淺析幕墻橫梁的局部穩定性

    我國現行《玻璃幕墻工程技術規范》（JGJ102-2003）中對金屬薄壁梁的局部穩定問題有明確的闡述。在第6.2.1條的條文說明中指出：受彎薄壁金屬梁的截面存在局部穩定問題。為防止壓應力區域的局部屈曲，通常用下列方法之一加以控制：


    （1） 規定最小壁厚和規定最大寬厚比；


    （2） 對抗壓強度設計值或允許應力予以降低。


    現行幕墻規范對橫梁的局部穩定性即采用前一種控制方法。


    在工程設計中，為了提高梁的抗彎剛度，常常采用加大板件寬厚比的辦法來增加截面的慣性矩，以提高粱的抗彎剛度。但是這樣做卻帶來另一個問題，就是板件有可能在失去整體穩定性之前就產生屈曲變形，使構件失去了局部穩定性。這雖然不像喪失整體穩定性那樣使梁立刻失去承載力，但也會降低梁的整體穩定性和剛度，必然會危及梁的使用安全。


    關于梁的最小壁厚，在鋼型材及建筑鋁型材的相關技術文件中都有明確規定，幕墻設計中要遵照執行。


    關于橫梁截面的最大寬厚比問題，技術規程中按受力和支撐狀態將截面板件分為自由挑出部位和雙側加勁部位兩種情況，在第6.2.1條中用表格形式分別規定了鋼型材和建筑鋁型材不同部位的寬厚比限值指標，設計中不超過此限值規定即可，無需再進行詳細地分析計算，若超過此限值，則需另選截面尺寸，否則可能危及使用安全。


    業內有相當多的工程技術人員對規范中這些限值指標的數據來源、理論根據和分析計算方法不甚明了，這顯然不利于技術規范的貫徹執行。


    我們可以將橫梁型材板件的受力（包括支撐條件）情況簡化為薄板受力問題加以研究，根據彈性力學原理，當薄板同時作用面內荷載與橫向荷載時，必須考慮中面力對薄板橫向彎曲的影響。如果中面力是壓應力，還必須考慮板的局部穩定性問題。


    從支撐狀態方面說，對自由挑出部位可看作是三邊簡支和一邊自由，而對雙側加勁部位則可看成是四邊簡支。


    從受力狀態方面說，為簡化計算，一般認為在軸心受壓條件下，工字形翼緣板是承受沿縱向作用于板件中面的均布壓應力，對箱型截面各邊都可看作是均勻受壓，而對于工字形腹板實際情況是縱向承受不均勻壓應力（但為簡化計算也常常視為是均勻的）和四周的均布剪應力，是二者的組合作用。


    如果將鋼材和建筑鋁型材的屈服強度視為板件中面受壓的臨界應力，將他們各自的相關數據代入上式即可分別得到各種型材板件的寬（高）厚比限值，所得結果與現行玻璃幕墻規范規定的指標基本上是一致的。


    由上述計算過程可看出，如果按彈性條件校核，驗算條件較為寬松，寬厚比取值較大；如果既考慮材料殘余應力又考慮受力后塑性發展變形對局部穩定性的不利影響，驗算條件則比較苛刻，限值較小。顯然后一種作法是比較保守的作法，但出于安全考慮也不無道理。如果只考慮材料的殘余應力，又允許利用部分塑性發展，在不影響板件強度的條件下，則可取只考慮殘余應力寬厚比的限值進行校核。

    需要說明的是，幕墻橫梁設計中強度計算所考慮的荷載主要是風荷載、自重、地震作用的組合效應值，因此在校核其局部穩定性時要借助材料力學公式將組合效應值折算成中面壓應力。


    應該指出，按上述校核方式得出的寬厚比限值指標只包括板件所受的中面法向力（壓應力），對影響中面變形的其它因素（如中面切向力、橫向剪力、橫向集中力、外界彎矩、扭矩等非中面受壓情況）都忽略了，因而不能包括構件局部穩定性計算的全部內容。如果這些非中面受壓因素已構成威脅構件局部穩定性的主要因素，用上述方法進行校核則不能正確反映構件受力情況，甚至可能造成錯誤。這時計算較為復雜，還應查閱相關資料，用有關理論和公式進行詳細計算和校核。


　　參考資料：
    1.行業標準《玻璃幕墻工程技術規范》JGJ102-2003。

    2.國家標準《鋼結構設計規范》GB50017-2003。

    3.國家標準《鋁合金建筑型材》GB5237.1-2004。

    4.《鋼結構--原理與設計》，夏志斌、姚諫編著，中國建筑工業出版社，2004年7月第一版。

    5.《彈性理論基礎》，陸萬明、羅學富，清華大學出版社，施普林格出版社，2001年8月第二版。

    6.《金屬與石材幕墻工程實用技術》，張芹、黃擁軍主編，機械工業出版社，2005年2月第一版。

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