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摘要:裝飾條可有效增強幕墻整體結構的美觀度并提高遮陽性能?但大規格裝飾條的應用會明顯改變幕墻立柱的整體承載性能。針對裝飾條與立柱組合結構?合理考慮其結構特征、受載與邊界條件以及連接方式?基于有限元分析方法?構建了精細化力學分析模型?研究了極限載荷作用下裝飾條與立柱組合結構的力學性能?并分析了裝飾條不同尺寸、安裝角度與連接狀態下裝飾條對立柱整體力學性能的影響規律。研究結果對裝飾條與幕墻立柱組合結構的優化設計具有指導意義和數據支持。
關鍵詞:幕墻立柱；裝飾條；力學分析；參數影響
１引言
目前我國已經成為世界第一的幕墻生產大國和使用大國?特別是隨著我國超高層建筑的蓬勃發展?玻璃幕墻的應用極為廣泛。與實體圍護墻體相比?門窗幕墻屬于輕質薄壁構件[１]?是建筑抗風抗震、保溫隔熱的薄弱環節[２－３]?；诮ㄖ澞芙岛陌l展趨勢?美觀且節能成為目前建筑幕墻設計的主導因素[４－５]?裝飾遮陽一體化成為發展趨勢[６－７]。風載荷通常為幕墻設計的控制載荷[８]?但對于含大規格裝飾條的立柱組合結構(大規格指裝飾條斷面長度不小于立柱的斷面長度)?其結構形式、受力狀態和傳力特性等都與不帶裝飾條的立柱具有本質區別?特別是裝飾條風載荷的附加作用明顯[９]。傳統計算方法基于材料力學的梁理論[１０－１１]?對于大規格、斷面構造復雜和材料類型繁多的立柱結構?在惡劣復雜受力狀態下該方法具有局限性[１２]。特別對于含裝飾條的幕墻結構?采用傳統的立柱單元和裝飾條單元獨立分析和設計的方法具有一定的不足[１３]。本文針對大規格裝飾條與幕墻立柱的組合結構?基于有限元軟件分析平臺?建立了能合理反映結構實際受載、傳力和連接等特性的精細化有限元分析模型?對該組合結構在極限載荷下的強度、剛度和穩定性進行了分析?并揭示了裝飾條尺寸大小、安裝角度和連接方式等因素對立柱主體力學特性的影響規律。
２帶裝飾條的幕墻立柱組合結構
某含大規格裝飾條的幕墻立柱節點斷面圖如圖１所示?采用８＋１２Ａ＋８鋼化中空節能玻璃?組合結構總長度為３.９ｍ?立柱間距１.４ｍ?其主要包含立柱和裝飾條兩部分?立柱選用１６０系列?為滿足隔熱要求?立柱內設置有隔熱條?長度為１４.８ｍｍ?立柱與裝飾條之間采用螺栓連接。立柱和裝飾條主體結構均采用鋁合金材質?隔熱條采用尼龍６６材質?其彈性模量分別為７０ＧＰａ和５ＧＰａ?泊松比分別為０.３３和０.３
３有限元分析模型
利用有限元分析軟件?針對裝飾條與立柱組合結構?建立了極限風載荷和地震載荷作用下的殼體幾何模型如圖２ａ所示。組合結構可等效為受均勻分布荷載的簡支梁?忽略該段結構在實際受載時的風切變效應?取其１/２作為研究對象。如圖２ｂ所示?采用殼單元對結構進行離散?其中玻璃面板傳遞載荷包含了風載荷和地震載荷?均布載荷作用于立柱外側。有限元分析模型中?立柱一端引入置于截面形心質量點單元?通過約束質量點以及建立質量點與截面的約束關系?實現簡支約束。由于以原模型１/２作為研究對象?組合結構另一端面施加以對稱約束。裝飾條與立柱之間的螺栓連接方式?采用梁桿單元組合模擬實現。
４力學性能與參數影響分析
４.１力學性能分析
