摘要:装饰条可有效增强幕墙整体结构的美观度并提高遮阳性能ꎬ但大规格装饰条的应用会明显改变幕墙立柱的整体承载性能。针对装饰条与立柱组合结构ꎬ合理考虑其结构特征、受载与边界条件以及连接方式ꎬ基于有限元分析方法ꎬ构建了精细化力学分析模型ꎬ研究了极限载荷作用下装饰条与立柱组合结构的力学性能ꎬ并分析了装饰条不同尺寸、安装角度与连接状态下装饰条对立柱整体力学性能的影响规律。研究结果对装饰条与幕墙立柱组合结构的优化设计具有指导意义和数据支持。
关键词:幕墙立柱；装饰条；力学分析；参数影响
１引言
目前我国已经成为世界第一的幕墙生产大国和使用大国ꎬ特别是随着我国超高层建筑的蓬勃发展ꎬ玻璃幕墙的应用极为广泛。与实体围护墙体相比ꎬ门窗幕墙属于轻质薄壁构件[１]ꎬ是建筑抗风抗震、保温隔热的薄弱环节[２－３]。基于建筑节能降耗发展趋势ꎬ美观且节能成为目前建筑幕墙设计的主导因素[４－５]ꎬ装饰遮阳一体化成为发展趋势[６－７]。风载荷通常为幕墙设计的控制载荷[８]ꎬ但对于含大规格装饰条的立柱组合结构(大规格指装饰条断面长度不小于立柱的断面长度)ꎬ其结构形式、受力状态和传力特性等都与不带装饰条的立柱具有本质区别ꎬ特别是装饰条风载荷的附加作用明显[９]。传统计算方法基于材料力学的梁理论[１０－１１]ꎬ对于大规格、断面构造复杂和材料类型繁多的立柱结构ꎬ在恶劣复杂受力状态下该方法具有局限性[１２]。特别对于含装饰条的幕墙结构ꎬ采用传统的立柱单元和装饰条单元独立分析和设计的方法具有一定的不足[１３]。本文针对大规格装饰条与幕墙立柱的组合结构ꎬ基于有限元软件分析平台ꎬ建立了能合理反映结构实际受载、传力和连接等特性的精细化有限元分析模型ꎬ对该组合结构在极限载荷下的强度、刚度和稳定性进行了分析ꎬ并揭示了装饰条尺寸大小、安装角度和连接方式等因素对立柱主体力学特性的影响规律。
２带装饰条的幕墙立柱组合结构
某含大规格装饰条的幕墙立柱节点断面图如图１所示ꎬ采用８＋１２Ａ＋８钢化中空节能玻璃ꎬ组合结构总长度为３.９ｍꎬ立柱间距１.４ｍꎬ其主要包含立柱和装饰条两部分ꎬ立柱选用１６０系列ꎬ为满足隔热要求ꎬ立柱内设置有隔热条ꎬ长度为１４.８ｍｍꎬ立柱与装饰条之间采用螺栓连接。立柱和装饰条主体结构均采用铝合金材质ꎬ隔热条采用尼龙６６材质ꎬ其弹性模量分别为７０ＧＰａ和５ＧＰａꎬ泊松比分别为０.３３和０.３
３有限元分析模型
利用有限元分析软件ꎬ针对装饰条与立柱组合结构ꎬ建立了极限风载荷和地震载荷作用下的壳体几何模型如图２ａ所示。组合结构可等效为受均匀分布荷载的简支梁ꎬ忽略该段结构在实际受载时的风切变效应ꎬ取其１/２作为研究对象。如图２ｂ所示ꎬ采用壳单元对结构进行离散ꎬ其中玻璃面板传递载荷包含了风载荷和地震载荷ꎬ均布载荷作用于立柱外侧。有限元分析模型中ꎬ立柱一端引入置于截面形心质量点单元ꎬ通过约束质量点以及建立质量点与截面的约束关系ꎬ实现简支约束。由于以原模型１/２作为研究对象ꎬ组合结构另一端面施加以对称约束。装饰条与立柱之间的螺栓连接方式ꎬ采用梁杆单元组合模拟实现。
４力学性能与参数影响分析
４.１力学性能分析
