大跨度玻璃幕墙钢-铝组合立柱抗风压性能研究

郭永添

(福建省建筑科学研究院 福建省绿色建筑技术重点实验室 350025)

大跨度玻璃幕墙钢-铝组合立柱抗风压性能研究

郭永添

(福建省建筑科学研究院 福建省绿色建筑技术重点实验室 350025)

文章结合工程实际将钢-铝组合立柱的玻璃幕墙，安装在建筑幕墙综合物理性能检测系统上进行抗风压性能试验研究，并提出钢-铝组合立柱挠度的计算方式，为今后钢-铝组合立柱在幕墙工程实际应用立柱的设计提供参考。

钢-铝组合立柱；挠度；抗风压

0 引言

近年来，随着中国经济的高速发展，城市化进程的加快，国内建筑幕墙在大型建筑上的运用已经处于高速发展阶段。大跨度、大分隔幕墙在超高层、汽车站、动车站、大型商业综合体、文体场馆等工程应用中越来越受欢迎。但玻璃幕墙事故频发，安全问题已成为舆论焦点。因此在设计和施工中对玻璃幕墙的立柱要求越来越高，立柱材料的选取对建筑幕墙的安全性能就显得尤为重要，在有限的建筑施工空间且不影响建筑整体美观的情况下。单纯的铝合金立柱已无法满足幕墙主要构件的风荷载能力，采用钢-铝组合立柱能很好满足大跨度幕墙荷载要求，同时对节约室内空间、减少铝合金用量降低成本、保障美观、保证建筑物的稳定性具有重要的作用。

基此，本文通过对钢-铝组合立柱形式的玻璃幕墙试件进行试验和理论计算研究，对比单独采用同型号的钢立柱和铝立柱的计算结果，说明不同立柱形式对玻璃幕墙抗风压性能的影响，并对钢-铝组合立柱抗风压的理论计算模型可行性进行探讨。

1 工程实例

1.1 幕墙试验单元板块概况

某工程明框玻璃幕墙抗风压性能试验中，该玻璃幕墙试件规格为：宽2 800mm×高5 500mm，组合立柱采用单跨梁，幕墙左右分割b=1 400mm，立柱支座垂直间距l=5 000mm，面板为(6+12A+6)mm厚Low-E中空钢化玻璃，幕墙试件大样如图1所示。

图1 幕墙试件大样图

该幕墙立柱是以钢-铝组合立柱的形式，因钢立柱和铝合金立柱在实际安装时两者之间需预留约3mm左右的间隙来安装橡胶垫，防止不同材料之间产生电腐蚀，所以二者之间不能紧密地配合在一起，无法协同受力。故钢立柱和铝合金立柱通过抗剪构件(高强度对穿螺栓)使二者近似协同受力，幕墙立柱在均布载荷作用下，钢立柱与铝合金立柱所受的荷载是按型材的抗弯刚度进行分配，二者会产生近似的变形曲线，挠度变形近似相同，整个截面处的应力分布更加趋于均匀。特别注意的是，该组合立柱的抗剪构件必须保证具有足够的强度，保证钢材和铝型材不发生相对滑移，否则，如果产生纵向剪切滑移，二者不能协同受力，这样组合梁就变成叠合梁，其惯性矩和刚度就会大大降低，无法满足幕墙构件强度和刚度的要求，会造成安全隐患。

铝合金立柱为普通铝合金立柱，钢立柱内衬为镀锌钢方管，其规格和组合形式，如图2所示。

图2 钢-铝组合立柱截面图

该工程幕墙上、下两层立柱之间连接采用，如图3所示。钢立柱伸缩缝与铝合金立柱的伸缩缝位置应错开150mm左右，互为传递横向剪切，不必另加连接芯套，但两者必须能独立承担总的柱端水平剪力。 另外，铝合金型材的热膨胀系数几乎是钢型材的2倍，按该工程立柱间距5m计算，两者的长度变形相差近3mm，其通过连接螺栓孔间隙可以进行适当的抵消。 该工程幕墙立柱、横梁和玻璃面板的组合形式见幕墙横向节点，如图4所示。

图3 上、下层立柱连接图

图4 幕墙横向节点图

1.2 试验过程

该工程幕墙支撑结构的风荷载标准值Wk=1 500Pa，根据GB/T 15227-2007《建筑幕墙气密、水密、抗风压性能检测方法》[2]的要求，将该幕墙试验单元安装于大型建筑幕墙综合物理性能检测系统上，并按要求在被测立柱室内侧图示位置点A、点B、点C上布置位移传感器，如图 1所示。

