玻璃幕墻立柱的設計計算與優(yōu)化

2013-04-09 10:44:58 作者: 來源: 【大中小】我要評論（0）

【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｡