【 第一幕墻網 】
摘要:玻璃幕墻是由金屬構件與板材組成的建筑物維護結構。玻璃幕墻立柱是決定幕墻結構形式安全可靠的關鍵因素之一,玻璃幕墻結構的設計,主要取決于幕墻立柱結構的力學計算。本文介紹了玻璃幕墻結構的受力特點,并對幕墻立柱的計算模型進行探討和優(yōu)化。 前言 玻璃幕墻是現(xiàn)代建筑的象征。它的功能和特征主要有: 1)滿足大廈圍護作用和要求,防止風和雨,隔絕冷熱,減少噪聲和污染; 2)大面積引進自然光。玻璃幕墻打破了傳統(tǒng)的墻與窗界限,玻璃幕墻可以視為窗的無限擴大,也可以視為透光的墻壁,在這里窗和墻已合為一體; 3)開闊室內視野,把大片景色引入室內,溝通了室內外聯(lián)系; 4)造就建筑物的環(huán)境效應,讓建筑物富有光的質感,映在玻璃上的景觀使建筑物外表情景交融,豐富了人們的想象,并呈現(xiàn)出四維空間的動感; 5)在建筑物立面上玻璃幕形成大面積的虛效果和虛形態(tài),造成了整個建筑物的開放、簡潔、洗煉的形象。 玻璃幕墻按圍護結構設計,它是懸掛在主體結構上的框架式結構,分層承載安裝,不承受主體結構的荷載和作用。 作用在幕墻上的荷載和作用有:重力荷載、風荷載、撞擊荷載(如冰雹、投擲物及碰撞物等)、地震作用、溫度作用,其中風荷載產生的效應最大,起控制作用。 當幕墻玻璃受到荷載的作用后,荷載首先傳給幕墻結構(立柱和橫梁),再通過墻上鋼件的眾多錨固點傳到建筑物的邊梁上。立柱是幕墻的主要受力構件,橫梁是幕墻的次要受力構件。它們在荷載的作用下產生彎曲、拉伸、剪切、擠壓等效應。其支承條件須有一定的變形能力,以適應結構的位移,達到最大的承載能力,避免在荷載、地震和溫度作用下產生破壞和影響使用。 設計計算鋁合金玻璃幕墻立柱時,根本的問題是在結構的可靠性與經濟性之間選擇一種合理的平衡,力求所建造的幕墻安全可靠、經濟合理,滿足規(guī)定的各項功能要求。幕墻立柱要根據擬定的結構方案和構造進行計算。按所承受的作用進行內力分析,再根據鋁合金的材料特性對立梃進行核算,看是否符合安全可靠、經濟合理等方面的要求。 1. 力學計算模型 建筑物外立面上的玻璃幕墻承受著荷載、重力及地震的作用,同時還要吸收溫差及樓層沉降所引起變形的作用。由于幕墻自重力相對于其它荷載(如風荷載等)很小,本文對此分析予以省略。將風荷載及其它垂直于幕墻表面的作用力都按垂直作用在幕墻立柱上的均布荷載考慮。 現(xiàn)以圖1為例進行分析:立柱Ⅰ上端通過轉接件1用螺柱固定在N層樓的節(jié)點1上,立柱的下端套在下一層立柱的套管上,立柱Ⅱ連同套管通過轉接件固定在N-1層樓的節(jié)點2上,立柱Ⅰ和Ⅱ之間有20mm的伸縮縫,如此反復,形成自上而下的一根連續(xù)的立柱。立柱Ⅰ在節(jié)點1處,其水平和豎向位移都受到了限制,因此可以簡化為固定鉸支座,立柱下端可以豎向伸長,但水平活動也受到一定的限制。 這是由于立柱和套管彎曲變形時,套管套在立柱上,使套管和立柱一起彎曲變形,因此立柱和套管之間相互作用產生彎矩和剪力。如果立柱和套管之間僅傳遞剪力,套管沒有承受彎矩,不產生彎曲變形,僅產生剪切變形,這是不符合工程實際的。這種在活動鉸支座承受一個附加彎矩,而這個彎矩又是相鄰兩跨梁的彎曲變形一致性而產生的,這正是材料力學連續(xù)梁的力學模型,可用三彎矩方程求解。 過去,我國幕墻行業(yè)大多數(shù)采用簡支梁的力學模型。近年來,國外幕墻商承攬我國幕墻工程,其立柱設計不是采用簡支梁力學模型計算,而是采用比簡支梁力學模型計算更為精確的計算模型,我國目前已具備試驗三跨立柱幕墻的實驗條件并且有了結果,因而探討更接近工程實際中新的力學計算模型,是幕墻工程實踐發(fā)展的需要,也為幕墻行業(yè)的發(fā)展提供了可能。 2. 