單元體幕墻開口立柱穩(wěn)定性能試驗和計算方法研究

　　引言

　　單元體幕墻的開口型材因自身材料利用率較高，加工組裝方便等優(yōu)點逐漸在幕墻工程中得到大量的應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者對其進(jìn)行了大量的研究。石永久、王元清和施剛等不僅進(jìn)行了鋁合金受彎構(gòu)件整體穩(wěn)定性的試驗研究，分析了鋁合金薄腹板梁的抗剪強(qiáng)度，而且對鋁合金網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)中的節(jié)點受力性能進(jìn)行了試驗研究和有限元分析;沈祖炎和郭小農(nóng)等對鋁合金結(jié)構(gòu)構(gòu)件的設(shè)計公式和可靠度進(jìn)行了研究分析，并分析了對稱截面受壓桿件的穩(wěn)定系數(shù)和軸壓桿件的受力理論;朱繼華等研究了受彎鋁合金構(gòu)件的直接強(qiáng)度法，并對圓形空心鋁合金柱進(jìn)行了數(shù)值分析和設(shè)計;Moen和Matteis等對梯度受彎作用下的鋁合金梁的扭轉(zhuǎn)性能進(jìn)行了數(shù)值模擬，并對不同橫截面分類的鋁合金梁進(jìn)行了參數(shù)研究。但專門針對單元體幕墻開口型材的穩(wěn)定性計算方法以及試驗研究相對欠缺。國標(biāo)《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》 ，英國標(biāo)準(zhǔn)《Structural use of aluminium》，美國標(biāo)準(zhǔn)《Aluminum design manual》等規(guī)范均是針對一般鋁合金結(jié)構(gòu)，給出了一般情況下鋁合金結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，并沒有考慮到幕墻結(jié)構(gòu)開口型材的特殊性。

　　工字形、槽形等主體結(jié)構(gòu)用的開口截面相對于閉口截面，由于其截面的構(gòu)造特點，能夠很好的發(fā)揮截面特性以抵抗外荷載，在主體鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域得到了大量的應(yīng)用。作為圍護(hù)結(jié)構(gòu)的幕墻，理應(yīng)可以采用開口截面型材。本文通過對單根開口截面鋁合金立柱和單元體開口截面鋁合金立柱進(jìn)行試驗研究，并采用中國、英國和美國有關(guān)鋁合金結(jié)構(gòu)計算的相關(guān)規(guī)范對其進(jìn)行計算分析和比對，以期獲得準(zhǔn)確的計算方法，以使其在保證結(jié)構(gòu)安全可靠的基礎(chǔ)上可較好的提高開口型材的強(qiáng)度利用率，更好的發(fā)揮其結(jié)構(gòu)性能。

　　1 幕墻開口型材自身的特點

　　幕墻用鋁合金型材，從其性能、加工和安裝等方面的考慮，具有獨特的“槽形”截面形狀。這樣的開口截面型材在使用上具有以下缺點：(1)繞弱軸抗彎剛度弱;(2)截面整體抗扭剛度較低;(3)截面形心和截面剪切中心不重合：橫向荷載不通過剪切中心，在橫向荷載作用下存在彎曲（詞條“彎曲”由行業(yè)大百科提供）和扭轉(zhuǎn)變形，存在扭轉(zhuǎn)失穩(wěn)問題(見圖1)。

　　幕墻單元體的公、母立柱在實際受力過程中也存在對其承載力有利的特點：(1)公、母立柱翼緣的相互扶持作用(見圖2);(2)橫梁對立柱的約束作用：單元體中的橫梁可有效約束開口型材立柱，防止其側(cè)向扭轉(zhuǎn)，提高其整體穩(wěn)定性;(3)由于正風(fēng)壓的方向是朝向剪心，負(fù)風(fēng)壓的方向是背離剪心，因此在正風(fēng)壓作用下的屈曲特征值較負(fù)風(fēng)壓要小;但有利的是在正風(fēng)壓作用下，由于玻璃是通過結(jié)構(gòu)膠與鋁型材（詞條“鋁型材”由行業(yè)大百科提供）固結(jié)在一起，可對受壓翼緣提供有利的支撐作用;(4)公、母立柱之間還有掛鉤，此掛鉤在立柱受正風(fēng)，發(fā)生扭轉(zhuǎn)時會有效地阻止其開口。而在負(fù)風(fēng)作用下，公、母立柱因為其之間有相互作用，可以很好地“貼合”在一起。

　　2 試驗研究

　　為了對開口截面鋁合金立柱的受力特性有深層次的了解，針對開口截面型材在不同支撐條件、不同荷載工況下進(jìn)行試驗研究，并將試驗結(jié)果和理論值進(jìn)行對比分析。限于試驗室尺寸限制，以及研究開口截面型材立柱“開口”變形主要發(fā)生在無支撐的跨中部位，所以選擇跨度為2730mm的單根立柱和2730mm×1365mm單元體板塊進(jìn)行了試驗研究。

　　為了準(zhǔn)確詳實地反映開口型材的受力特點，設(shè)計了三種不同的試驗裝置進(jìn)行開口截面型材的試驗研究。

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