分析条件:标高８４.３ｍꎬ地面粗糙度类别Ｂ类ꎬ抗震设防烈度６度。载荷取值依据«玻璃幕墙工程技术规范»(ＪＧＪ１０２—２００３)ꎬ在极限风压和地震荷载联合作用下ꎬ组合结构强度、刚度和稳定性特征如图３所示。图３ａ~图３ｃ描述了在极限荷载作用下组合结构的应力分布特征ꎬ可知组合结构在正向风压、侧向风压以及玻璃传递载荷的联合作用下ꎬ结构轴向正应力σｚ和横向正应力σｘ均有较大值ꎬ轴向正应力最大值为２８ＭＰａꎬ横向正应力最大值为１９ＭＰａꎬ轴向正应力主要由玻璃传递荷载引起ꎬ而横向正应力则主要取决于装饰条侧向风压。在该结构形式下ꎬ结构整体等效应力最大值取决于轴向拉压应力ꎬ为２７.５９ＭＰａꎬ位于装饰条外侧。图３ｄ~３ｆ描述了结构的变形特征ꎬ可知侧向挠度的最大值为５.９７ｍｍꎬ而正向挠度的最大值为２.０６ｍｍ。整体上ꎬ结构所受侧向载荷相对正向载荷较小ꎬ但是正向弯曲刚度远大于侧向ꎬ导致组合结构在侧向风压作用下ꎬ极易引起较大的侧向变形。图３ｇ~图３ｉ为结构在极限荷载作用下的失稳特征ꎬ可知组合结构的１、２、３阶屈曲特征值分别为１０.２４、１０.８０、１１
３５ꎬ主要表现为立柱受压一侧板的局部失稳ꎬ屈曲特征值远高于安全值２ꎮ总体来说ꎬ该组合结构在极限载荷作用下ꎬ最大应力主要取决于玻璃传递正向载荷ꎬ但最大位移则主要取决于装饰条侧向风载荷ꎬ而稳定性阈值远高于安全值ꎮ
４.２参数影响分析
在幕墙整体设计时ꎬ为追求美观度并满足遮阳效果ꎬ装饰条尺寸、安装角度以及连接方式都会随设计条件和要求改变ꎮ掌握装饰条尺寸大小、安装角度和连接形式对立柱力学性能的影响规律是对装饰条与立柱组合结构进行优化设计的重要保障ꎮ由第４.１节分析可知ꎬ装饰条与立柱组合结构的稳定性阀值较高ꎬ因此以下重点关注结构参数对应力和变形的影响规律ꎮ(１)尺寸大小对立柱力学性能的影响装饰条尺寸主要包含装饰条高度Ｈ、宽度Ｂ以及板厚ｔ三个维度ꎮ图４~图６显示了装饰条３个尺寸参数对立柱应力和位移的影响规律ꎮ图４为在装饰条宽度为７０ｍｍꎬ板厚为３ｍｍ时ꎬ立柱最大应力和位移随装饰条高度的变化趋势ꎮ可知随装饰条高度的增加ꎬ立柱的轴向应力σｚ和整体挠度ｕｓｕｍ都呈现先减小后增加的趋势ꎬ应力σｚ最低值出现在高度为２５０ｍｍ附近ꎬ而挠度ｕｓｕｍ最低值则在高度为１５０ｍｍ附近ꎮ应力σｚ由沿着幕墙平面的面内横向弯曲应力和垂直于幕墙平面的面外正向弯曲应力叠加而成ꎬ同时整体挠度亦是由该两种变形模式组合而成ꎮ装饰条高度增加不影响结构正向载荷ꎬ但会导致组合结构截面沿强轴的惯性矩增大ꎬ致使面外正向弯曲应力和面外弯曲挠度ｕｙ降低ꎬ而装饰条高度的增加同时使侧向载荷快速增加ꎬ致使面内横向弯曲应力和面内弯曲挠度ｕｘ快速增加ꎮ随装饰条高度增加ꎬ轴向应力和整体位移在两种效果组合作用下都呈现先降低后升高现象ꎮ横向正应力σｘ主要由装饰条外附于立柱的悬臂效应引起ꎬ装饰条高度增加导致侧向弯矩升高ꎬ致使应力σｘ快速升高ꎮ立柱整体最大等效应力在高度较小时随应力σｚ降低ꎬ但在高度较大时随应力σｘ升高ꎮ图５为在装饰条高度为２００ｍｍꎬ板厚为３ｍｍ时ꎬ立柱应力与位移随装饰条宽度的变化关系示意图ꎬ而图６为在装饰条高度为２００ｍｍꎬ宽度为７０ｍｍ状态下ꎬ立柱最大应力和位移随板厚的变化关系示意图ꎮ可知在保持其他参数不变的前提下ꎬ随装饰条宽度以及板厚度的增加ꎬ立柱的应力和位移都随之减小ꎬ轴向正应力σｚ和面内侧向挠度ｕｘ减小速度远高于横向应力σｘ和面外挠度ｕｙꎮ立柱整体最大等效应力σｍｉｓｅ主要取决于轴向正应力σｚꎬ整体最大挠度则主要取决于侧向挠度ｕｘꎮ当宽度由２０ｍｍ增加到７０ｍｍ时ꎬ其最大等效应力从２４.