幕墻立柱的連續(xù)梁力學計算 以三個層高的幕墻立柱為例,可用等跨度、等截面及同荷載的四點三跨連續(xù)梁進行推導計算。幕墻立柱的荷載和彎矩圖見圖2。 下面依照材料力學中連續(xù)梁三彎矩方程進行計算: 1)風荷載彎矩的面積表示為:W=q13/12,由于對稱性M1=M2=M,一并代入三彎矩方程得: 0x1+2M(1+1)+M1=-[6x(q13/12)x1/2]/1-[6×(q13/12)×l/2]/l…………(1) 解(1)式得:M=-q12/10 2)0~1段和1~3段跨度中點撓度相等,可由風荷載和附加彎矩引起的撓度相加: 風荷載引起的中點撓度表示為:f=5q14/384EJ 附加彎矩引起的中點撓度表示為:f"=3q14/480EJ 則中點總撓度 f=(5/384-3/480)q14/EJ=0.00677q14/EJ 3)支座處截面剪力為風荷載和附加彎矩在該截面剪力的數(shù)和: 支座0:Q0=0.5ql-0.1ql=0.4ql 支座1左:Q1左=-0.5ql-0.1ql=-0.6ql 支座1右:Q1右=0.5ql 支座2左:Q2左=-0.5ql 支座2右:Q2右=0.5ql+0.1ql=0.6ql 支座3:Q3=-0.5ql+0.1ql=-0.4ql 4)依照三彎矩方程可推算出:三點兩跨、五點四跨、六點五跨連續(xù)梁的中點撓度、剪力及支座彎矩(附加彎矩)和最大彎矩,內力計算結果見表1。 從表1的數(shù)據對比中可以看出,以四點三跨連續(xù)梁的最大彎矩的中點撓度為最大,因而幕墻立柱結構設計的力學計算模型以四點三跨連續(xù)梁的計算公式較妥。 3. 四點三跨連續(xù)梁的最大撓度公式 因為最大撓度fmax發(fā)生在起、始兩跨,立柱最高的一跨風壓最大,連續(xù)梁所產生撓度也最大,因此以該跨最大撓度計算公式作為立柱設計的計算公式較妥。現(xiàn)推導如下: 均布荷載作用的撓度方程為: f'=q/24EJ(13x-21x3+x4)…………(2) 附加彎矩作用的撓度方程為: f"=q/60EJ(-1x3+12x) ………… (3) 由于兩者撓度方向相反,則總撓度f的方程為(2)式和(3)式相減: f=q/EJ(13x/40-1x3/15+x4/24) df/dx=0 則13/40-31x2/15+4x3/24=0 …………(4) 解(4)式得,x=0.451 則fmax=q/EJ[13(0.451)/40-l(0.451)3/15+(0.451)4/24] fmax=0.00688ql4/EJ 4. 結論 1)幕墻立柱結構計算采用連續(xù)梁的力學模型進行設計計算。 2)設計計算時推薦以下公式: 最大彎矩Mmax=0.08ql2 最大撓度fmax=0.007ql4/EJ 最大剪力Qmax=0.6ql 式中,q:作用在立柱上的均布荷載;l:兩固定點的跨度;J:立柱的慣性矩;E:立柱材料的彈性模量。 3)連續(xù)兩立柱的套筒在設計和裝配時,要保證套筒能夠傳遞彎矩。 4)連續(xù)梁力學模型設計的立柱慣性矩J=0.007q14/E(f)比簡支梁力學模型設計的支柱慣性矩J=0.013ql4/E(f)要減少(0.013-0.007)/0.013=46%,若采用連續(xù)梁力學模型進行設計并保證安全的話,則其經濟價值十分可觀。 參考資料: [1]劉鴻文.材料力學(上.下冊)[M].北京:高等教育出版社,1983. [2]雷鐘和,江愛川,郝靜明.結構力學解疑[M].北京:清華大學出版社,2001. [3]陳建東.玻璃幕墻工程技術規(guī)范應用手冊[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,1996. [4]羅多.多跨鉸接梁的立柱計算與分析[J].鋼結構,2005(04). |