在幕墙设计中充分应用多跨铰接梁

引言

随着大气污染的日趋严重, “节能减排, 低碳发展”成为整个社会的共识。具体到建筑行业, 注重建设过程的每一个环节, 合理有效的控制和降低建筑的碳排放, 是技术人员义不容辞的责任。

建筑材料的生产、运输、建造过程都会产生碳排放。以玻璃幕墙的主要材料铝型材和玻璃为例, 统计数据显示, 1kg铝型材的间接碳排放 (含电解铝耗电) 为13.95kg CO2/kg, 1kg玻璃碳排放为0.174kg CO2/kg。如何通过合理减少材料用量尤其是铝型材用量来降低碳排放, 提高产品竞争力, 是新环境下每一个幕墙技术人员必须思考的问题。

1. 多跨铰接梁的应用分析

在幕墙材料用量中, 立柱约占铝型材用量的三分之二, 立柱的合理设计是幕墙碳排放控制的重要因素。在常见的幕墙工程中, 立柱根据其支撑条件, 可分为三种:单跨简支梁、双跨梁、多跨铰接连续静定梁。其力学模型如下图所示:

对比上述三种不同构造体系的支座数量和承载能力, 可以发现多跨铰接连续静定梁不仅支座数量少, 而且承载能力高, 最为经济。尤其对楼层较多的高层建筑, 采用该力学模型可充分利用金属材料高强度、高承载力的特点, 提高效率, 减少材料用量。

但笔者发现在大量工程实践中, 采用石材、金属板等非透明面板的幕墙体系才会用到多跨铰接梁, 而玻璃幕墙体系使用该力学模型非常有限。

一般幕墙立柱的支座多位于结构楼板位置, 上下立柱间按留有20mm左右的伸缩缝。多跨铰接连续静定梁的结构体系要求立柱的铰接点 (即立柱间的伸缩缝) 距离支座有一段距离, 这段距离称之为悬挑段, 另一段称之为简支段。根据结构计算, 当悬挑段长度占立柱长度 (通常为楼层高度) 的1/7~1/6时, 结构体系为最优。按这一比例, 悬挑段长度约为600~800mm。因拉杆比压杆受力更合理, 稳定性更好, 所以一般工程中将伸缩缝置于支座的上方, 使较长的简支段受拉, 较短的悬挑段受压。

但支座 (楼板) 向上600~800mm, 处于人视线的可视范围内。非透明面板的幕墙因室内有实体墙遮挡, 伸缩缝不会被看见。而玻璃幕墙为了提高通透性, 室内大多不设窗槛墙, 伸缩缝的存在严重影响了幕墙内视的美观性。因此多跨铰接梁常用于石材、金属板等背后有实体墙遮挡的幕墙体系中。对于要求视线通透无遮挡的玻璃幕墙, 其应用受到了很大的限制。

要想充分利用多跨铰接梁, 就必须解决这一问题。

2. 通过“下移法”使用多跨铰接静定梁

在结构支撑满足条件的情况下将立柱的支座和伸缩缝整体向下偏移600-800mm, 如下图2-1所示。这样虽然铰接点位于支座上方, 但仍然处于楼层完成面以下, 不影响美观。此种做法相较双跨梁每层可节省一套支座, 承载能力和双跨梁基本相当。如能根据实际支撑条件合理设计初始跨, 其承载能力甚至略高于双跨梁。

此做法相较常规做法, 只是构造上略有改动。铝立柱的力学模型无变化, 较容易理解, 是最为经济便捷的选择。

通过“倒置法”使用多跨铰接静定梁

在结构梁高度较小或因其他原因无法将支座下移时, 可考虑将伸缩缝设置在支座下方, 借用玻璃幕墙层间的防火构造将其隐蔽。为方便表述, 笔者将这种力学模型称之为“倒置式”铰接多跨梁, 以便和前文所述的普通铰接多跨梁加以区分。

根据《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003要求:“无窗槛墙的玻璃幕墙, 应在每层楼板外沿设置耐火极限不低于1.0h、高度不低于0.8m的不燃烧实体裙墙或防火玻璃裙墙”。实际工程中, 多借用结构梁 (高度≥0.8m) 担当防火裙墙。当结构梁高度不够时, 在梁底部用防火材料封堵, 结合结构梁形成高度≥0.8m的防火裙墙。

如果把立柱间的伸缩缝设置于楼板下方800mm以内 (800mm已能满足大多数建筑对多跨铰接梁悬臂段的长度要求) , 将会被防火裙墙完全遮挡, 解决了美观的问题。如上图2-2所示。

