6.2横梁
6.2.1 受弯薄壁金属梁的截面存在局部稳定问题,为防止产生压应力区的局部屈曲,通常可用下列方法之一加以控制:
1)规定最小壁厚tmin和规定最大宽厚比;
2)对抗压强度设计值或允许应力予以降低。
本规范中,幕墙横梁与立柱设计,采用前一种控制方法。
1.最小壁厚
我国现行国家标准《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB 50018规定薄壁型钢受力构件壁厚不宜小于2mm。我国现行国家标准《铝合金建筑型材》GB/T 5237规定用于幕墙的铝型材最小壁厚为3mm。
通常横梁跨度较小,相应的应力也较小,因此本条规定小跨度(跨度不大于1.2m)的铝型材横梁截面最小厚度为2.0mm,其余情况下截面受力部分厚度不小于2.5mm。
为了保证直接受力螺纹连接的可靠性,防止自攻螺钉拉脱,受力连接时,在采用螺纹直接连接的局部,铝型材厚度不应小于螺钉的公称直径。
钢材防腐蚀能力较低,横梁型钢的壁厚不应小于2.5mm,并且本规范明确必要时可以预留腐蚀厚度。
2.最大宽厚比
型材杆件相邻两纵边之间的平板部分称为板件。一纵边与其他板件相连接,另一纵边为自由的板件,称为截面的自由挑出部位;两纵边均与其他板件相连接的板件,称为截面的双侧加劲部位。板件的宽厚比不应超过一定限值,以保证截面受压时保持局部稳定性。截面中不符合宽厚比限值的部分,在计算截面特性时不予考虑。
弹性薄板在均匀受压下的稳定临界应力可由下式计算:
(6.7)
式中 E——弹性模量;
t——截面厚度;
ν——泊松比;
b0——截面宽度;
β——弹性屈曲系数,自由挑出部位(边界条件视为三边简支、一边自由)取0.425,双侧加劲部位(边界条件视为四边简支)取4.0。
由上式可得到型材截面的宽厚比要求,即:
式中 f——型材强度设计值。
本条表6.2.1即由公式(6.8)计算得出。
6.2.4 横梁为双向受弯构件,竖向弯矩由面板自重和横梁自重产生;水平方向弯矩由风荷载和地震作用产生。由于横梁跨度小、刚度较大,一般情况不必进行整体稳定验算。
6.2.5 本条公式为材料力学中梁的抗剪计算公式。
6.2.7 横梁的挠度控制是正常使用状态下的功能要求,不涉及幕墙结构的安全,加之所采用的风荷载又是50年一遇的最大值,发生的机会较少,所以不宜控制过严,避免由于挠度控制要求而使材料用量增加太多。
隐框幕墙玻璃板的副框,一般采用金属件多点连接在横梁上;明框幕墙玻璃板与横梁间有弹性嵌缝条或密封胶。因此,横梁变形后对玻璃的支承状况改变不大。试验表明,横梁挠度达到跨度的l/180时,幕墙玻璃的工作仍是正常的。因此,对铝型材的挠度控制值定为l/1800钢型材强度较高,其挠度控制则可以稍严一些。原规范JGJ 102-96对挠度附加了不超过20mm的限值,这是针对当时采用幕墙的工程多为高层旅馆和办公楼,层高一般不大于4m的情况而制定的。目前,幕墙应用范围已大大扩展,情况多变,有时跨度超过4m较多,因此不宜、也不必要再规定挠度控制的绝对值,这与工程结构设计中挠度控制采用相对值的方法是一致的。
6.3 立 柱
6.3.1 立柱截面主要受力部分厚度的最小值,主要是参照现行国家标准《铝合金建筑型材》GB/T 5237中关于幕墙用型材最小厚度为3mm的规定。对于闭口箱形截面,由于有较好的抵抗局部失稳的性能,可以采用较小的壁厚,因此允许采用最小壁厚为2.5mm的型材。
钢型材的耐腐蚀性较弱,最小壁厚取为3.0mm。
偏心受压的立柱很少,因其受力较为不利,立柱一般不设计成受压构件。当遇到立柱受压情况时,需要考虑局部稳定的要求,对截面的宽厚比加以控制,与本规范第6.2.1条的相应要求一致。
6.3.3 幕墙在平面内应有一定的活动能力,以适应主体结构的侧移。立柱每层设活动接头后,就可以使立柱有上、下活动的可能,从而使幕墙在自身平面内能有变形能力。此外,活动接头的间隙,还要满足以下的要求:
——立柱的温度变形;
——立柱安装施工的误差;
——主体结构承受竖向荷载后的轴向压缩变形。
综合以上考虑,上、下柱接头空隙不宜小于15mm。
6.3.4~6.3.6 立柱自下而上是全长贯通的,每层之间通过滑动接头连接,这一接头可以承受水平剪力,但只有当芯柱的惯性矩与外柱相同或较大且插入足够深度时,才能认为是连续的,否则应按铰接考虑。
因此大多数实际工程,应按铰接多跨梁来进行立柱的计算。现在已有专门的计算软件,它可以考虑自下而上各层的层高、支承状况和水平荷载的不同数值,计算各截面的弯矩、剪力和挠度,作为选用铝型材的设计依据,比较准确。
对于某些幕墙承包商来说,目前设计还采用手算方式,这时可按有关结构设计手册查出弯矩和挠度系数。
每层两个支承点时,宜按铰接多跨梁计算,求得较准确的内力和挠度。但按铰接多跨梁计算需要相应的计算机软件,所以,手算时可以近似按双跨梁考虑。
6.3.7 一般情况下,立柱不宜设计成偏心受压构件,宜按偏心受拉构件进行截面设计。因此,在连接设计时,应使柱的上端挂在主体结构上。
本条计算公式引自现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017。
6.3.8 考虑到在某些情况下可能有偏心受压立柱,因此本条列出偏心受压柱的稳定验算公式。本公式引自现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017。
弯矩作用平面内的轴心受压稳定系数φ,钢型材按现行国家标准《钢结构设计规范》GB 50017采用;铝型材的取值国内未见系统的研究报告,因此参照国外强度接近的铝型材φ值取用(表6.3)。
表6.3 国外一些铝型材的φ值
λ俄罗斯加拿大意大利
σ0.2=60~90
MPaσ0.2=100
MPaσ0.2=150~230
MPa[σ]=105
MPa[σ]=84
MPa[σ]=138
MPa
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