分析條件:標高８４.３ｍ?地面粗糙度類別Ｂ類?抗震設防烈度６度。載荷取值依據?玻璃幕墻工程技術規范?(ＪＧＪ１０２—２００３)?在極限風壓和地震荷載聯合作用下?組合結構強度、剛度和穩定性特征如圖３所示。圖３ａ~圖３ｃ描述了在極限荷載作用下組合結構的應力分布特征?可知組合結構在正向風壓、側向風壓以及玻璃傳遞載荷的聯合作用下?結構軸向正應力σｚ和橫向正應力σｘ均有較大值?軸向正應力最大值為２８ＭＰａ?橫向正應力最大值為１９ＭＰａ?軸向正應力主要由玻璃傳遞荷載引起?而橫向正應力則主要取決于裝飾條側向風壓。在該結構形式下?結構整體等效應力最大值取決于軸向拉壓應力?為２７.５９ＭＰａ?位于裝飾條外側。圖３ｄ~３ｆ描述了結構的變形特征?可知側向撓度的最大值為５.９７ｍｍ?而正向撓度的最大值為２.０６ｍｍ。整體上?結構所受側向載荷相對正向載荷較小?但是正向彎曲剛度遠大于側向?導致組合結構在側向風壓作用下?極易引起較大的側向變形。圖３ｇ~圖３ｉ為結構在極限荷載作用下的失穩特征?可知組合結構的１、２、３階屈曲特征值分別為１０.２４、１０.８０、１１
３５?主要表現為立柱受壓一側板的局部失穩?屈曲特征值遠高于安全值２?總體來說?該組合結構在極限載荷作用下?最大應力主要取決于玻璃傳遞正向載荷?但最大位移則主要取決于裝飾條側向風載荷?而穩定性閾值遠高于安全值?
４.２參數影響分析
在幕墻整體設計時?為追求美觀度并滿足遮陽效果?裝飾條尺寸、安裝角度以及連接方式都會隨設計條件和要求改變?掌握裝飾條尺寸大小、安裝角度和連接形式對立柱力學性能的影響規律是對裝飾條與立柱組合結構進行優化設計的重要保障?由第４.１節分析可知?裝飾條與立柱組合結構的穩定性閥值較高?因此以下重點關注結構參數對應力和變形的影響規律?(１)尺寸大小對立柱力學性能的影響裝飾條尺寸主要包含裝飾條高度Ｈ、寬度Ｂ以及板厚ｔ三個維度?圖４~圖６顯示了裝飾條３個尺寸參數對立柱應力和位移的影響規律?圖４為在裝飾條寬度為７０ｍｍ?板厚為３ｍｍ時?立柱最大應力和位移隨裝飾條高度的變化趨勢?可知隨裝飾條高度的增加?立柱的軸向應力σｚ和整體撓度ｕｓｕｍ都呈現先減小后增加的趨勢?應力σｚ最低值出現在高度為２５０ｍｍ附近?而撓度ｕｓｕｍ最低值則在高度為１５０ｍｍ附近?應力σｚ由沿著幕墻平面的面內橫向彎曲應力和垂直于幕墻平面的面外正向彎曲應力疊加而成?同時整體撓度亦是由該兩種變形模式組合而成?裝飾條高度增加不影響結構正向載荷?但會導致組合結構截面沿強軸的慣性矩增大?致使面外正向彎曲應力和面外彎曲撓度ｕｙ降低?而裝飾條高度的增加同時使側向載荷快速增加?致使面內橫向彎曲應力和面內彎曲撓度ｕｘ快速增加?隨裝飾條高度增加?軸向應力和整體位移在兩種效果組合作用下都呈現先降低后升高現象?橫向正應力σｘ主要由裝飾條外附于立柱的懸臂效應引起?裝飾條高度增加導致側向彎矩升高?致使應力σｘ快速升高?立柱整體最大等效應力在高度較小時隨應力σｚ降低?但在高度較大時隨應力σｘ升高?圖５為在裝飾條高度為２００ｍｍ?板厚為３ｍｍ時?立柱應力與位移隨裝飾條寬度的變化關系示意圖?而圖６為在裝飾條高度為２００ｍｍ?寬度為７０ｍｍ狀態下?立柱最大應力和位移隨板厚的變化關系示意圖?可知在保持其他參數不變的前提下?隨裝飾條寬度以及板厚度的增加?立柱的應力和位移都隨之減小?軸向正應力σｚ和面內側向撓度ｕｘ減小速度遠高于橫向應力σｘ和面外撓度ｕｙ?立柱整體最大等效應力σｍｉｓｅ主要取決于軸向正應力σｚ?