楊勇

【摘 要】框架幕墻由于其工期較短，造型多樣受到人們的廣泛青睞。幕墻工程組合立柱進(jìn)行抗風(fēng)壓性能，是檢驗(yàn)其質(zhì)量的最為重要的標(biāo)準(zhǔn)。本文就立柱撓度進(jìn)行分析，并通過計(jì)算對(duì)其變化規(guī)律與幕墻軟件計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，以供參考。

【關(guān)鍵詞】建筑幕墻；組合立柱；抗風(fēng)壓；撓度計(jì)算；有限元分析

建筑幕墻已越來越多地應(yīng)用于現(xiàn)代建筑，被越來越多的人所接受，結(jié)構(gòu)越來越多樣，功能也越來越完善。作為建筑的外圍護(hù)結(jié)構(gòu)，幕墻的安全性也是最重要的部分。

一、框架幕墻特點(diǎn)及立柱撓度的研究意義

（一）、系統(tǒng)的特點(diǎn)。（1）適用性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣。對(duì)于不同的外墻造型和裝飾效果，采用框架式幕墻系統(tǒng)一般都能實(shí)現(xiàn)。（2）對(duì)幕墻公司的整體規(guī)模、設(shè)計(jì)人員的綜合技術(shù)水平、加工設(shè)備的配置和精度等要求不高，國內(nèi)大多數(shù)幕墻單位均能承接。（3）前期材料準(zhǔn)備周期較短。（4）裝配組件一般較小。因?yàn)槟粔M裝構(gòu)件較小，不需要很大的儲(chǔ)存場所，較易實(shí)現(xiàn)在施工現(xiàn)場的存放，也便于上墻前幕墻材料的產(chǎn)品保護(hù)。

（二）、立柱撓度的研究意義。框架式幕墻的立柱一般按照一個(gè)樓層一根鋁合金立柱，上下樓層立柱之間通過鋁芯套連接而構(gòu)成整個(gè)連續(xù)的豎向支撐。大部分框架式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是將幕墻立柱的連接接縫設(shè)置在窗間墻部位，窗間墻玻璃豎向跨上下兩根鋁立柱，而玻璃的上橫料固定在上一樓層的立柱上，下橫料固定在下一樓層的立柱上，當(dāng)結(jié)構(gòu)發(fā)生相對(duì)位移或地震情況下，僅能通過窗間墻玻璃與上橫料之間的間隙消化結(jié)構(gòu)變形，只能容納有限的結(jié)構(gòu)位移，而立柱本身的撓度對(duì)其抗風(fēng)壓性、抗震性有著決定性的作用，因此本文對(duì)立柱撓度進(jìn)行研究。

二、實(shí)例分析

本文以某立柱跨度為9m、立柱左右分格均為1.2m的玻璃幕墻為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，根據(jù)具體的工程可以采用不同立柱形式進(jìn)行組合，如鋼鋁疊合立柱、型鋼立柱等。本文分別按規(guī)范方法計(jì)算、有限元分析及試驗(yàn)等三種途徑對(duì)鋼鋁疊合立柱的撓度進(jìn)行研究。

（一）、按規(guī)范方法計(jì)算進(jìn)行研究

1、組合立柱撓度計(jì)算原理。鋁立柱和鋼立柱接合面處設(shè)置抗剪螺釘連接件，且抗剪螺釘連接件沿立柱長度方向固定間距設(shè)置，組合立柱在標(biāo)準(zhǔn)風(fēng)荷載作用時(shí)，鋁合金型材和鋼型材之間沒有互相錯(cuò)位，二者協(xié)調(diào)變形。因此，鋁立柱和鋼立柱不是分別沿自身截面中性軸產(chǎn)生撓曲，而是沿組合立柱的中性軸產(chǎn)生撓曲。

2、組合立柱計(jì)算參數(shù)。在軟件計(jì)算中，鋁立柱截面繞X軸的毛截面慣性矩：Iax=3430500.OOOmm4，有效凈截面面積：Aa=1120.OOOmm2，Y方向形心坐標(biāo)：ya=97.2mm，彈性模量為0.70x105N/mm2；鋼立柱型材截面繞x軸的毛截面慣性矩：Iax=4792400.OOmm4，凈截面面積；Aa=2136.OOOmm2，Y方向形心坐標(biāo)，yan=108.5mm，彈性模量為2.06x105N/mm2；內(nèi)套鋼立柱下端到組合型材下端的距離為28.5mm。

