2013-04-09 10:44:58 作者: 來(lái)源: 【大 中 小】 我要評(píng)論（0）
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【 第一幕墻網(wǎng) 】
摘要：玻璃幕墻是由金屬構(gòu)件與板材組成的建筑物維護(hù)結(jié)構(gòu)｡玻璃幕墻立柱是決定幕墻結(jié)構(gòu)形式安全可靠的關(guān)鍵因素之一，玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，主要取決于幕墻立柱結(jié)構(gòu)的力學(xué)計(jì)算｡本文介紹了玻璃幕墻結(jié)構(gòu)的受力特點(diǎn)，并對(duì)幕墻立柱的計(jì)算模型進(jìn)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(hù)作用和要求，防止風(fēng)和雨，隔絕冷熱，減少噪聲和污染； 2）大面積引進(jìn)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(wú)限擴(kuò)大，也可以視為透光的墻壁，在這里窗和墻已合為一體； 3）開(kāi)闊室內(nèi)視野，把大片景色引入室內(nèi)，溝通了室內(nèi)外聯(lián)系； 4）造就建筑物的環(huán)境效應(yīng)，讓建筑物富有光的質(zhì)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(dòng)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(gè)建筑物的開(kāi)放､簡(jiǎn)潔､洗煉的形象｡ 玻璃幕墻按圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它是懸掛在主體結(jié)構(gòu)上的框架式結(jié)構(gòu)，分層承載安裝，不承受主體結(jié)構(gòu)的荷載和作用｡ 作用在幕墻上的荷載和作用有：重力荷載､風(fēng)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(fēng)荷載產(chǎn)生的效應(yīng)最大，起控制作用｡ 當(dāng)幕墻玻璃受到荷載的作用后，荷載首先傳給幕墻結(jié)構(gòu)（立柱和橫梁），再通過(guò)墻上鋼件的眾多錨固點(diǎn)傳到建筑物的邊梁上｡立柱是幕墻的主要受力構(gòu)件，橫梁是幕墻的次要受力構(gòu)件｡它們?cè)诤奢d的作用下產(chǎn)生彎曲､拉伸､剪切､擠壓等效應(yīng)｡其支承條件須有一定的變形能力，以適應(yīng)結(jié)構(gòu)的位移，達(dá)到最大的承載能力，避免在荷載､地震和溫度作用下產(chǎn)生破壞和影響使用｡ 設(shè)計(jì)計(jì)算鋁合金玻璃幕墻立柱時(shí)，根本的問(wèn)題是在結(jié)構(gòu)的可靠性與經(jīng)濟(jì)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(jīng)濟(jì)合理，滿足規(guī)定的各項(xiàng)功能要求｡幕墻立柱要根據(jù)擬定的結(jié)構(gòu)方案和構(gòu)造進(jìn)行計(jì)算｡按所承受的作用進(jìn)行內(nèi)力分析，再根據(jù)鋁合金的材料特性對(duì)立梃進(jìn)行核算，看是否符合安全可靠､經(jīng)濟(jì)合理等方面的要求｡ 1. 力學(xué)計(jì)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(shí)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(duì)于其它荷載（如風(fēng)荷載等）很小，本文對(duì)此分析予以省略｡將風(fēng)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(jìn)行分析：立柱Ⅰ上端通過(guò)轉(zhuǎn)接件1用螺柱固定在N層樓的節(jié)點(diǎn)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(guò)轉(zhuǎn)接件固定在N-1層樓的節(jié)點(diǎn)2上，立柱Ⅰ和Ⅱ之間有20mm的伸縮縫，如此反復(fù)，形成自上而下的一根連續(xù)的立柱｡立柱Ⅰ在節(jié)點(diǎn)1處，其水平和豎向位移都受到了限制，因此可以簡(jiǎn)化為固定鉸支座，立柱下端可以豎向伸長(zhǎng)，但水平活動(dòng)也受到一定的限制｡ 這是由于立柱和套管彎曲變形時(shí)，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(chǎn)生彎矩和剪力｡如果立柱和套管之間僅傳遞剪力，套管沒(méi)有承受彎矩，不產(chǎn)生彎曲變形，僅產(chǎn)生剪切變形，這是不符合工程實(shí)際的｡這種在活動(dòng)鉸支座承受一個(gè)附加彎矩，而這個(gè)彎矩又是相鄰兩跨梁的彎曲變形一致性而產(chǎn)生的，這正是材料力學(xué)連續(xù)梁的力學(xué)模型，可用三彎矩方程求解｡  