CN105369956B - 点式玻璃采光顶的防水坡度设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种点式玻璃采光顶的防水坡度设计方法，其选用夹胶玻璃，所述的夹胶玻璃包含两片厚度均为t的玻璃，其由以下公式得出采光顶应保留的最小防水坡度，其中：d_f‑玻璃中部的最大挠度；△h‑玻璃端部排水高度差；b‑玻璃长边长；α‑玻璃采光顶的防水坡度；v‑玻璃的泊松比；E‑玻璃的弹性模量；γ_g‑玻璃的重力密度标准值；μ‑玻璃挠度系数，α0为在保证点式玻璃采光顶不积水的情况下，采光顶应保留的最小防水坡度。通过使用本发明所公开的设计方法，能够在保证点式玻璃采光顶不积水的情况下，得出采光顶应保留的最小防水坡度。

Description

点式玻璃采光顶的防水坡度设计方法

技术领域

本发明涉及一种点式玻璃采光顶的技术领域，特别涉及一种点式玻璃采光顶的防水坡度设计方法。

背景技术

玻璃采光顶主要是为解决建筑的内部采光问题而产生，早期于十九世纪中叶就已出现(1851年伦敦博览会“水晶宫”大厦)。玻璃采光顶可充分利用自然光，增加建筑与环境的亲和力，因此在建筑中被广泛采用。

玻璃采光顶在建筑物顶部，直接接受包括自然雨水、积雪等雨水来源。玻璃采光顶最常见的质量问题就是雨水渗漏。玻璃采光顶防水基本方法，归纳起来有两种：一是“导”，利用玻璃采光顶的坡度，将顶面雨水因势利导的迅速排除，使渗漏的可能性减少到最低；二是“堵”，利用防水材料，堵塞玻璃、构件间的缝隙，以防止雨水渗漏。其中，第一种是主要方面，防水效果好，省工、省料。因此，玻璃采光顶的防水措施，应以第一种为主。

由于玻璃采光顶设置排水坡度，就可以实现自然排水。因此，玻璃采光顶的防水，设计上的关键就是防水坡度的选择。玻璃采光顶的防水坡度选择，既要满足建筑外观和构造的需要，也要能满足排水的需要。建筑上，玻璃采光顶从外观和构造角度考虑，屋面坡度希望尽量平缓，防水坡度一般不会设置太大；而从防水功能角度考虑，为满足排水的需要，屋面防水坡度希望设置大一点。因此，应合理选择采光顶防水坡度，在满足排水需要的情况下，选择尽量小的防水坡度。

建筑上，屋面通常采用的防水坡度为2％。对于采用不具有吸水性、表面光滑的玻璃材料组成的玻璃采光顶来说，玻璃采光顶的防水坡度可以小于2％，但也还是需要保留一定的排水坡度。

而点式玻璃采光顶的特殊性在于：点式支承的玻璃在自重作用下存在较大的变形，比四边支承玻璃的变形大得多。玻璃的下挠变形实际上相当于减少了玻璃局部的排水坡度。过大下挠变形还有可能超过设计防水坡度下玻璃的排水高差，将玻璃局部的排水高差变成负值，这时就会造成玻璃局部的积水现象。

例如：某一点式玻璃采光顶工程，发现采光顶玻璃积水严重。

该工程采用1m×2m的6/1.52PVB/6夹胶玻璃，整体设2％防水坡度。请见图1，其为玻璃排水高差计算图。

按2％防水坡度、2000mm长边计算，玻璃端部排水高度差为：

Δh＝b×α＝2000×2％＝40mm

玻璃中部的排水高差为玻璃端部高差的一半，即为20mm。

玻璃中部的最大挠度d_f，按《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113-2009中公式(9.3.3-1)计算：

其中：

μ——玻璃挠度系数，按玻璃短边与长边之比查表(9.3.3)得到，μ＝0.01417

q——玻璃重力荷载的标准值，q＝12mm×25.6kN/m³＝0.3072kPa

b——玻璃长边长，b＝2m

D——玻璃的刚度，按按《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113-2009中公式(9.3.3-2)计算：

