隨著現階段越來越多的單元式幕墻的運用，薄壁開口式立柱成為單元式幕墻的主要受力構件，在建筑幕墻的結構計算中，大部分工程還是按照玻璃幕墻規范中的相關要求來計算結構的強度及剛度，而整體穩定這部分并未提及，鋁合金受彎構件的整體穩定計算在《鋁合金結構設計規范》GB 50429-2007（以下簡稱鋁結構規范）中有單獨的章節予以詳細的規定，鑒于單元式幕墻中的立柱多采用開口式薄壁鋁合金構件，這種構件的截面參數按照鋁結構規范計算還是比較復雜的，其計算可以采用有限元軟件屈曲分析求得屈曲因子，進而求其整體穩定系數[1]來計算構件的整體穩定性。具體步驟如下：
1. 首先利用已知條件，簡化計算模型。
2. 建立有限元模型，添加屈曲分析（Buckling）工況，求得簡支梁的屈曲因子。
3. 求得簡支梁彎扭屈曲臨界彎矩 [1]。
4. 基于鋁結構規范附錄C[2]，求得簡支梁彎扭穩定相對長細比 ，最終求得簡支梁受彎整體穩定系數 。
5. 利用鋁結構規范相第6.2.2條[2]，來判斷簡支梁的整體穩定是否滿足規范要求。
以下內容是我對單元式幕墻的主要受力構件的強度、剛度的計算過程及整體穩定計算的一點摸索和探討。我們以一個實際工程中的案例來做一下分析，探討一下開口式構件的整體穩定計算的重要性。
工程概況：
該項目位于南京市建鄴區，主樓建筑幕墻最高高度為150.0米，裙樓建筑幕墻最高高度為25.05米，建筑幕墻面積為50,000平方米，主樓建筑幕墻采用單元式幕墻，立柱采用開口對插式鋁合金公母料，該截面見右圖：型材截面圖（左邊為母料，右邊為公料），下面以母料來做一個計算演示；
通過計算單元式幕墻母料在考慮三道橫梁的側向支撐作用下才能滿足的整體穩定的要求，當側向支撐間距較大時，該母料的整體穩定將不能滿足鋁結構規范的要求，從而可以考慮采用其它方法來提高母料的整體穩定性能，加大壁厚就是其中的一種方法，但較經濟性來講，該方法又不是一個好的方法，所以如何考慮立柱的整體穩定性，需要綜合考慮，下面我將就影響立柱整體穩定的因數做一組數值分析。
2.5.7 影響立柱整體穩定不足的因數有很多，平面外支撐只是其中的一種，構件的壁厚、翼緣的寬度、荷載、截面中的閉腔部分都能起到提高構件的整體穩定的目的，如何選擇合理經濟的方案需要結合建筑、幕墻形式等諸多因數，綜合考慮；下面，我們建立幾種不同壁厚、不同平面外支撐的幾何模型，分別求其整體穩定系數，形成對比表格，以作數據分析；表中數據共計18組，分別采用三種不同壁厚、三種不同平面外支撐情況、兩種截面形式（公料和母料），考慮到單元幕墻立柱的計算簡化，荷載形式均為均布線荷載，指定的線荷載為1kN/m。分析程序采用SAP2000，利用其屈曲分析功能，得到每種模型的屈曲因子，按照鋁結構規范的附錄C計算、分析、列表，詳細數據見表：《受彎構件整體穩定系數對比表》。
受彎構件整體穩定系數對比表
|
序號 |
截面 |
壁厚 (mm) |
|
平面 外支 撐 |
|
屈曲 因子 |
臨界 彎矩 |
截面模量 |
穩定系數 |
|
|
1 |
A |
3.0 |
4.2 |
無 |
4.2 |
0.6585 |
1.452 |
28.58 |
0.299 |
505.745 |
|
2 |
A |
4.0 |
4.2 |
無 |
4.2 |
1.2184 |
2.687 |
38.20 |
0.400 |
282.848 |
|
3 |
A |
5.0 |
4.2 |
無 |
4.2 |
2.03391 |
4.485 |
47.88 |
0.508 |
177.683 |
|
4 |
A |
3.0 |
4.2 |
兩道 |
2.1 |
1.40626 |
3.101 |
28.58 |
0.568 |
266.228 |
|
5 |
A |
4.0 |
4.2 |
兩道 |
2.1 |
2.1282 |
4.6930 |
38.20 |
0.620 |
182.478 |
|
6 |
A |
5.0 |
4.2 |
兩道 |
2.1 |