１ＭＰａ降低到１７.５ＭＰａꎬ整体最大挠度从７.４５ｍｍ降低到４.５ｍｍꎬ减小幅度分别为２７.３％和４０.２％ꎻ当板厚从１.５ｍｍ增加到４ｍｍ时ꎬ最大等效应力从２３.８ＭＰａ降低到１５.４ＭＰａꎬ整体最大挠度从７.３２ｍｍ降低到４.１ｍｍꎬ减小幅度分别为３５.９％和４３.９％ꎮ(２)安装角度对立柱力学性能的影响为满足不同的遮阳要求ꎬ装饰条相对于幕墙平面的安装角度θ会有不同ꎬ但不同安装角度下的装饰条所受风载以及由此引起的装饰条与立柱组合结构截面特性参数的改变都将导致幕墙结构整体力学性能的改变ꎮ图７给出了在装饰条高度为２００ｍｍꎬ宽度为７０ｍｍꎬ板厚为３ｍｍ时ꎬ立柱最大应力和位移随装饰条安装角度的变化关系ꎮ可以看出随着安装角度的增加ꎬ整体应力在安装角度低于６５°时呈现上升趋势ꎬ在超过６５°时ꎬ基本保持不变ꎮ整体最大位移在低于７５°时呈现上升趋势ꎬ在超过７５°时基本保持不变ꎮ面外正向最大挠度随着安装角度的增加逐渐降低ꎬ面内弯曲挠度则呈现快速升高趋势ꎬ前者归结于安装角度增加导致绕强轴的结构抗弯系数增大ꎬ而后者归结于安装角度增加引起侧向载荷增大ꎬ且组合结构截面绕弱轴的抗弯系数降低ꎮ(３)连接方式对立柱力学性能的影响装饰条安装一般采用外挂方式ꎬ主要通过螺栓与立柱进行连接ꎮ当只在装饰条两端布置螺栓连接于立柱时ꎬ在承受侧向风压状态下ꎬ装饰条约束相当于简支状态ꎬ但多个螺栓等间距布置于二者之间时ꎬ装饰条和立柱组合结构更接近于连续整体承力构件ꎬ刚度更高ꎬ抗力更好ꎬ但耗材较难安装ꎮ针对３.９ｍ长度的装饰条立柱组合结构ꎬ图８显示了在维持装饰条和立柱结构参数不变的情况下ꎬ螺栓连接数量对立柱主体结构应力和位移的影响规律ꎮ可知随着螺栓数量的增加ꎬ立柱应力水平下降ꎬ当连接螺栓数量达到并高于８个时ꎬ立柱整体应力水平基本保持不变ꎮ在较少螺栓数量下ꎬ结构最大等效应力取决于横向正应力σｘꎬ但随着螺栓数量增多ꎬ则取决于轴向正应力σｚꎮ随着螺栓数量的增加ꎬ立柱整体最大挠度呈下降趋势ꎬ但当螺栓数量达到或多于６个时ꎬ整体位移基本维持不变ꎮ在螺栓增加开始阶段ꎬ立柱面内侧向位移迅速增加ꎬ螺栓数量高于６个时基本维持不变ꎮ整体来说ꎬ立柱与装饰条之间的螺栓连接数量布置６~８个为宜ꎬ既可使组合结构达到良好受力状态ꎬ亦可降低制作和安装成本ꎮ
５结束语
针对含大规格装饰条的幕墙立柱结构ꎬ通过合理考虑组合结构的结构特征、载荷边界条件和连接性质ꎬ建立了精细化的有限元分析模型ꎬ并分析研究了组合结构在极限载荷下的力学性能和装饰条尺寸、安装角度和连接方式的影响规律ꎮ极限载荷作用下的力学性能分析结果表明:在装饰条侧向风压的作用下ꎬ组合结构沿轴向的面外弯曲效应以及沿横向的面内弯曲效应对立柱的力学性能都将产生显著影响ꎮ参数影响分析结果表明:装饰条高度是影响立柱力学性能的主导因素ꎬ一般取１~１.２倍立柱高度为宜ꎻ装饰条宽度和板厚对结构受力有利ꎬ需结合可视效果进行轻量化寻优设计ꎻ装饰条安装角度在６５°~９０°之间变化时ꎬ立柱整体力学性能基本保持不变ꎬ在该范围内可在满足遮阳要求的前提下合理布置安装角度ꎻ为使组合结构具有较好的传力、抗风抗震性能ꎬ装饰条与立柱间连接螺栓均匀布置６~８个为宜ꎮ
作者:徐晨 单位中铁城建集团有限公司
