單元體幕墻開口立柱穩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，加工組裝方便等優點逐漸在幕墻工程中得到大量的應用，國內外學者對其進行了大量的研究。石永久、王元清和施剛等不僅進行了鋁合金受彎構件整體穩定性的試驗研究，分析了鋁合金薄腹板梁的抗剪強度，而且對鋁合金網殼結構中的節點受力性能進行了試驗研究和有限元分析;沈祖炎和郭小農等對鋁合金結構構件的設計公式和可靠度進行了研究分析，并分析了對稱截面受壓桿件的穩定系數和軸壓桿件的受力理論;朱繼華等研究了受彎鋁合金構件的直接強度法，并對圓形空心鋁合金柱進行了數值分析和設計;Moen和Matteis等對梯度受彎作用下的鋁合金梁的扭轉性能進行了數值模擬，并對不同橫截面分類的鋁合金梁進行了參數研究。但專門針對單元體幕墻開口型材的穩定性計算方法以及試驗研究相對欠缺。國標《鋁合金結構設計規范》 ，英國標準《Structural use of aluminium》，美國標準《Aluminum design manual》等規范均是針對一般鋁合金結構，給出了一般情況下鋁合金結構的設計方法，并沒有考慮到幕墻結構開口型材的特殊性。

　　工字形、槽形等主體結構用的開口截面相對于閉口截面，由于其截面的構造特點，能夠很好的發揮截面特性以抵抗外荷載，在主體鋼結構設計領域得到了大量的應用。作為圍護結構的幕墻，理應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行試驗研究，并采用中國、英國和美國有關鋁合金結構計算的相關規范對其進行計算分析和比對，以期獲得準確的計算方法，以使其在保證結構安全可靠的基礎上可較好的提高開口型材的強度利用率，更好的發揮其結構性能。

　　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”由行業大百科提供）和扭轉變形，存在扭轉失穩問題(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，防止其側向扭轉，提高其整體穩定性;(3)由于正風壓的方向是朝向剪心，負風壓的方向是背離剪心，因此在正風壓作用下的屈曲特征值較負風壓要小;但有利的是在正風壓作用下，由于玻璃是通過結構膠與鋁型材（詞條“鋁型材”由行業大百科提供）固結在一起，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，發生扭轉時會有效地阻止其開口。而在負風作用下，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、不同荷載工況下進行試驗研究，并將試驗結果和理論值進行對比分析。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單元體板塊進行了試驗研究。

　　為了準確詳實地反映開口型材的受力特點，設計了三種不同的試驗裝置進行開口截面型材的試驗研究。

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