截面上的最大应力，单位为兆帕（MPa）

    I          计算截面的惯性矩，单位为四次方毫米（mm^4）

    C          中和轴到截面边缘的最大距离，单位为毫米（mm）。

  〔σ〕        材料的抗弯允许应力，单位为兆帕（MPa）

　　七、剪力计算

　　注：（1）上图1在矩形荷载作用下剪力按Qˊ=±Q/2计算。

（2）上图2在梯形荷载作用下剪力按Qˊ=±Q（1－a/L）/2计算。

（3）上图3在三角形荷载作用下剪力按Qˊ=±Q/4计算。

　　注：（1）上图4在集中荷载作用于跨中时剪力按Qˊ=±P/2计算。

（2）上图5在集中荷载作用于任意点上时剪力按Qˊ=（P*L2）/L；Qˊ=－（P*L1）/L计算。

当向外平开窗的窗扇受负压或向内开平开窗的窗扇受正压且采用单点锁时，其窗框的竖框受荷情况按紧固五金件处有集中荷载作用的简支梁计算（图4、图5）；其窗扇边梃受荷情况可近似简化为以紧固五金件处为固端的悬臂梁上承受矩形均布荷载（图6），其剪力 Qˊ=－Q计算。

　　注：建筑外窗受力构件上有均布荷载和集中荷载同时作用时，其剪力为各剪力的叠加代数和。

　　八、剪切应力计算

    剪切应力按以下公式计算：

    τmax=( Qˊ*S)/(I*δ)≤〔τ〕

式中：

    Qˊ        计算截面所承受的剪力，单位为牛顿（N）。

    S          计算剪切应力处以上毛截面对中和轴的面积矩，单位为立方毫米（mm³）。

    I          毛截面的惯性矩，单位为四次方毫米（mm^4）

    δ          腹板的厚度，单位为毫米（mm）。

   〔τ〕       材料的抗剪允许应力，单位为兆帕（MPa）

　　九、挠度计算

　　注：（1）上图1在矩形荷载作用下挠度按ƒmax=(5Q*L³)/(384E*I)计算。

（2）上图2在梯形荷载作用下挠度按下表计算，其中K=KL/L。

（3）上图3在三角形荷载作用下挠度按ƒmax=(Q*L³)/(60E*I)计算。

　　注：（1）上图4在集中荷载作用于跨中时挠度按ƒmax=(P*L³)/(48E*I)计算。

    （2）上图5在集中荷载作用于任意点上时挠度按:

    ƒmax=（P*L1*L2*(L+L2)*(3L1*(L+L2))¹/²）/(27E*I*L)计算。
    当向外平开窗的窗扇受负压或向内开平开窗的窗扇受正压且采用单点锁时，其窗框的竖框受荷情况按紧固五金件处有集中荷载作用的简支梁计算（图4、图5）；其窗扇边梃受荷情况可近似简化为以紧固五金件处为固端的悬臂梁上承受矩形均布荷载（图6），其挠度按下式计算。

ƒmax=(P*L³)/(8E*I) ≤〔ƒ〕

注：建筑外窗受力构件上有均布荷载和集中荷载同时作用时，其挠度为各挠度的叠加代数和。

当窗为柔性镶嵌单层玻璃时: 〔ƒ〕=L/130

当窗为柔性镶嵌双层玻璃时: 〔ƒ〕=L/180

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