3、立柱荷載計(jì)算

由此就得到了截面彎矩-曲率關(guān)系的表達(dá)式，對(duì)上式沿著梁長方向積分，就可以得到立柱的撓度。

4、按規(guī)范方法計(jì)算結(jié)果。組合立柱的分格寬度為1.2m，跨度為9m，取試驗(yàn)中最大風(fēng)壓值440pa為計(jì)算的基本風(fēng)壓，按照規(guī)范公式進(jìn)行計(jì)算，則鋼鋁疊合立柱的撓度11.778mm。

（二）通過有限元分析進(jìn)行研究

有限元分析軟件計(jì)算精度高，可以直觀的顯示出應(yīng)力和變形等優(yōu)點(diǎn)，受力或者造型復(fù)雜的結(jié)構(gòu)都可以通過有限元軟件進(jìn)行精確的受力分析。但是其缺點(diǎn)是建模比較復(fù)雜，需要大量時(shí)間。本文基于ANSYS有限元分析軟件對(duì)上文所述分格寬度為1.2m，跨度為9m 的鋼鋁疊合立柱進(jìn)行撓度研究

此處仍然基于基本風(fēng)壓W0=440pa時(shí)進(jìn)行整體結(jié)構(gòu)分析。將風(fēng)壓數(shù)值用于前述的結(jié)構(gòu)分析模型，經(jīng)ANSYS軟件分析后得到的框架幕墻的撓度云圖如圖3所示。

同樣采取從模型中截取框架幕墻的組合立柱，得到立柱的最大位移為9.443mm。

（三）、通過試驗(yàn)進(jìn)行結(jié)果驗(yàn)證

幕墻試件分別施加以下各級(jí)壓力差：-440Pa，-330Pa，-220Pa，-110Pa，OPa，110Pa，220Pa，330Pa，440Pa，在每級(jí)壓力差下記錄鋼鋁疊合立柱撓度見表1。鋼鋁疊合立柱撓度與從力差之間的關(guān)系曲線見圖4

從圖4得出：組合立柱的撓度與壓力差基本上呈線性關(guān)系；在正壓力差和負(fù)壓力差作用下，鋼鋁疊合立柱撓度值非常接近，鋼鋁疊合立柱變形可視為彈性變形。從試驗(yàn)數(shù)據(jù)中可以看都鋼鋁疊合立柱在風(fēng)壓440pa時(shí)撓度值為9.65

（四）、結(jié)果比較.通過按規(guī)范方法計(jì)算的最大撓度11.778mm與有限元分析的最大撓度9. 443mm以及試驗(yàn)測得最大撓度9.65mm進(jìn)行比較可知： 有限元分析所得撓度值與試驗(yàn)測得數(shù)據(jù)比較接近，而按規(guī)范方法計(jì)算所得撓度值與試驗(yàn)測得值差別較大。為此筆者對(duì)此測試結(jié)果進(jìn)行復(fù)核，可排除測試儀器的問題或位移計(jì)安裝偏差的問題，對(duì)立柱撓度進(jìn)行重復(fù)試驗(yàn)，測試結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性很好，撓度測試的結(jié)果可靠。經(jīng)分析，筆者認(rèn)為該幕墻鋼鋁疊合立柱的撓度按規(guī)范方法計(jì)算值與試驗(yàn)實(shí)測值有較大差別的主要原因是面板剛度較大。幕墻面板受力變形后荷載進(jìn)行了重新分配，與理論上荷載的分布情況有較大差別，導(dǎo)致理論計(jì)算結(jié)果與實(shí)測結(jié)果差別較大。

結(jié)束語

1）幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，當(dāng)面板剛度較小時(shí)，可考慮按規(guī)范進(jìn)行幕墻立柱的撓度計(jì)算。2）當(dāng)幕墻面板剛度較大時(shí)，面板剛度對(duì)幕墻整體的剛度影響較大，幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可按規(guī)范GB5009-2012進(jìn)行設(shè)計(jì)，但所得數(shù)據(jù)偏于保守，會(huì)造成材料的浪費(fèi)，若工程較大，建議做幕墻整體的有限元分析，控制工程成本當(dāng)幕墻面板剛度較大，且立柱所在幕墻風(fēng)格不同時(shí)，因面板變形引起的荷載重新分配，該立柱的計(jì)算不能按理論上的荷載分配方法進(jìn)行，應(yīng)采用立柱所在的較大的分格寬度進(jìn)行理論計(jì)算或進(jìn)行幕墻整體的有限元分析。