这一做法虽然解决了外观上的问题, 但需注意立柱简支段的受力形式从拉弯变为压弯, 需进行稳定性验算, 避免立柱因失稳丧失承载能力。

3.“倒置法”多跨铰接静定梁的计算实例

现以宿迁中豪国际广场办公楼为例, 对“倒置法”铰接多跨静定梁的应用进行分析和计算。

幕墙高度119.5米, 层高4米, 主体结构为钢框架+混凝土楼板, 幕墙形式为框架式玻璃幕墙。因主体结构的H型钢梁不利于安置埋件, 且不允许后焊接。所以每层只能在混凝土楼板位置设置一个支座。本例中, 幕墙立柱因地制宜, 采用了“倒置法”铰接多跨静定梁 (如下图4-1所示) , 其主要计算过程如下:

3.1 计算的基本参数

1:计算点标高:119.5m;

2:力学模型:多跨铰接梁, 按7跨计算;

3:立柱跨度:L=4000mm, 短跨长L1=700mm, 长跨长L2=3300mm;

4:立柱左分格宽:2400mm;立柱右分格宽:1200mm;

5:面板材料:中空玻璃6+6mm;

3.2 立柱的荷载计算

(1) 考虑铝框和转接件后的幕墙自重:GAk=0.41k N/m2

(2) 风荷载线分布最大荷载集度设计值 (矩形分布)

qw:风荷载线分布最大荷载集度设计值 (k N/m)

rw:风荷载作用效应的分项系数:1.4

Wk:风荷载标准值:1.16381k N/m2

Bl:幕墙左分格宽:2.4m

Br:幕墙右分格宽:1.2m

3.3 水平地震作用线荷载设计值 (矩形分布)

GAkl:立柱左边幕墙构件 (包括面板和框) 的平均自重:0.41k N/m2

GAkr:立柱右边幕墙构件 (包括面板和框) 的平均自重:0.41k N/m2

3.4 立柱荷载组合

立柱所受组合荷载标准值为:

立柱所受组合荷载设计值为 (风荷载和分布水平地震作用组合) :q=qw+ψE×qe=2.9328+0.5×1.152=3.51k N/m

3.5 立柱内力分析

通过SAP2000有限元分析计算得到立柱在风荷载和地震作用下产生的弯矩图如下:

最大弯矩M=4.91k N·m

4. 立柱的强度计算

4.1 立柱型材的截面特性

选定立柱材料类别:铝-6063-T6

选用立柱型材名称:130*65铝立柱

型材强度设计值:150N/mm2

型材弹性模量:

4.2 立柱强度校核

f:立柱计算强度 (N/mm2)

fa:铝合金型材抗拉强度设计值, 取150N/mm2

A:立柱型材截面积:12.049cm2

Ny:当前杆件最大轴力 (k N)

Mmax:当前杆件最大弯矩 (k N.m)

Wz:立柱截面抵抗矩 (cm3)

γ:截面塑性发展系数:1.05

Hv:立柱长度;4m

幕墙自重线荷载:

r G:结构自重分项系数:1.2

G:幕墙自重线荷载设计值G=r G×Gk=1.2×0.738=0.886k N/m立柱的轴力:

所以立柱承载力满足要求

4.3 立柱的稳定性验算

校核依据: (JGJ102-2003 6.3.8-1

查表JGJ102-2003表6.3.8轴心受压柱的稳定系数, 取φ=0.5

所以立柱稳定性满足要求

4.4 立柱的局部稳定性校核

因立柱受压, 需要考虑局部稳定性的要求

依据规范, 受压立柱截面的宽厚比b0/t应满足下表要求 (JGJ102-2003 6.2.1)

立柱截面属双侧加肋型, 宽度b0=118mm, 壁厚t=3.0mm, 材质6063-T6,

宽厚比;b0/t=118/3=39.3<40

所以立柱截面宽厚比满足要求

4.5 立柱的刚度和抗剪强度经计算均满足要求, 本文不再赘述。

5. 结语

上述两种方法可扩大多跨铰接静定梁在玻璃幕墙工程中的使用范围, 在具备条件时如能合理选用精心设计, 可节省材料, 达到节能减排的目的。

摘要：本文对多跨铰接梁力学模型在玻璃幕墙中的使用限制进行了分析, 提出了两种消除限制, 使用多跨铰接梁的方法。并以实际工程为例, 对受压铝立柱的稳定性进行了计算分析。对类似幕墙工程在合理降低成本、提高产品竞争力方面具有参考价值。

关键词：玻璃幕墙,多跨铰接梁,受压铝立柱

参考文献

[1] 《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003.《建筑结构静力计算手册》第二版, 中国建筑工业出版社.

[2] 2010年《中国铝业》6期

[3] 2010年《统计研究》第27卷第8期

[4] 2006年国家温室气体清单指南