E——玻璃的弹性模量，E＝0.72×10⁵MPa

v——玻璃的泊松比，v＝0.2

t_e——玻璃的等效厚度

于是：

玻璃中部在重力作用下，其下挠度超过了玻璃中部的排水高差达25.8-20＝5.8mm。这就是玻璃产生积水的原因。

由此可见，即使设置2％的防水坡度，玻璃在重力作用下，其中部仍可能出现排水高差不够问题，不可避免地产生积水现象。

有鉴于此，为了设计出合理的防水坡度，本发明人基于相关领域的研发，并经过不断测试及改良，进而有本发明的产生。

发明内容

本发明的目的是提供一种点式玻璃采光顶的防水坡度设计方法，可在保证点式玻璃采光顶不积水的情况下，得出采光顶应保留的最小防水坡度。

为达上述目的，本发明提供一种点式玻璃采光顶的防水坡度设计方法，其选用夹胶玻璃，所述的夹胶玻璃包含两片厚度均为t的玻璃，其具有如下设计步骤：

1)计算夹胶玻璃在重力作用下玻璃中部的下挠度应满足的条件：

其中：

d_f-玻璃中部的最大挠度；

△h-玻璃端部排水高度差；

b-玻璃长边长；

α-玻璃采光顶的防水坡度；

2)计算夹胶玻璃的中部在重力作用下的最大挠度d_f：

其中：

v-玻璃的泊松比；

E-玻璃的弹性模量；

γ_g-玻璃的重力密度标准值；

μ-玻璃挠度系数；

3)根据步骤1)和步骤2)中的两个公式，得出对防水坡度α的要求：

α₀为在保证点式玻璃采光顶不积水的情况下，采光顶应保留的最小防水坡度。

所述的点式玻璃采光顶的防水坡度设计方法，其中，所述的夹胶玻璃由两片厚度均为5mm的玻璃组成，点式玻璃采光顶玻璃重力下挠度最大值的关系表格为：

点式玻璃采光顶玻璃重力下防水坡度最小值的关系表格为：

所述的点式玻璃采光顶的防水坡度设计方法，其中，所述的夹胶玻璃由两片厚度均为6mm的玻璃组成，点式玻璃采光顶玻璃重力下挠度最大值的关系表格为：

点式玻璃采光顶玻璃重力下防水坡度最小值的关系表格为：

所述的点式玻璃采光顶的防水坡度设计方法，其中，所述的夹胶玻璃由两片厚度均为8mm的玻璃组成，点式玻璃采光顶玻璃重力下挠度最大值的关系表格为：

点式玻璃采光顶玻璃重力下防水坡度最小值的关系表格为

所述的点式玻璃采光顶的防水坡度设计方法，其中，所述的夹胶玻璃由两片厚度均为10mm的玻璃组成，点式玻璃采光顶玻璃重力下挠度最大值的关系表格为：

点式玻璃采光顶玻璃重力下防水坡度最小值的关系表格为：

所述的点式玻璃采光顶的防水坡度设计方法，其中，所述的夹胶玻璃由两片厚度均为12mm的玻璃组成，点式玻璃采光顶玻璃重力下挠度最大值的关系表格为：

点式玻璃采光顶玻璃重力下防水坡度最小值的关系表格为

本发明的有益效果是：通过本发明所提供的设计方法，能够在保证点式玻璃采光顶不积水的情况下，得出采光顶应保留的最小防水坡度，从而实现自然排水。

附图说明

图1为玻璃排水高差计算图；

表1-1为夹胶玻璃内、外片厚度均等于5mm时的点式玻璃采光顶玻璃重力下挠度最大值的关系表格；

表1-2为夹胶玻璃内、外片厚度均等于5mm时的点式玻璃采光顶玻璃重力下防水坡度最小值的关系表格；

表2-1为夹胶玻璃内、外片厚度均等于6mm时的点式玻璃采光顶玻璃重力下挠度最大值的关系表格；

表2-2为夹胶玻璃内、外片厚度均等于6mm时的点式玻璃采光顶玻璃重力下防水坡度最小值的关系表格；