3.05042 |
6.726 |
47.88 |
0.675 |
133.723 |
|
7 |
A |
3.0 |
4.2 |
三道 |
1.05 |
2.62236 |
5.782 |
28.58 |
0.802 |
188.551 |
|
8 |
A |
4.0 |
4.2 |
三道 |
1.05 |
3.83034 |
8.446 |
38.20 |
0.826 |
136.969 |
|
9 |
A |
5.0 |
4.2 |
三道 |
1.05 |
5.23430 |
11.542 |
47.88 |
0.847 |
106.568 |
|
10 |
B |
3.0 |
4.2 |
無 |
4.2 |
2.06157 |
4.546 |
39.75 |
0.590 |
184.279 |
|
11 |
B |
4.0 |
4.2 |
無 |
4.2 |
3.16218 |
6.974 |
49.68 |
0.675 |
128.878 |
|
12 |
B |
5.0 |
4.2 |
無 |
4.2 |
4.60531 |
10.155 |
62.14 |
0.733 |
94.883 |
|
13 |
B |
3.0 |
4.2 |
兩道 |
2.1 |
3.58313 |
7.901 |
39.75 |
局部失穩先于整體失穩 |
|
|
14 |
B |
4.0 |
4.2 |
兩道 |
2.1 |
7.27139 |
16.033 |
49.68 |
||
|
15 |
B |
5.0 |
4.2 |
兩道 |
2.1 |
10.20825 |
22.509 |
62.14 |
0.916 |
75.927 |
|
16 |
B |
3.0 |
4.2 |
三道 |
1.05 |
2.97013 |
6.549 |
39.75 |
局部失穩先于整體失穩 |
|
|
17 |
B |
4.0 |
4.2 |
三道 |
1.05 |
6.17253 |
13.610 |
49.68 |
||
|
18 |
B |
5.0 |
4.2 |
三道 |
1.05 |
11.16908 |
24.682 |
62.14 |
||
注：截面A為：母料；截面B為：公料；
通過表：《受彎構件整體穩定系數對比表》的數值分析，受彎構件的整體穩定與構件的諸多因數有關，在具體工程中要具體問題具體分析，總結一下：
1.構件的平面外支撐數量的增加（即無支撐間距的減小）對構件的整體穩定是有利的。
2.構件截面壁厚的增加對整體穩定是有利的。
3.構件翼緣的寬度的增加對整體穩定是有利的，但當翼緣寬度與厚度的比值達到一定數值后，構件的局部失穩將較構件的整體失穩先發生，也就意味著如果一味地增加翼緣的寬度對構件的整體穩定是沒有太大意義的，在考慮成本的情況下，這一點是需要注意的。
4.工程中經常遇到構件承載力不足時，往往設計人員僅通過增加構件主軸方向的高度來滿足規范的設計要求，對開口式構件，此方法在使用時尤其要慎重，一定要注意構件的整體穩定驗算。
3 結 語
本文是單元式幕墻開口截面立柱的整體穩定計算方法的一個初探，其方法僅供大家在以后對單元式幕墻結構計算分析中做一點參考，同時鑒于構件式幕墻的受力構件通常采用閉腔結構，故其整體穩定性較好，所以幕墻規范中并未規定對其整體穩定計算的要求，只通過規定其最小壁厚來滿足構件的局部要求。而開口式構件的整體穩定較差，尤其對利用率較高的構件應當驗算其整體穩定能否滿足要求。
本文模擬平面外支撐采用的方法是約束構件在橫梁位置構件的平面外位移，這與實際的結構受力形式存在一定的誤差，對構件的整體穩定有一定的影響，該部分的研究也應當做更深入的研究，本文不再深入。
參考文獻
[1] 王治明，趙華.一種基于有限元軟件屈曲分析求解鋁合金受彎構件整體穩定系數的方法[J] .2011年全國鋁門窗幕墻行業年會論文集，2011
[2] GB 50429-2007 鋁合金結構設計規范[S] .
文章轉載請注明轉自《門窗幕墻英才網》