按要求对该工程幕墙试件按工程检测分级施压至40%的风荷载，并按先正压后负压的施压顺序，先后逐级施加150Pa、300Pa、450Pa、600Pa、0Pa、-150 Pa、-300Pa、-450Pa、-600Pa的压力，并在每级压力下记录该幕墙被测钢-铝组合立柱的挠度值，如表1所示。然后，按标准GB/T 15227-2007《建筑幕墙气密、水密、抗风压性能检测方法》[2]的要求，对该幕墙试件先后施加100%的风荷载1 500Pa和-1 500Pa的压力，记录该幕墙被测钢-铝组合立柱的挠度值分别为17.52mm和-18.01mm。

表1 钢-铝组合立柱挠度

2 试验结果与理论计算结果分析

2.1 试验结果

根据表1试验数据可以直观看出钢-铝组合立柱在40%风荷载600Pa时，各级压差下的挠度变化情况，在正、负压力差作用下，钢-铝组合立柱挠度值非常接近，组合立柱的变形可视为弹性变形。

通过试验还可得到该幕墙按100%风荷载1 500Pa时，该钢-铝组合立柱的最大挠度值为18.01mm。

2.2 立柱挠度理论计算

2.2.1 立柱挠度理论计算公式

按JGJ 102-2003《玻璃幕墙工程技术规范》的要求[1]，计算幕墙受风荷载作用所产生弯矩，应按实际支撑条件计算，分单跨梁和双跨梁。

本文分析的玻璃幕墙是采用单跨梁结构形式，其立柱挠度应采用单跨简支梁的力学模型中挠度计算公式[5]来计算，见式(1)。

(1)

2.2.2 钢-铝组合立柱刚度计算公式[4]

在钢-铝组合结构中，钢材和铝材组成一个整体，近似紧密结合状态，因此在垂直于结构的荷载作用下，钢材和铝材的挠度可以近似地认为是相同的；因钢-铝组合立柱在承受风荷载时是共同作用变形的，故其形心轴必须是共同形心轴，定义为等效形心轴。

由于材料刚度为弹性模量和惯性矩的乘积，故该钢-铝组合立柱的刚度EIxmin为组合立柱弹性模量Ixmin和组合立柱惯性矩的乘积，求解组合截面惯性矩为等效轴心时，可以将不同截面材料的弹性模量进行等效计算，求出该组合立柱的等效刚度，如式(2)。这样就可以应用常规计算方法，按简支梁的计算模型进行后续的力学计算分析进行挠度计算。

EIxmin=EgIxgmin+ElIxlmin

(2)

式中：

EIxmin—钢-铝组合立柱等效刚度；

Eg、El—钢、铝材料的弹性模量；

Ixgmin、Ixlmin—钢、铝材料惯性矩。

2.2.3 各种形式立柱挠度计算

钢材的弹性模量Eg=206 000MPa；铝合金的弹性模量El=70 000MPa；该幕墙选用的钢型材和铝合金型材的惯性矩，通过CAD制图软件也可以直接计算出，钢型材惯性矩为Ixgmin=2 518 570cm4，铝合金型材惯性矩为Iximin=4 902 690cm4；该玻璃幕墙钢-铝组合立柱的风荷载线分布最大荷载集度标准值为qk=bWk=2.1N/mm。

通过式(2)可以算出该玻璃幕墙钢-铝组合立柱的等效刚度EIxmin为8.62 014×1 011。

通过式(1)可以分别计算出风荷载为1 500Pa时该玻璃幕墙采用钢-铝组合立柱、钢方管型材立柱、铝合金型材立柱时的不同挠度值挠度值。

采用钢-铝组合立柱的挠度值df：

只采用图2所示的钢方管型材为立柱时的挠度值：

只采用如图2所示的铝合金型材为立柱时的挠度值：

通过上述计算结果与试验结果比较分析，绘制风荷载为600Pa时压力-挠度曲线图，如图5所示。

图5 压力-挠度曲线图

2.3 结果分析

按标准GB/T 21086-2007《建筑幕墙》[3]要求，钢立柱挠度极限值为20.00mm；铝立柱挠度极限值为27.78mm。

(1)试验结果显示，该工程钢-铝组合立柱在承受设计荷载=1 500Pa时，组合立柱的最大挠度值为18.01mm，均能小于标准要求的钢立柱和铝合金立柱的挠度值符合要求，而单采用钢立柱或者铝立柱均无法达到标准要求；

