幕墻轉(zhuǎn)角立柱計算方法分析

程波

深圳市三鑫幕墻工程有限公司 廣東深圳 518000

摘要：本文對某工程轉(zhuǎn)角立柱的強度和撓度進行了計算并結(jié)果表明，簡化計算方法過于保守，首先考慮橫梁對轉(zhuǎn)角立柱影響的有限元計算方法和拓展分析方法，計算結(jié)果明顯減低，同時建議在某工程設(shè)計中考慮該影響進行分析。

關(guān)鍵詞：幕墻設(shè)計；計算方法；轉(zhuǎn)角立柱；建模

前言

在幕墻的角柱設(shè)計中，如果單一按照轉(zhuǎn)角立柱的受荷工況來簡化計算，由于正常情況下立柱側(cè)向慣性矩很小，使得受到側(cè)向荷載時，撓度會很大，計算無法通過。實際上簡化計算轉(zhuǎn)角立柱的方法過于保守，忽略了中橫梁以及相鄰立柱對其影響。因此，以下將分析轉(zhuǎn)角立柱在受到側(cè)向風(fēng)荷載時，考慮另一側(cè)相鄰的立柱通過橫梁分擔(dān)荷載對轉(zhuǎn)角立柱設(shè)計計算的影響。

一、理論分析模型

轉(zhuǎn)角立柱受荷分為同時受正風(fēng)或負風(fēng)、單側(cè)受負風(fēng)、單側(cè)受正風(fēng)和一側(cè)受正風(fēng)，另一側(cè)受負風(fēng)四種工況，分別如圖1-圖4所示。

在上述荷載工況中，圖4所示的工況最為不利，因此，以下只針對圖4所示工況進行分析。

二、計算方法

對于轉(zhuǎn)角立柱的設(shè)計計算方法，主要包括以下幾種：

（一）利用公式，簡化計算

首先計算出正、負風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值和組合設(shè)計值，由于轉(zhuǎn)角立柱的布置通常與兩側(cè)幕墻有一定的角度，所以按照立柱自身的強軸和弱軸兩個方向，將荷載進行分解，分別計算強軸和弱軸兩個方向強度和撓度，最后可得出轉(zhuǎn)角立柱總體強度和撓度。（單跨立柱按簡支梁公式計算，雙跨可利用Beamax小軟件輔助計算）

（二）利用軟件，建模分析

利用sap2000軟件建模分析，考慮到轉(zhuǎn)角立柱兩側(cè)的立柱以及中橫梁對轉(zhuǎn)角立柱都有一定的影響，需要在模型中將涉及的桿件全部建出，轉(zhuǎn)角立柱截面參數(shù)按照x方向為弱軸，y方向為強軸輸入，再按照局部軸旋轉(zhuǎn)一定角度，使模型與圖紙布置一致，在轉(zhuǎn)角立柱和其相鄰的立柱施加各自的線荷載，運行分析，得到結(jié)果。

（三）拓展分析法

即考慮龍骨荷載分配，在第（2）種計算方法的基礎(chǔ)上，將玻璃板塊建出，此面不考慮其對結(jié)構(gòu)的影響，只起到施加荷載的作用，此時面板將荷載按45°分配的原則分配到橫梁和立柱上。

三、計算結(jié)果的比較與分析

（一）計算模型

某工程轉(zhuǎn)角柱布置如圖5所示，其中轉(zhuǎn)角立柱跨度H=3900mm，兩側(cè)分格B=1400mm和B=1050mm，龍骨截面均為已知，負風(fēng)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值W1=3.009kPa，荷載組合設(shè)計值q1=4.278kPa；正風(fēng)風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值W2=1.881kPa，荷載組合設(shè)計值q2=2.698kPa，計算轉(zhuǎn)角立柱強度與撓度。

（二）計算結(jié)果

1、利用公式，簡化計算

此種方法只采用簡單的靜力學(xué)公式，將轉(zhuǎn)角立柱荷載按照強弱軸方向分解，所以在計算過程上不做贅述，得到計算結(jié)果如下：

可以看出，強度和撓度計算結(jié)果數(shù)值很大，想滿足要求，只更改截面需要加到很大。

2、建模分析計算。

建立模型如圖6所示，該模型將計算的立柱建出多跨，使模型更加接近真實工況。建模過程包括輸入各桿件的截面參數(shù)，定義荷載組合。其中在立柱上施加如下線荷載如圖7所示。

圖6 轉(zhuǎn)角柱sap2000模型

圖7 施加荷載（線荷載）

運行計算、得到如下結(jié)果：

①強度計算結(jié)果如圖8-圖9。

圖8 強軸內(nèi)力

圖9 弱軸內(nèi)力

根據(jù)轉(zhuǎn)角立柱內(nèi)力，計算得強度為：

②撓度計算結(jié)果如圖10-圖11。

此上面的結(jié)果可以看出，考慮相鄰立柱的影響，大大降低了轉(zhuǎn)角立柱的強度

與撓度。

3、拓展分析。在第（2）種計算方法的基礎(chǔ)上，將玻璃板塊建出，在軟件中將其厚度設(shè)置為0，單元為殼單元，此面不考慮其對結(jié)構(gòu)的影響，只起到施加荷載的作用，此時面板將荷載按45°分配的原則分配到橫梁和立柱上，如圖12。

圖12 建模（龍骨和面板）

計算得到如下結(jié)果：

①強度計算結(jié)果如圖13-圖14.

圖13 強軸內(nèi)力

圖14 弱軸內(nèi)力

根據(jù)轉(zhuǎn)角立柱內(nèi)力，計算得強度為：

②撓度計算結(jié)果如圖15-圖16.

圖15 強軸撓度

圖16 弱軸撓度

3、結(jié)果比較分析

對比上述各種計算方法，如圖17-圖18。

圖17 不同計算方法計算的立柱強度對比

圖18 不同計算方法計算的立柱撓度對比

從上述對比可以看出：

①用公式簡化計算得到的結(jié)果很大，顯然很難滿足設(shè)計要求；

②建模計算考慮橫梁與立柱的相互影響，結(jié)果較為接近實際，并且大大降低了轉(zhuǎn)角立柱的強度與撓度；

③當(dāng)采取第（2）、（3）種方法計算，結(jié)果仍舊無法滿足要求，建議加大轉(zhuǎn)角立柱截面。

四、結(jié)束語

通過上述分析，可以得出如下結(jié)論：

（1）對于轉(zhuǎn)角立柱的計算，采用公式簡化計算得到的結(jié)果很大，難以滿足設(shè)計要求；

（2）考慮橫梁與立柱的相互影響，可大大降低了轉(zhuǎn)角立柱的強度與撓度，在實際工程設(shè)計時，建議考慮該影響。

（3）如果考慮橫梁對立柱的影響，需要驗算與橫梁相連的其它立柱的強度和撓度，并且橫梁與立柱的連接節(jié)點要做到橫梁可以傳遞軸力。

參考文獻：

[1]桑葉靖.隱框型鋁合金玻璃幕墻施工技術(shù)研究[J]，門窗，2013（12）：20-21.

[2]曾衛(wèi).隱框玻璃幕墻施工技術(shù)淺析[J]，企業(yè)科技與發(fā)展，2010（20）：117-118

[3]李冰.玻璃幕墻的施工關(guān)鍵技術(shù)探析[J].江西科學(xué).2011（06）：775-777.

[4]《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》GB50009-2012.

[5]《鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50429-2007.

[6]《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ 102-2003.