過(guò)去，我國(guó)幕墻行業(yè)大多數(shù)采用簡(jiǎn)支梁的力學(xué)模型｡近年來(lái)，國(guó)外幕墻商承攬我國(guó)幕墻工程，其立柱設(shè)計(jì)不是采用簡(jiǎn)支梁力學(xué)模型計(jì)算，而是采用比簡(jiǎn)支梁力學(xué)模型計(jì)算更為精確的計(jì)算模型，我國(guó)目前已具備試驗(yàn)三跨立柱幕墻的實(shí)驗(yàn)條件并且有了結(jié)果，因而探討更接近工程實(shí)際中新的力學(xué)計(jì)算模型，是幕墻工程實(shí)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(xué)計(jì)算 以三個(gè)層高的幕墻立柱為例，可用等跨度､等截面及同荷載的四點(diǎn)三跨連續(xù)梁進(jìn)行推導(dǎo)計(jì)算｡幕墻立柱的荷載和彎矩圖見(jiàn)圖2｡  下面依照材料力學(xué)中連續(xù)梁三彎矩方程進(jìn)行計(jì)算： 1）風(fēng)荷載彎矩的面積表示為：W=q13/12，由于對(duì)稱(chēng)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(diǎn)撓度相等，可由風(fēng)荷載和附加彎矩引起的撓度相加： 風(fēng)荷載引起的中點(diǎn)撓度表示為：f=5q14/384EJ 附加彎矩引起的中點(diǎn)撓度表示為：f"=3q14/480EJ 則中點(diǎn)總撓度 f=（5/384-3/480）q14/EJ=0.00677q14/EJ 3）支座處截面剪力為風(fēng)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(diǎn)兩跨､五點(diǎn)四跨､六點(diǎn)五跨連續(xù)梁的中點(diǎn)撓度､剪力及支座彎矩（附加彎矩）和最大彎矩，內(nèi)力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1｡ 從表1的數(shù)據(jù)對(duì)比中可以看出，以四點(diǎn)三跨連續(xù)梁的最大彎矩的中點(diǎn)撓度為最大，因而幕墻立柱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的力學(xué)計(jì)算模型以四點(diǎn)三跨連續(xù)梁的計(jì)算公式較妥｡ 3. 四點(diǎn)三跨連續(xù)梁的最大撓度公式 因?yàn)樽畲髶隙萬(wàn)max發(fā)生在起､始兩跨，立柱最高的一跨風(fēng)壓最大，連續(xù)梁所產(chǎn)生撓度也最大，因此以該跨最大撓度計(jì)算公式作為立柱設(shè)計(jì)的計(jì)算公式較妥｡現(xiàn)推導(dǎo)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(wàn)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(jié)論 1）幕墻立柱結(jié)構(gòu)計(jì)算采用連續(xù)梁的力學(xué)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算｡ 2）設(shè)計(jì)計(jì)算時(shí)推薦以下公式： 最大彎矩Mmax=0.08ql2 最大撓度f(wàn)max=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(diǎn)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(shè)計(jì)和裝配時(shí)，要保證套筒能夠傳遞彎矩｡ 4）連續(xù)梁力學(xué)模型設(shè)計(jì)的立柱慣性矩J=0.007q14/E(f)比簡(jiǎn)支梁力學(xué)模型設(shè)計(jì)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(xué)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)并保證安全的話，則其經(jīng)濟(jì)價(jià)值十分可觀｡  參考資料: [1]劉鴻文.材料力學(xué)（上.下冊(cè)）[M].北京：高等教育出版社，1983. [2]雷鐘和，江愛(ài)川，郝靜明.結(jié)構(gòu)力學(xué)解疑[M].北京：清華大學(xué)出版社，2001. [3]陳建東.玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范應(yīng)用手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1996. [4]羅多.多跨鉸接梁的立柱計(jì)算與分析[J].鋼結(jié)構(gòu)，2005（04）. |
標(biāo)簽：：第五期
節(jié)能是現(xiàn)代建筑永恒的話題，而遮陽(yáng)作為建筑節(jié)能不可或缺的因素，也日益受到人們的重視。
