单元式幕墙组装节点抗弯承载力研究

郭忠庆

（上海江河幕墙系统工程有限公司，上海 201601）

0 引言

在幕墙行业中，关于单元式幕墙组装节点，一般认为是铰接形式，不具有抗弯承载力，故该类节点抗弯承载力研究还是空白阶段。其屈服线理论一般也是应用在混凝土板承载力验算、钢结构矩形管构件之间的连接节点承载力等方面，本文创造性将该理论应用到单元式幕墙的铝构件之间连接节点抗弯承载力理论建立。

1 幕墙工程设计需求

当前在国内高层民用建筑外墙的立面上，通常采用建筑幕墙来装饰外立面，为了体现建筑立面装饰效果，建筑师一般在建筑立面上设计竖向装饰条增加立面层次感，一般情况，这个竖向装饰条凸出幕墙面为200～500mm 之间，个别的达到1 500mm。对于高层建筑的外立面建筑幕墙，通常采用单元式构造形式，可以大大加快现场施工速度，同时能够有效保证幕墙组装工艺质量[1]。另外为了减少现场安装工序，需将竖向装饰条组装在单元体公母立柱上。这样在进行单元式幕墙结构分析时，需要考虑装饰条对单元体的影响，比如公立柱会受到装饰条支臂传递的扭矩和侧向荷载。单元式幕墙为适应主体结构层间位移变形和施工安装的方便，需要将单元板块的挂钩跟主体结构连接设计成铰接形式，公母立柱的扭转是无法通过挂钩传递给支座，公母立柱的扭转必然由连接到公母立柱的横梁来约束[2]。笔者通过多年审阅多家幕墙公司的幕墙结构计算书，对于带装饰条单元式幕墙，其横梁与公母立柱连接，对于这个扭矩传递校核，一般仅校核组装螺钉的拉剪校核，不涉及公母立柱侧壁受螺钉拉力作用时发生局部弯曲破坏校核。这个没有校核原因，一是主要是规范没有给定的相关的承载力验算方法，二是进行有限元分析节点抗弯承载力验算时，由于立柱开孔导致有限元分析时都会局部应力集中现象发生，没有办法判断这个节点抗弯承载力。因此对于带有竖向装饰条的单元式幕墙，迫切需要明确公母立柱与横梁连接节点的抗弯承载力设计方法。

2 节点抗弯承载力研究

屈服线理论是分析板状的构件极限承载力一种简单手工计算方法，无须通过有关软件协助。其屈服线理论分析方法，就是假定板有足够的延性保证板截面能够发生塑性转动，然后找到满足边界条件及能够形成机构的屈服破坏模式，再通过虚功原理计算外荷载的外功We 及板内塑性铰部位内功Wi，根据能量守恒方程式：内功和外功相等，最终确定板状结构承载力[3]。下面通过屈服线方法推导出常用的公母立柱与横梁连接节点抗弯承载力计算公式。如图1 所示。

图1 常见的公母立柱与横梁连接

2.1 理论公式推导

单元体幕墙最常见的公母立柱形式为双腔立柱，通过四个自攻螺钉与横梁连接，如图1 中A 所示。根据屈服线原理进行抗弯承载力推导如下。

经分析该公母立柱侧壁屈服线形式如图1 中C 所示。假设屈服线1-9 和屈服线2-10 距螺钉的距离为，其他几何尺寸如图1 中C 所示。根据几何关系求出各条屈服线相对转角及长度如表1 所示。

2.2 实际节点试验验证

通过试验和有限元两种方式来验证该种横梁与立柱连接抗弯承载力式6可行性?以南京某工程的公立柱与中横梁连接来验证公式可行性，该工程的公立柱截面宽度为 44mm，立柱截面进深方向尺寸为 140mm，立柱侧壁壁厚为 2.5mm，其中两个腔的前后距离分别 71.2mm，63.8mm，立柱的材质为牌号为 6063T6铝合金挤压型材，其抗弯强度设计值为 150MPa。横梁截面尺寸为宽度100mm，进深方向尺寸为140mm，壁厚为2.5mm，横梁的材质为牌号为 6063T6 铝合金挤压型材，带有四个组装钉槽。其中几何尺寸如下:e1=22mm，e2=41.8mm,e3=43.2mm，e4=28mm，d=89mm,h=e2+e3+e4=41.8mm+43.2mm+28mm=113mm，β4=e4/h=28/113=0.248。根据公式6 得抗弯承载力设计值理论计算值:

首先进行试验验证:采用两根300mm 长横梁与 500mm长公立柱拼接成一个十字连接节点，共计三个试件。其中立柱一侧横梁与立柱的连接采用常用的标准单元体组装自攻钉连接,其规格型号为六角盘头自攻钉ST6.3 x38。立柱另外一侧横梁与立柱采用前后翼缘盖板连接，每一边采用八个自攻钉连接。试验采用四点受弯法，保证横梁立柱连接位置只有弯矩没有剪力。试验流程:(1)将横梁端部弯矩加载到1.0kNm，测量横梁一侧与立柱张口尺寸;(2)然后卸载归零，检查横梁与立柱闭口情况;(3)重新加载到1.0kNm，1.5kNm，2.0kNm并测量横梁与立柱张口尺寸;(4)继续加载到破坏为止记录最终破坏弯矩。其试验结果如表 2所示。

表2 试件试验数据

组试件试验过程均出现立柱侧壁局部弯曲变形，最终破坏均以立柱侧边撕裂模式，其ST6.3直径自攻钉均未出现钉子断裂现象。同时试验过程中:横梁端部加载1.0kNm(理论抗弯设计值)弯矩作用下，三个试件的连接节点均处于弹性范围内(试验时先加载1kNm 弯矩，然后再卸载，横梁与立柱连接节点能够自行弹性恢复，横梁立柱之间没有肉眼可见的缝隙产生)，并且最终破坏弯矩可以达到 2.27kNm，其材料分项系数取2.0，则通过试验得出的节点承载力设计值为2.27/2=1.135kNm。

2.3 有限元方法验证

其次通过有限元方法验证:根据实际节点建立1:1实体有限元模型模拟节点抗弯承载力，其铝型材材料本构模型采用二折线强化模型，其二折线的初始弹性模量取70GPa，其二折线中硬化刚度取 339Pa，其开始屈服点为f0.2=170MPa，极限强度为 205MPa。通过模拟得出节点极限抗弯承载力约为2.6kN.m(根据转动刚度曲线中取初始节点转动刚度的 10%位置)，取2倍安全系数，则节点抗弯承载力设计值为 2.6/2=1.3kNm。

通过与试验及有限元模拟比较得出，数据详见表3。节点抗弯承载力公式（式6）具有可行性，同时偏于安全保守，其屈服线理论应用于幕墙单元体公母立柱与横梁连接节点的抗弯承载力推导是具有可行性。根据屈服线理论推导出其他几个单元式幕墙节点形式抗弯承载力设计值，并且列入表4。

表3 承载力比较表

表4 单元式幕墙横梁与立柱连接节点抗弯承载力

3 结论

本文通过理论分析、有限元分析及试验验证，本文提出的单元式幕墙的组装连接节点抗弯承载力理论计算方法是精确的、可行的。有了节点抗弯承载力理论计算方法可方便快捷地应用到单元式幕墙组装节点设计中。