表3-1为夹胶玻璃内、外片厚度均等于8mm时的点式玻璃采光顶玻璃重力下挠度最大值的关系表格；

表3-2为夹胶玻璃内、外片厚度均等于8mm时的点式玻璃采光顶玻璃重力下防水坡度最小值的关系表格；

表4-1为夹胶玻璃内、外片厚度均等于10mm时的点式玻璃采光顶玻璃重力下挠度最大值的关系表格；

表4-2为夹胶玻璃内、外片厚度均等于10mm时的点式玻璃采光顶玻璃重力下防水坡度最小值的关系表格；

表5-1为夹胶玻璃内、外片厚度均等于12mm时的点式玻璃采光顶玻璃重力下挠度最大值的关系表格；

表5-2为夹胶玻璃内、外片厚度均等于12mm时的点式玻璃采光顶玻璃重力下防水坡度最小值的关系表格。

具体实施方式

有关本发明为达到上述的使用目的与功效及所采用的技术手段，现举出较佳可行的实施例，详述如下：

由背景技术分析看来，玻璃采光顶防水坡度的选择，不仅要考虑采光顶整体的排水坡度，更重要的是要考虑玻璃局部的排水高差问题。

显然，要避免采光顶玻璃中部的积水现象，玻璃中部在重力作用下的挠度不能超过玻璃在设计防水坡度下的排水高差。这就是对选择玻璃采光顶防水坡度的要求。

也就是说，在重力作用下玻璃中部的下挠度应满足：

(式1)

其中：

d_f——玻璃中部的最大挠度，可按《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113-2009中公式(9.3.3-1)计算

b——玻璃长边长；

α——玻璃采光顶的防水坡度；

(式1)

就是判断玻璃采光顶防水坡度选择是否合理的公式。这个判断式，适用于所有玻璃采光顶，包括点式玻璃采光顶、玻璃雨棚。

下面说明点式玻璃采光顶玻璃厚度与变形的关系：

点式玻璃采光顶的玻璃一般采用夹胶玻璃，其中部在重力作用下的最大挠度d_f，按《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113-2009中公式(9.3.3-1)计算：

(式2)

考虑到绝大多数情况下，采光顶玻璃一般采用等厚两片玻璃的夹胶合成，因而，假定采光顶的夹胶玻璃由厚度为t₁＝t₂＝t的两片玻璃组成。

玻璃的重力密度标准值为γ_g。则，玻璃重力荷载的标准值为：

q＝γ_g(t₁+t₂)＝2γ_gt

玻璃的等效厚度为：

于是，(式2)可以继续简化为：

(式3)

由 (式3)

可见，点式玻璃采光顶在其玻璃边长不变情况下，玻璃在重力作用下最大挠度与单片玻璃厚度的平方成反比。

这说明，夹胶玻璃厚度的增加，将大大降低玻璃的重力挠度，例如，在当夹胶玻璃的单片玻璃厚度由6mm变为8mm时，玻璃挠度将降为原来的56.3％，效果十分明显。

以上面的工程为例，1m×2m的6/1.52PVB/6夹胶玻璃经计算得到的玻璃下挠度为25.8mm。如果改为8/1.52PVB/8的夹胶玻璃，玻璃下挠度将降为14.5mm，降低了25.8-14.5＝11.3mm。这时，玻璃重力下的挠度可以满足的要求，玻璃中部不会产生积水现象。

因此，点式玻璃采光顶防水坡度与玻璃厚度的关系为：

将(式3)应用到 (式1)，得到：

(式4)

将 (式4)转换，表示成对防水坡度的要求：

(式5)

即是判断防水坡度是否合理的公式。

这里，如果令：

(式6)

则， (式5)即表示为：

α≥α₀ (式7)

