某鋁板幕墻工程鋼結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

郭  雷

（陜西航天建筑工程公司  71000  西安）

1．引言

    鋁板幕墻是采用鋁板作為鑲板而構(gòu)成幕墻結(jié)構(gòu)的裝配組件，常用于作墻體蔽護(hù)和不采光的墻壁。在窗框墻部分使用鋁板，或在不需采光的整面墻上使用鋁板幕墻，能夠起到屏護(hù)、裝飾，美觀的效果，目前在我國(guó)很多大中型城市均有廣泛應(yīng)用，常見的形式有蜂窩鋁板、單層鋁板和復(fù)合鋁板等。

然而，在部分地區(qū)，受氣候條件影響，風(fēng)荷載對(duì)鋁板幕墻結(jié)構(gòu)的影響極其顯著，因此在進(jìn)行鋁板幕墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)就風(fēng)荷載對(duì)鋁板及鋼結(jié)構(gòu)桿件的作用效應(yīng)進(jìn)行分析。為此，本文結(jié)合某工程鋁板幕墻結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，應(yīng)用ANSYS有限元計(jì)算軟件，建立鋁板幕墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型，分析其內(nèi)力特征，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。

2.工程概況

    鋁板幕墻結(jié)構(gòu)為2層懸挑式鋼管結(jié)構(gòu)，具體尺寸如圖1所示。

圖1 幕墻結(jié)構(gòu)布置及尺寸

    依據(jù)《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范GB 50009—2001（2006年版）》及《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范GB 50017—2003》的相關(guān)要求，結(jié)構(gòu)中鋁板及鋼材自重依據(jù)材料重度以實(shí)際計(jì)算結(jié)果輸入。

    鋁板幕墻的風(fēng)壓設(shè)計(jì)主要包含兩個(gè)方面：其一為五十年一遇瞬問(wèn)最大風(fēng)速的風(fēng)壓作用下，其主受力梁的最大撓度應(yīng)小于樓層間距的1/180，且主受力梁的最大拉應(yīng)力小于允許值；其二為鋁板在30年一遇瞬間最大風(fēng)速的風(fēng)壓力作用下，其撓度不超過(guò)樓層間距的1/300，其最大拉應(yīng)力小于鋁板允許值。當(dāng)單層鋁板或符合鋁板分割較大時(shí)，需在鋁板背面設(shè)加強(qiáng)筋，加強(qiáng)筋的計(jì)算與主受力梁的風(fēng)壓設(shè)計(jì)相同。

    為此，本幕墻在計(jì)算時(shí)垂直向線性恒荷載取值2.5KN/m，水平均布荷載取值1 kN/m2，雪荷載取值0.4 kN/m2。荷載工況按永久荷載效應(yīng)控制的組合，荷載組合為，1.35+0.98。同時(shí)，為安全起見，計(jì)算中將水平荷載按風(fēng)荷載考慮。

3.受力分析及其結(jié)果

    3.1 計(jì)算模型

    采用SAP2000有限元分析軟件，桿件采用beam單元，幕墻采用shell單元，建立空間有限元分析模型（如圖2所示）。鋼材采用Q235結(jié)構(gòu)鋼，其物理力學(xué)指標(biāo)如下：

    鋼材重度ρ=78kN/m3，抗拉、抗壓和抗彎強(qiáng)度f=215N/mm2，抗剪強(qiáng)度fv=125 N/mm2，彈性模量E=206×103N/mm2，剪切模量G=79×103N/mm2。

 圖2計(jì)算模型

    3.2計(jì)算結(jié)果分析

    按荷載組合，加載計(jì)算，結(jié)果如下：

    圖3（a）、（b）分別為荷載組合下鋁板幕墻軸向應(yīng)力等值線，其中水平向最大應(yīng)力為-1.95 MPa（受壓）；豎向最大應(yīng)力為-2.25MPa（受壓）。因應(yīng)力值遠(yuǎn)小于鋁板材料抗壓強(qiáng)度，故幕墻板承載力符合要求。

（a）水平向                           （b）豎向

圖3 鋁板幕墻軸向應(yīng)力等值線

    圖4為鋼梁軸力圖，可以看出，水平梁最大軸力為-7.382kN（受壓），豎直梁最大軸力為-5.458kN。圖5為鋼梁彎矩圖，計(jì)算結(jié)果表明，水平梁豎向最大彎矩為8500kN-mm，豎向梁最大水平彎矩為89.48kN-mm。圖6為各桿的剪力圖形，由圖6可見，各桿件水平剪力均為零，僅在頂層橫梁上存在數(shù)向剪力，且其值較小。  

圖4 鋼梁軸力圖

 （a）水平向                              （b）豎向

圖5 鋼梁彎矩圖

（a）水平向                         （b）豎向

圖6 鋼梁剪力圖

    3.3 桿件承載力計(jì)算

    由內(nèi)力分析結(jié)果可知，水平方向橫向梁為受壓構(gòu)件，縱向梁為受彎構(gòu)件，豎向鋼梁為壓彎構(gòu)件。故對(duì)各部分構(gòu)件承載力計(jì)算如下：

    對(duì)于水平橫向梁的計(jì)算，按《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（50017-2003）5.1.1條，

    故水平橫向梁承載力滿足要求。

    水平縱向梁，強(qiáng)度驗(yàn)算：由《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（50017-2003）4.1.1條，

    因鋁板密鋪，整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定不需驗(yàn)算，故水平縱向梁承載力滿足要求。

    豎向梁，強(qiáng)度驗(yàn)算：由《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》（50017-2003）4.1.1條，

    因鋁板密鋪，整體穩(wěn)定和局部穩(wěn)定不需驗(yàn)算，故豎向梁承載力滿足要求。

4．結(jié)語(yǔ)

    結(jié)合鋁板幕墻的特點(diǎn)，剪力了某工程鋁板幕墻鋼結(jié)構(gòu)的有限元計(jì)算模型，考慮自重及風(fēng)荷載的共同影響，計(jì)算了結(jié)構(gòu)內(nèi)力，并依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的要求，對(duì)危險(xiǎn)桿件的強(qiáng)度及穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)算。計(jì)算分析及驗(yàn)算結(jié)果表明，在設(shè)計(jì)荷載作用下，鋁板幕墻及鋼梁承載力均能滿足承載力及穩(wěn)定性要求，能夠?yàn)橄嚓P(guān)工程的設(shè)計(jì)及分析提供參考。

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(本文來(lái)源：陜西省土木建筑學(xué)會(huì)    文徑網(wǎng)絡(luò)：尹維維 編輯  文徑 審核)