(2)在风荷载作用下，各种材料的立柱挠度与压差均呈线性关系；

(3)通过图5可看出，采用同样规格型号的钢-铝组合立柱其抗风荷载能力是单采用钢立柱的1.8倍，是单采用铝合金立柱的2.8倍。

(4)由图5可看出，本文采用钢-铝组合立柱挠度理论计算方法算出挠度值为试验所得钢-铝组合立柱挠度值的1.10倍，二者比较接近，因此本文提出的钢-铝组合立柱挠度的计算方法，比较客观准确，具有一定的可行性，可为读者在今后组合立柱幕墙挠度的计算和设计提供参考，具有广泛的工程实际应用意义。

通过综合分析，在满足承受相同风荷载的情况下，相同面积的幕墙形式，如果采用钢-铝组合结构形式立柱相比采用纯铝合金立柱形式，可以节约成本约1/3。

3 存在的问题和解决方法

铝合金立柱和钢立柱之间虽设置橡胶绝缘垫片，

两者之间不会产生电腐蚀，但一般铝合金立柱内穿钢立柱结构，设置绝缘垫片比较困难，即使安装过程中设置好了，也可能因不好固定而产生位置偏移，难达到预期效果。另外，钢方管立柱包在铝合金立柱内，时间久了会产生锈蚀，且不易于发现，存在隐患。为了解决这个问题，可以在钢立柱的外表面涂刷3～5遍带有绝缘性能的防锈漆，并使防锈漆干膜的厚度满足相关规范的要求。同时，为了防止钢立柱内表面的锈蚀，钢立柱的两个端口应用封口板焊接密封。

由于钢立柱和铝合金立柱配合间隙的存在，在承受均布载荷时，两者的接触是由点到线的形式，虽外载荷是沿立柱均布的，但铝合金立柱和钢立柱之间的力传递也不是完全均布，即使采用对穿螺栓连接钢立柱也是近似地和铝合金立柱承担一样的荷载，所以本文的算法是近似的简化法。

4 结语

综上所述，钢-铝组合立柱在大跨度的建筑幕墙实际应用中，与单用钢立柱和单用铝合金立柱相比，具有“结构自重相对较轻、强度高、美观性能好、承受相同风荷载时立柱截面小，节约建筑空间，节约铝材用量，降低成本”等特点，但也存在施工难度大，施工成本相对增加的不利因素。

本文通过对钢-铝组合立柱抗风压性能的研究，从实际试验和理论计算中得出一些数据，并进行有效的数据分析对比，证实本文提出的钢-铝组合立柱挠度的计算方法比较准确、真实。在今后幕墙设计单位、施工单位、检测单位的实际工程应用中具有一定的指导作用。

[1] JGJ 102-2003 玻璃幕墙工程技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[2] GB/T 15227-2007建筑幕墙气密、水密、抗风压性能检测方法[S].北京：中国标准出版社，2008.

[3] GB/T 21086-2007建筑幕墙[S].北京：中国标准出版社，2008.

[4] 贾晓明.钢铝组合截面框在工程成本控制及结构安全方面的优势[J].门窗(技术交流版)，2013(9):52-54.

[5] 孙训方,方孝淑,关来泰.材料力学[M].北京：高等教育出版社,2002.

Study on the wind pressure resistance performance of large span glass curtain wall with steel-aluminum composite column

GUOYongtian

(Fujian Academy of Building Research, Fujian Provincial Key Laboratory of Green Building Technology, Fuzhou 350025)

Combined with the engineering practice, in this paper the wind pressure resistance performance of the glass curtain wall with steel aluminum composite column was studied with comprehensive physical properties test system of building curtain wall. And the calculation method for deflection of steel aluminum composite column was put forward, which would give reference for the design of the practical application of curtain wall engineering column with steel aluminum composite column in the future.

Steel aluminum composite column;Deflection;Wind pressure

郭永添(1982.9- )，工程师。

E-mail:361771368@qq.com

2017-03-01

TU398

A

1004-6135(2017)06-0080-04