隨著現(xiàn)階段越來(lái)越多的單元式幕墻的運(yùn)用，薄壁開口式立柱成為單元式幕墻的主要受力構(gòu)件，在建筑幕墻的結(jié)構(gòu)計(jì)算中，大部分工程還是按照玻璃幕墻規(guī)范中的相關(guān)要求來(lái)計(jì)算結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及剛度，而整體穩(wěn)定這部分并未提及，鋁合金受彎構(gòu)件的整體穩(wěn)定計(jì)算在《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50429-2007（以下簡(jiǎn)稱鋁結(jié)構(gòu)規(guī)范）中有單獨(dú)的章節(jié)予以詳細(xì)的規(guī)定，鑒于單元式幕墻中的立柱多采用開口式薄壁鋁合金構(gòu)件，這種構(gòu)件的截面參數(shù)按照鋁結(jié)構(gòu)規(guī)范計(jì)算還是比較復(fù)雜的，其計(jì)算可以采用有限元軟件屈曲分析求得屈曲因子，進(jìn)而求其整體穩(wěn)定系數(shù)[1]來(lái)計(jì)算構(gòu)件的整體穩(wěn)定性。具體步驟如下：
1. 首先利用已知條件，簡(jiǎn)化計(jì)算模型。
2. 建立有限元模型，添加屈曲分析（Buckling）工況，求得簡(jiǎn)支梁的屈曲因子。
3. 求得簡(jiǎn)支梁彎扭屈曲臨界彎矩 [1]。
4. 基于鋁結(jié)構(gòu)規(guī)范附錄C[2]，求得簡(jiǎn)支梁彎扭穩(wěn)定相對(duì)長(zhǎng)細(xì)比 ，最終求得簡(jiǎn)支梁受彎整體穩(wěn)定系數(shù) 。
5. 利用鋁結(jié)構(gòu)規(guī)范相第6.2.2條[2]，來(lái)判斷簡(jiǎn)支梁的整體穩(wěn)定是否滿足規(guī)范要求。
以下內(nèi)容是我對(duì)單元式幕墻的主要受力構(gòu)件的強(qiáng)度、剛度的計(jì)算過(guò)程及整體穩(wěn)定計(jì)算的一點(diǎn)摸索和探討。我們以一個(gè)實(shí)際工程中的案例來(lái)做一下分析，探討一下開口式構(gòu)件的整體穩(wěn)定計(jì)算的重要性。
工程概況：
該項(xiàng)目位于南京市建鄴區(qū)，主樓建筑幕墻最高高度為150.0米，裙樓建筑幕墻最高高度為25.05米，建筑幕墻面積為50,000平方米，主樓建筑幕墻采用單元式幕墻，立柱采用開口對(duì)插式鋁合金公母料，該截面見右圖：型材截面圖（左邊為母料，右邊為公料），下面以母料來(lái)做一個(gè)計(jì)算演示；
通過(guò)計(jì)算單元式幕墻母料在考慮三道橫梁的側(cè)向支撐作用下才能滿足的整體穩(wěn)定的要求，當(dāng)側(cè)向支撐間距較大時(shí)，該母料的整體穩(wěn)定將不能滿足鋁結(jié)構(gòu)規(guī)范的要求，從而可以考慮采用其它方法來(lái)提高母料的整體穩(wěn)定性能，加大壁厚就是其中的一種方法，但較經(jīng)濟(jì)性來(lái)講，該方法又不是一個(gè)好的方法，所以如何考慮立柱的整體穩(wěn)定性，需要綜合考慮，下面我將就影響立柱整體穩(wěn)定的因數(shù)做一組數(shù)值分析。
2.5.7 影響立柱整體穩(wěn)定不足的因數(shù)有很多，平面外支撐只是其中的一種，構(gòu)件的壁厚、翼緣的寬度、荷載、截面中的閉腔部分都能起到提高構(gòu)件的整體穩(wěn)定的目的，如何選擇合理經(jīng)濟(jì)的方案需要結(jié)合建筑、幕墻形式等諸多因數(shù)，綜合考慮；下面，我們建立幾種不同壁厚、不同平面外支撐的幾何模型，分別求其整體穩(wěn)定系數(shù)，形成對(duì)比表格，以作數(shù)據(jù)分析；表中數(shù)據(jù)共計(jì)18組，分別采用三種不同壁厚、三種不同平面外支撐情況、兩種截面形式（公料和母料），考慮到單元幕墻立柱的計(jì)算簡(jiǎn)化，荷載形式均為均布線荷載，指定的線荷載為1kN/m。分析程序采用SAP2000，利用其屈曲分析功能，得到每種模型的屈曲因子，按照鋁結(jié)構(gòu)規(guī)范的附錄C計(jì)算、分析、列表，詳細(xì)數(shù)據(jù)見表：《受彎構(gòu)件整體穩(wěn)定系數(shù)對(duì)比表》。
受彎構(gòu)件整體穩(wěn)定系數(shù)對(duì)比表
|
序號(hào) |
截面 |
壁厚 (mm) |
|
平面 外支 撐 |
|
屈曲 因子 |
臨界 彎矩 |
截面模量 |
穩(wěn)定系數(shù) |
|
|
1 |
A |
3.0 |
4.2 |
無(wú) |
4.2 |
0.6585 |
1.452 |
28.58 |
0.299 |
505.745 |
|
2 |
A |
4.0 |
4.2 |
無(wú) |
4.2 |
1.2184 |
2.687 |
38.20 |
0.400 |
282.848 |
|
3 |
A |
5.0 |
4.2 |
無(wú) |
4.2 |
2.03391 |
4.485 |
47.88 |
0.508 |
177.683 |
|
4 |
A |
3.0 |
4.2 |
兩道 |
2.1 |
1.40626 |
3.101 |
28.58 |
0.568 |
266.228 |
|
5 |
A |
4.0 |
4.2 |
兩道 |
2.1 |
