大跨度玻璃幕墻鋼-鋁組合立柱抗風壓性能研究

郭永添

(福建省建筑科學研究院 福建省綠色建筑技術重點實驗室 350025)

大跨度玻璃幕墻鋼-鋁組合立柱抗風壓性能研究

郭永添

(福建省建筑科學研究院 福建省綠色建筑技術重點實驗室 350025)

文章結合工程實際將鋼-鋁組合立柱的玻璃幕墻，安裝在建筑幕墻綜合物理性能檢測系統上進行抗風壓性能試驗研究，并提出鋼-鋁組合立柱撓度的計算方式，為今后鋼-鋁組合立柱在幕墻工程實際應用立柱的設計提供參考。

鋼-鋁組合立柱；撓度；抗風壓

0 引言

近年來，隨著中國經濟的高速發展，城市化進程的加快，國內建筑幕墻在大型建筑上的運用已經處于高速發展階段。大跨度、大分隔幕墻在超高層、汽車站、動車站、大型商業綜合體、文體場館等工程應用中越來越受歡迎。但玻璃幕墻事故頻發，安全問題已成為輿論焦點。因此在設計和施工中對玻璃幕墻的立柱要求越來越高，立柱材料的選取對建筑幕墻的安全性能就顯得尤為重要，在有限的建筑施工空間且不影響建筑整體美觀的情況下。單純的鋁合金立柱已無法滿足幕墻主要構件的風荷載能力，采用鋼-鋁組合立柱能很好滿足大跨度幕墻荷載要求，同時對節約室內空間、減少鋁合金用量降低成本、保障美觀、保證建筑物的穩定性具有重要的作用。

基此，本文通過對鋼-鋁組合立柱形式的玻璃幕墻試件進行試驗和理論計算研究，對比單獨采用同型號的鋼立柱和鋁立柱的計算結果，說明不同立柱形式對玻璃幕墻抗風壓性能的影響，并對鋼-鋁組合立柱抗風壓的理論計算模型可行性進行探討。

1 工程實例

1.1 幕墻試驗單元板塊概況

某工程明框玻璃幕墻抗風壓性能試驗中，該玻璃幕墻試件規格為：寬2 800mm×高5 500mm，組合立柱采用單跨梁，幕墻左右分割b=1 400mm，立柱支座垂直間距l=5 000mm，面板為(6+12A+6)mm厚Low-E中空鋼化玻璃，幕墻試件大樣如圖1所示。

圖1 幕墻試件大樣圖

該幕墻立柱是以鋼-鋁組合立柱的形式，因鋼立柱和鋁合金立柱在實際安裝時兩者之間需預留約3mm左右的間隙來安裝橡膠墊，防止不同材料之間產生電腐蝕，所以二者之間不能緊密地配合在一起，無法協同受力。故鋼立柱和鋁合金立柱通過抗剪構件(高強度對穿螺栓)使二者近似協同受力，幕墻立柱在均布載荷作用下，鋼立柱與鋁合金立柱所受的荷載是按型材的抗彎剛度進行分配，二者會產生近似的變形曲線，撓度變形近似相同，整個截面處的應力分布更加趨于均勻。特別注意的是，該組合立柱的抗剪構件必須保證具有足夠的強度，保證鋼材和鋁型材不發生相對滑移，否則，如果產生縱向剪切滑移，二者不能協同受力，這樣組合梁就變成疊合梁，其慣性矩和剛度就會大大降低，無法滿足幕墻構件強度和剛度的要求，會造成安全隱患。

鋁合金立柱為普通鋁合金立柱，鋼立柱內襯為鍍鋅鋼方管，其規格和組合形式，如圖2所示。

圖2 鋼-鋁組合立柱截面圖

該工程幕墻上、下兩層立柱之間連接采用，如圖3所示。鋼立柱伸縮縫與鋁合金立柱的伸縮縫位置應錯開150mm左右，互為傳遞橫向剪切，不必另加連接芯套，但兩者必須能獨立承擔總的柱端水平剪力。 另外，鋁合金型材的熱膨脹系數幾乎是鋼型材的2倍，按該工程立柱間距5m計算，兩者的長度變形相差近3mm，其通過連接螺栓孔間隙可以進行適當的抵消。 該工程幕墻立柱、橫梁和玻璃面板的組合形式見幕墻橫向節點，如圖4所示。