α≥α₀ (式7)表明，α₀为在保证点式玻璃采光顶不积水的情况下，采光顶应保留的最小防水坡度。

由可见，采光顶最小防水坡度与单片玻璃厚度的平方成反比。这说明，夹胶玻璃厚度的增加，可以大大减小对采光顶防水坡度的要求。

以上面的工程为例，1m×2m的6/1.52PVB/6夹胶玻璃，经计算得到采光顶最低的防水坡度要求为2.58％，大于原设计的2％的防水坡度。这说明，按原设计的2％的防水坡度，玻璃中部肯定存在积水问题。

如果改用8/1.52PVB/8夹胶玻璃，经计算得到采光顶最低的防水坡度要求为1.45％，小于原设计的2％的防水坡度。这时，按原设计的2％的防水坡度，玻璃中部将不会存在积水问题。

分析(式6)，我们知道：采光顶最小防水坡度与采光顶夹胶玻璃的单片玻璃厚度的平方成反比。由此，我们可以得出如下结论：

1)增加采光顶夹胶玻璃的厚度，对降低采光顶最小防水坡度作用十分明显。

2)防水坡度要越小，采光顶夹胶玻璃的厚度就要越厚，这必然增加工程造价。

3)防水坡度如果取大，就可以减小玻璃厚度，这可以降低工程造价。

因此，在做点式玻璃采光顶设计时，应选择合适的防水坡度，如果一味的强调采光顶的平缓效果(有时建筑师希望采光顶的高差尽量小)，则可能产生积水而易引发雨水渗漏，或是需要增加玻璃厚度而增加工程造价。

所以，选择防水坡度的原则是：防水坡度的选择，要兼顾建筑效果和工程造价的要求，选择较小的玻璃厚度或防水坡度，找到玻璃厚度和防水坡度参数的优 势组合。

由于玻璃挠度系数μ与玻璃的短边、长边之比的非线性关系，我们无法推导出点式玻璃采光顶的防水坡度与玻璃厚度的关系的解析公式，但我们可以利用

(式3)、

(式6)，

通过数值计算列出常见的玻璃厚度与重力挠度、最小防水坡度的关系表格。

我们进行数值计算时，选择如下常见采光顶玻璃参数进行：

1)玻璃短边长度a＝900～2100(间隔100)。

2)玻璃的短边、长边之比0.3，0.4，0.5，0.55，0.6，0.65，0.70，0.75，0.80，0.85，0.90，0.95，1(此比值系列引自《建筑玻璃应用技术规程》JGJ113-2009中表(9.3.3))。

