某鋁板幕墻工程鋼結構計算分析

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成幕墻結構的裝配組件，常用于作墻體蔽護和不采光的墻壁。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、裝飾，美觀的效果，目前在我國很多大中型城市均有廣泛應用，常見的形式有蜂窩鋁板、單層鋁板和復合鋁板等。

然而，在部分地區，受氣候條件影響，風荷載對鋁板幕墻結構的影響極其顯著，因此在進行鋁板幕墻結構設計分析時，應重點就風荷載對鋁板及鋼結構桿件的作用效應進行分析。為此，本文結合某工程鋁板幕墻結構特點，應用ANSYS有限元計算軟件，建立鋁板幕墻結構的計算模型，分析其內力特征，為結構設計提供參考依據。

2.工程概況

    鋁板幕墻結構為2層懸挑式鋼管結構，具體尺寸如圖1所示。

圖1 幕墻結構布置及尺寸

    依據《建筑結構荷載規范GB 50009—2001（2006年版）》及《鋼結構設計規范GB 50017—2003》的相關要求，結構中鋁板及鋼材自重依據材料重度以實際計算結果輸入。

    鋁板幕墻的風壓設計主要包含兩個方面：其一為五十年一遇瞬問最大風速的風壓作用下，其主受力梁的最大撓度應小于樓層間距的1/180，且主受力梁的最大拉應力小于允許值；其二為鋁板在30年一遇瞬間最大風速的風壓力作用下，其撓度不超過樓層間距的1/300，其最大拉應力小于鋁板允許值。當單層鋁板或符合鋁板分割較大時，需在鋁板背面設加強筋，加強筋的計算與主受力梁的風壓設計相同。

    為此，本幕墻在計算時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控制的組合，荷載組合為，1.35+0.98。同時，為安全起見，計算中將水平荷載按風荷載考慮。

3.受力分析及其結果

    3.1 計算模型

    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結構鋼，其物理力學指標如下：

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

 圖2計算模型

    3.2計算結果分析

    按荷載組合，加載計算，結果如下：

    圖3（a）、（b）分別為荷載組合下鋁板幕墻軸向應力等值線，其中水平向最大應力為-1.95 MPa（受壓）；豎向最大應力為-2.25MPa（受壓）。因應力值遠小于鋁板材料抗壓強度，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，計算結果表明，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 桿件承載力計算

    由內力分析結果可知，水平方向橫向梁為受壓構件，縱向梁為受彎構件，豎向鋼梁為壓彎構件。故對各部分構件承載力計算如下：

    對于水平橫向梁的計算，按《鋼結構設計規范》（50017-2003）5.1.1條，

    故水平橫向梁承載力滿足要求。

    水平縱向梁，強度驗算：由《鋼結構設計規范》（50017-2003）4.1.1條，

    因鋁板密鋪，整體穩定和局部穩定不需驗算，故水平縱向梁承載力滿足要求。

    豎向梁，強度驗算：由《鋼結構設計規范》（50017-2003）4.1.1條，

    因鋁板密鋪，整體穩定和局部穩定不需驗算，故豎向梁承載力滿足要求。

4．結語

    結合鋁板幕墻的特點，剪力了某工程鋁板幕墻鋼結構的有限元計算模型，考慮自重及風荷載的共同影響，計算了結構內力，并依據現行規范的要求，對危險桿件的強度及穩定性進行了驗算。計算分析及驗算結果表明，在設計荷載作用下，鋁板幕墻及鋼梁承載力均能滿足承載力及穩定性要求，能夠為相關工程的設計及分析提供參考。

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(本文來源：陜西省土木建筑學會    文徑網絡：尹維維 編輯  文徑 審核)