2.1282 |
4.6930 |
38.20 |
0.620 |
182.478 |
|
6 |
A |
5.0 |
4.2 |
兩道 |
2.1 |
3.05042 |
6.726 |
47.88 |
0.675 |
133.723 |
|
7 |
A |
3.0 |
4.2 |
三道 |
1.05 |
2.62236 |
5.782 |
28.58 |
0.802 |
188.551 |
|
8 |
A |
4.0 |
4.2 |
三道 |
1.05 |
3.83034 |
8.446 |
38.20 |
0.826 |
136.969 |
|
9 |
A |
5.0 |
4.2 |
三道 |
1.05 |
5.23430 |
11.542 |
47.88 |
0.847 |
106.568 |
|
10 |
B |
3.0 |
4.2 |
無(wú) |
4.2 |
2.06157 |
4.546 |
39.75 |
0.590 |
184.279 |
|
11 |
B |
4.0 |
4.2 |
無(wú) |
4.2 |
3.16218 |
6.974 |
49.68 |
0.675 |
128.878 |
|
12 |
B |
5.0 |
4.2 |
無(wú) |
4.2 |
4.60531 |
10.155 |
62.14 |
0.733 |
94.883 |
|
13 |
B |
3.0 |
4.2 |
兩道 |
2.1 |
3.58313 |
7.901 |
39.75 |
局部失穩(wěn)先于整體失穩(wěn) |
|
|
14 |
B |
4.0 |
4.2 |
兩道 |
2.1 |
7.27139 |
16.033 |
49.68 |
||
|
15 |
B |
5.0 |
4.2 |
兩道 |
2.1 |
10.20825 |
22.509 |
62.14 |
0.916 |
75.927 |
|
16 |
B |
3.0 |
4.2 |
三道 |
1.05 |
2.97013 |
6.549 |
39.75 |
局部失穩(wěn)先于整體失穩(wěn) |
|
|
17 |
B |
4.0 |
4.2 |
三道 |
1.05 |
6.17253 |
13.610 |
49.68 |
||
|
18 |
B |
5.0 |
4.2 |
三道 |
1.05 |
11.16908 |
24.682 |
62.14 |
||
注：截面A為：母料；截面B為：公料；
通過(guò)表：《受彎構(gòu)件整體穩(wěn)定系數(shù)對(duì)比表》的數(shù)值分析，受彎構(gòu)件的整體穩(wěn)定與構(gòu)件的諸多因數(shù)有關(guān)，在具體工程中要具體問題具體分析，總結(jié)一下：
1.構(gòu)件的平面外支撐數(shù)量的增加（即無(wú)支撐間距的減�。⿲�(duì)構(gòu)件的整體穩(wěn)定是有利的。
2.構(gòu)件截面壁厚的增加對(duì)整體穩(wěn)定是有利的。
3.構(gòu)件翼緣的寬度的增加對(duì)整體穩(wěn)定是有利的，但當(dāng)翼緣寬度與厚度的比值達(dá)到一定數(shù)值后，構(gòu)件的局部失穩(wěn)將較構(gòu)件的整體失穩(wěn)先發(fā)生，也就意味著如果一味地增加翼緣的寬度對(duì)構(gòu)件的整體穩(wěn)定是沒有太大意義的，在考慮成本的情況下，這一點(diǎn)是需要注意的。
4.工程中經(jīng)常遇到構(gòu)件承載力不足時(shí)，往往設(shè)計(jì)人員僅通過(guò)增加構(gòu)件主軸方向的高度來(lái)滿足規(guī)范的設(shè)計(jì)要求，對(duì)開口式構(gòu)件，此方法在使用時(shí)尤其要慎重，一定要注意構(gòu)件的整體穩(wěn)定驗(yàn)算。
3 結(jié) 語(yǔ)
本文是單元式幕墻開口截面立柱的整體穩(wěn)定計(jì)算方法的一個(gè)初探，其方法僅供大家在以后對(duì)單元式幕墻結(jié)構(gòu)計(jì)算分析中做一點(diǎn)參考，同時(shí)鑒于構(gòu)件式幕墻的受力構(gòu)件通常采用閉腔結(jié)構(gòu)，故其整體穩(wěn)定性較好，所以幕墻規(guī)范中并未規(guī)定對(duì)其整體穩(wěn)定計(jì)算的要求，只通過(guò)規(guī)定其最小壁厚來(lái)滿足構(gòu)件的局部要求。而開口式構(gòu)件的整體穩(wěn)定較差，尤其對(duì)利用率較高的構(gòu)件應(yīng)當(dāng)驗(yàn)算其整體穩(wěn)定能否滿足要求。
本文模擬平面外支撐采用的方法是約束構(gòu)件在橫梁位置構(gòu)件的平面外位移，這與實(shí)際的結(jié)構(gòu)受力形式存在一定的誤差，對(duì)構(gòu)件的整體穩(wěn)定有一定的影響，該部分的研究也應(yīng)當(dāng)做更深入的研究，本文不再深入。
參考文獻(xiàn)
[1] 王治明，趙華.一種基于有限元軟件屈曲分析求解鋁合金受彎構(gòu)件整體穩(wěn)定系數(shù)的方法[J] .2011年全國(guó)鋁門窗幕墻行業(yè)年會(huì)論文集，2011
[2] GB 50429-2007 鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S] .
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