3)玻璃厚度t＝5+5，6+6，8+8，10+10，12+12(未标PVB胶片厚度)。

请见表1-1，其为夹胶玻璃内、外片厚度均等于5mm时的点式玻璃采光顶玻璃重力下挠度最大值的关系表格

表1-1

请见表1-2，其为夹胶玻璃内、外片厚度均等于5mm时的点式玻璃采光顶玻璃重力下防水坡度最小值的关系表格

表1-2

请见表2-1，其为夹胶玻璃内、外片厚度均等于6mm时的点式玻璃采光顶玻璃重力下挠度最大值的关系表格

表2-1

请见表2-2，其为夹胶玻璃内、外片厚度均等于6mm时的点式玻璃采光顶玻璃重力下防水坡度最小值的关系表格

表2-2

请见表3-1，其为夹胶玻璃内、外片厚度均等于8mm时的点式玻璃采光顶玻璃重力下挠度最大值的关系表格

表3-1

请见表3-2，其为夹胶玻璃内、外片厚度均等于8mm时的点式玻璃采光顶玻璃重力下防水坡度最小值的关系表格

表3-2

请见表4-1，其为夹胶玻璃内、外片厚度均等于10mm时的点式玻璃采光顶玻璃重力下挠度最大值的关系表格

表4-1

请见表4-2，其为夹胶玻璃内、外片厚度均等于10mm时的点式玻璃采光顶玻璃重力下防水坡度最小值的关系表格

表4-2

请见表5-1，其为夹胶玻璃内、外片厚度均等于12m时的点式玻璃采光顶玻璃重力下挠度最大值的关系表格

表5-1

请见表5-2，其为夹胶玻璃内、外片厚度均等于12mm时的点式玻璃采光顶玻璃重力下防水坡度最小值的关系表格

表5-2

对表中数据，需要说明的是：

1)玻璃在重力作用下的挠度值，是按本文(式3)计算确定的。

2)玻璃挠度超过长边长度1/60的，由于超过规范允许限值，挠度值将不在表中列示，用“—”表示。

3)采光顶防水坡度的最小值，是按本文(式6)计算确定的。

4)玻璃厚度的选择，应同时满足玻璃的强度和刚度要求(本文未作探讨，请参考有关规范)。

利用以上点式玻璃采光顶防水坡度选用表，我们在设计时就可以快速选择合适的玻璃厚度和防水坡度。

我们可以有两种方式应用此选用表：

1、在施工设计中，玻璃分格一般已按建筑师的要求确定。这时，我们可以查表选出最小玻璃厚度或防水坡度：

a)如果建筑师已给定采光顶的防水坡度，我们可以按玻璃的边长，在表中查到需用的最小玻璃厚度。

b)如果设计上已选定采光顶玻璃的厚度，我们可以按玻璃的边长，在表中查到需选用的最小防水坡度。

2、在方案设计中，玻璃的分格一般需要优化设计再确定。这时，我们可以查表选出最优设计方案：

a)如果建筑师已给定采光顶的防水坡度，我们就可以按表中数据找出玻璃 边长与玻璃厚度的多种可能组合，再进行建筑、经济上的方案比选，选出最优方案。

b)如果设计上已选定采光顶玻璃的厚度，我们就可以按表中数据找出玻璃边长与防水坡度的多种可能组合，再进行建筑、经济上的方案比选，选出最优方案。

综上所述，玻璃采光顶主要的防水措施是通过设置合适的防水坡度来实现自然排水。选择采光顶的防水坡度，需要保证玻璃中部在重力下的挠度变形不能造成玻璃局部的积水。当玻璃中部在设计防水坡度下的排水高差超过在重力作用下的挠度时，玻璃中部就不会积水而形成“水洼”。

从这一原理出发，通过分析点式玻璃采光顶玻璃厚度与重力作用下的挠度变形、防水坡度的关系，得出结论：

1)点式玻璃采光顶最小防水坡度与夹胶玻璃单片玻璃厚度成反比。玻璃厚度对选取采光顶防水坡度影响很大。

2)增加玻璃厚度，可以显著减小对采光顶防水坡度的要求，但会增加工程造价。防水坡度的选择，要兼顾建筑效果和工程造价的要求。

3)工程设计中常采用经验法选取2％左右的防水坡度，甚至更小，很多点式玻璃采光顶工程因防水坡度不够而产生积水现象。本文提供的计算最小防水坡度的公式和数值选用表可供精确计算和选取点式玻璃采光顶防水坡度。这些计算公式和数值选用表同样适用于与点式玻璃采光顶构造类似的点式玻璃雨棚。

由于点式玻璃采光顶的特性，其防水坡度的选择更需要考虑重力挠度的影响。本发明适用于点式玻璃采光顶或与采光顶类似的雨棚等建筑物的设计。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可做出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种点式玻璃采光顶的防水坡度设计方法，其选用夹胶玻璃，所述的夹胶玻璃包含两片厚度均为t的玻璃，其特征在于，具有如下设计步骤：

1)计算夹胶玻璃在重力作用下玻璃中部的下挠度应满足的条件：

其中：

d_f-玻璃中部的最大挠度；

Δh-玻璃端部排水高度差；

b-玻璃长边长；

α-玻璃采光顶的防水坡度；

2)计算夹胶玻璃的中部在重力作用下的最大挠度d_f：

其中：

v-玻璃的泊松比；

E-玻璃的弹性模量；

γ_g-玻璃的重力密度标准值；

μ-玻璃挠度系数；

3)根据步骤1)和步骤2)中的两个公式，得出对防水坡度α的要求：

α：为在保证点式玻璃采光顶不积水的情况下，采光顶应保留的最小防水坡度。