整體最大撓度則主要取決于側向撓度ｕｘ?當寬度由２０ｍｍ增加到７０ｍｍ時?其最大等效應力從２４.１ＭＰａ降低到１７.５ＭＰａ?整體最大撓度從７.４５ｍｍ降低到４.５ｍｍ?減小幅度分別為２７.３％和４０.２％?當板厚從１.５ｍｍ增加到４ｍｍ時?最大等效應力從２３.８ＭＰａ降低到１５.４ＭＰａ?整體最大撓度從７.３２ｍｍ降低到４.１ｍｍ?減小幅度分別為３５.９％和４３.９％?(２)安裝角度對立柱力學性能的影響為滿足不同的遮陽要求?裝飾條相對于幕墻平面的安裝角度θ會有不同?但不同安裝角度下的裝飾條所受風載以及由此引起的裝飾條與立柱組合結構截面特性參數的改變都將導致幕墻結構整體力學性能的改變?圖７給出了在裝飾條高度為２００ｍｍ?寬度為７０ｍｍ?板厚為３ｍｍ時?立柱最大應力和位移隨裝飾條安裝角度的變化關系?可以看出隨著安裝角度的增加?整體應力在安裝角度低于６５°時呈現上升趨勢?在超過６５°時?基本保持不變?整體最大位移在低于７５°時呈現上升趨勢?在超過７５°時基本保持不變?面外正向最大撓度隨著安裝角度的增加逐漸降低?面內彎曲撓度則呈現快速升高趨勢?前者歸結于安裝角度增加導致繞強軸的結構抗彎系數增大?而后者歸結于安裝角度增加引起側向載荷增大?且組合結構截面繞弱軸的抗彎系數降低?(３)連接方式對立柱力學性能的影響裝飾條安裝一般采用外掛方式?主要通過螺栓與立柱進行連接?當只在裝飾條兩端布置螺栓連接于立柱時?在承受側向風壓狀態下?裝飾條約束相當于簡支狀態?但多個螺栓等間距布置于二者之間時?裝飾條和立柱組合結構更接近于連續整體承力構件?剛度更高?抗力更好?但耗材較難安裝?針對３.９ｍ長度的裝飾條立柱組合結構?圖８顯示了在維持裝飾條和立柱結構參數不變的情況下?螺栓連接數量對立柱主體結構應力和位移的影響規律?可知隨著螺栓數量的增加?立柱應力水平下降?當連接螺栓數量達到并高于８個時?立柱整體應力水平基本保持不變?在較少螺栓數量下?結構最大等效應力取決于橫向正應力σｘ?但隨著螺栓數量增多?則取決于軸向正應力σｚ?隨著螺栓數量的增加?立柱整體最大撓度呈下降趨勢?但當螺栓數量達到或多于６個時?整體位移基本維持不變?在螺栓增加開始階段?立柱面內側向位移迅速增加?螺栓數量高于６個時基本維持不變?整體來說?立柱與裝飾條之間的螺栓連接數量布置６~８個為宜?既可使組合結構達到良好受力狀態?亦可降低制作和安裝成本?
５結束語
針對含大規格裝飾條的幕墻立柱結構?通過合理考慮組合結構的結構特征、載荷邊界條件和連接性質?建立了精細化的有限元分析模型?并分析研究了組合結構在極限載荷下的力學性能和裝飾條尺寸、安裝角度和連接方式的影響規律?極限載荷作用下的力學性能分析結果表明:在裝飾條側向風壓的作用下?組合結構沿軸向的面外彎曲效應以及沿橫向的面內彎曲效應對立柱的力學性能都將產生顯著影響?參數影響分析結果表明:裝飾條高度是影響立柱力學性能的主導因素?一般?。眫１.２倍立柱高度為宜?裝飾條寬度和板厚對結構受力有利?需結合可視效果進行輕量化尋優設計?裝飾條安裝角度在６５°~９０°之間變化時?立柱整體力學性能基本保持不變?在該范圍內可在滿足遮陽要求的前提下合理布置安裝角度?為使組合結構具有較好的傳力、抗風抗震性能?裝飾條與立柱間連接螺栓均勻布置６~８個為宜?
作者:徐晨 單位中鐵城建集團有限公司
