建筑幕墙立柱挠度计算研究

杨勇

【摘 要】框架幕墙由于其工期较短，造型多样受到人们的广泛青睐。幕墙工程组合立柱进行抗风压性能，是检验其质量的最为重要的标准。本文就立柱挠度进行分析，并通过计算对其变化规律与幕墙软件计算结果进行比较，以供参考。

【关键词】建筑幕墙；组合立柱；抗风压；挠度计算；有限元分析

建筑幕墙已越来越多地应用于现代建筑，被越来越多的人所接受，结构越来越多样，功能也越来越完善。作为建筑的外围护结构，幕墙的安全性也是最重要的部分。

一、框架幕墙特点及立柱挠度的研究意义

（一）、系统的特点。（1）适用性强，应用范围广。对于不同的外墙造型和装饰效果，采用框架式幕墙系统一般都能实现。（2）对幕墙公司的整体规模、设计人员的综合技术水平、加工设备的配置和精度等要求不高，国内大多数幕墙单位均能承接。（3）前期材料准备周期较短。（4）装配组件一般较小。因为幕墙组装构件较小，不需要很大的储存场所，较易实现在施工现场的存放，也便于上墙前幕墙材料的产品保护。

（二）、立柱挠度的研究意义。框架式幕墙的立柱一般按照一个楼层一根铝合金立柱，上下楼层立柱之间通过铝芯套连接而构成整个连续的竖向支撑。大部分框架式系统的设计是将幕墙立柱的连接接缝设置在窗间墙部位，窗间墙玻璃竖向跨上下两根铝立柱，而玻璃的上横料固定在上一楼层的立柱上，下横料固定在下一楼层的立柱上，当结构发生相对位移或地震情况下，仅能通过窗间墙玻璃与上横料之间的间隙消化结构变形，只能容纳有限的结构位移，而立柱本身的挠度对其抗风压性、抗震性有着决定性的作用，因此本文对立柱挠度进行研究。

二、实例分析

本文以某立柱跨度为9m、立柱左右分格均为1.2m的玻璃幕墙为例进行设计，根据具体的工程可以采用不同立柱形式进行组合，如钢铝叠合立柱、型钢立柱等。本文分别按规范方法计算、有限元分析及试验等三种途径对钢铝叠合立柱的挠度进行研究。

（一）、按规范方法计算进行研究

1、组合立柱挠度计算原理。铝立柱和钢立柱接合面处设置抗剪螺钉连接件，且抗剪螺钉连接件沿立柱长度方向固定间距设置，组合立柱在标准风荷载作用时，铝合金型材和钢型材之间没有互相错位，二者协调变形。因此，铝立柱和钢立柱不是分别沿自身截面中性轴产生挠曲，而是沿组合立柱的中性轴产生挠曲。

2、组合立柱计算参数。在軟件计算中，铝立柱截面绕X轴的毛截面惯性矩：Iax=3430500.OOOmm4，有效净截面面积：Aa=1120.OOOmm2，Y方向形心坐标：ya=97.2mm，弹性模量为0.70x105N/mm2；钢立柱型材截面绕x轴的毛截面惯性矩：Iax=4792400.OOmm4，净截面面积；Aa=2136.OOOmm2，Y方向形心坐标，yan=108.5mm，弹性模量为2.06x105N/mm2；内套钢立柱下端到组合型材下端的距离为28.5mm。

3、立柱荷载计算

由此就得到了截面弯矩-曲率关系的表达式，对上式沿着梁长方向积分，就可以得到立柱的挠度。

4、按规范方法计算结果。组合立柱的分格宽度为1.2m，跨度为9m，取试验中最大风压值440pa为计算的基本风压，按照规范公式进行计算，则钢铝叠合立柱的挠度11.778mm。

（二）通过有限元分析进行研究

有限元分析软件计算精度高，可以直观的显示出应力和变形等优点，受力或者造型复杂的结构都可以通过有限元软件进行精确的受力分析。但是其缺点是建模比较复杂，需要大量时间。本文基于ANSYS有限元分析软件对上文所述分格宽度为1.2m，跨度为9m 的钢铝叠合立柱进行挠度研究

此处仍然基于基本风压W0=440pa时进行整体结构分析。将风压数值用于前述的结构分析模型，经ANSYS软件分析后得到的框架幕墙的挠度云图如图3所示。

同样采取从模型中截取框架幕墙的组合立柱，得到立柱的最大位移为9.443mm。

（三）、通过试验进行结果验证

幕墙试件分别施加以下各级压力差：-440Pa，-330Pa，-220Pa，-110Pa，OPa，110Pa，220Pa，330Pa，440Pa，在每级压力差下记录钢铝叠合立柱挠度见表1。钢铝叠合立柱挠度与从力差之间的关系曲线见图4

从图4得出：组合立柱的挠度与压力差基本上呈线性关系；在正压力差和负压力差作用下，钢铝叠合立柱挠度值非常接近，钢铝叠合立柱变形可视为弹性变形。从试验数据中可以看都钢铝叠合立柱在风压440pa时挠度值为9.65

（四）、结果比较.通过按规范方法计算的最大挠度11.778mm与有限元分析的最大挠度9. 443mm以及试验测得最大挠度9.65mm进行比较可知： 有限元分析所得挠度值与试验测得数据比较接近，而按规范方法计算所得挠度值与试验测得值差别较大。为此笔者对此测试结果进行复核，可排除测试仪器的问题或位移计安装偏差的问题，对立柱挠度进行重复试验，测试结果的复现性很好，挠度测试的结果可靠。经分析，笔者认为该幕墙钢铝叠合立柱的挠度按规范方法计算值与试验实测值有较大差别的主要原因是面板刚度较大。幕墙面板受力变形后荷载进行了重新分配，与理论上荷载的分布情况有较大差别，导致理论计算结果与实测结果差别较大。

结束语

1）幕墙结构设计中，当面板刚度较小时，可考虑按规范进行幕墙立柱的挠度计算。2）当幕墙面板刚度较大时，面板刚度对幕墙整体的刚度影响较大，幕墙结构设计可按规范GB5009-2012进行设计，但所得数据偏于保守，会造成材料的浪费，若工程较大，建议做幕墙整体的有限元分析，控制工程成本当幕墙面板刚度较大，且立柱所在幕墙风格不同时，因面板变形引起的荷载重新分配，该立柱的计算不能按理论上的荷载分配方法进行，应采用立柱所在的较大的分格宽度进行理论计算或进行幕墙整体的有限元分析。