圖3 上、下層立柱連接圖

圖4 幕墻橫向節點圖

1.2 試驗過程

該工程幕墻支撐結構的風荷載標準值Wk=1 500Pa，根據GB/T 15227-2007《建筑幕墻氣密、水密、抗風壓性能檢測方法》[2]的要求，將該幕墻試驗單元安裝于大型建筑幕墻綜合物理性能檢測系統上，并按要求在被測立柱室內側圖示位置點A、點B、點C上布置位移傳感器，如圖 1所示。

按要求對該工程幕墻試件按工程檢測分級施壓至40%的風荷載，并按先正壓后負壓的施壓順序，先后逐級施加150Pa、300Pa、450Pa、600Pa、0Pa、-150 Pa、-300Pa、-450Pa、-600Pa的壓力，并在每級壓力下記錄該幕墻被測鋼-鋁組合立柱的撓度值，如表1所示。然后，按標準GB/T 15227-2007《建筑幕墻氣密、水密、抗風壓性能檢測方法》[2]的要求，對該幕墻試件先后施加100%的風荷載1 500Pa和-1 500Pa的壓力，記錄該幕墻被測鋼-鋁組合立柱的撓度值分別為17.52mm和-18.01mm。

表1 鋼-鋁組合立柱撓度

2 試驗結果與理論計算結果分析

2.1 試驗結果

根據表1試驗數據可以直觀看出鋼-鋁組合立柱在40%風荷載600Pa時，各級壓差下的撓度變化情況，在正、負壓力差作用下，鋼-鋁組合立柱撓度值非常接近，組合立柱的變形可視為彈性變形。

通過試驗還可得到該幕墻按100%風荷載1 500Pa時，該鋼-鋁組合立柱的最大撓度值為18.01mm。

2.2 立柱撓度理論計算

2.2.1 立柱撓度理論計算公式

按JGJ 102-2003《玻璃幕墻工程技術規范》的要求[1]，計算幕墻受風荷載作用所產生彎矩，應按實際支撐條件計算，分單跨梁和雙跨梁。

本文分析的玻璃幕墻是采用單跨梁結構形式，其立柱撓度應采用單跨簡支梁的力學模型中撓度計算公式[5]來計算，見式(1)。

(1)

2.2.2 鋼-鋁組合立柱剛度計算公式[4]

在鋼-鋁組合結構中，鋼材和鋁材組成一個整體，近似緊密結合狀態，因此在垂直于結構的荷載作用下，鋼材和鋁材的撓度可以近似地認為是相同的；因鋼-鋁組合立柱在承受風荷載時是共同作用變形的，故其形心軸必須是共同形心軸，定義為等效形心軸。

由于材料剛度為彈性模量和慣性矩的乘積，故該鋼-鋁組合立柱的剛度EIxmin為組合立柱彈性模量Ixmin和組合立柱慣性矩的乘積，求解組合截面慣性矩為等效軸心時，可以將不同截面材料的彈性模量進行等效計算，求出該組合立柱的等效剛度，如式(2)。這樣就可以應用常規計算方法，按簡支梁的計算模型進行后續的力學計算分析進行撓度計算。

EIxmin=EgIxgmin+ElIxlmin

(2)

式中：

EIxmin—鋼-鋁組合立柱等效剛度；

Eg、El—鋼、鋁材料的彈性模量；

Ixgmin、Ixlmin—鋼、鋁材料慣性矩。

2.2.3 各種形式立柱撓度計算

鋼材的彈性模量Eg=206 000MPa；鋁合金的彈性模量El=70 000MPa；該幕墻選用的鋼型材和鋁合金型材的慣性矩，通過CAD制圖軟件也可以直接計算出，鋼型材慣性矩為Ixgmin=2 518 570cm4，鋁合金型材慣性矩為Iximin=4 902 690cm4；該玻璃幕墻鋼-鋁組合立柱的風荷載線分布最大荷載集度標準值為qk=bWk=2.1N/mm。

通過式(2)可以算出該玻璃幕墻鋼-鋁組合立柱的等效剛度EIxmin為8.62 014×1 011。

通過式(1)可以分別計算出風荷載為1 500Pa時該玻璃幕墻采用鋼-鋁組合立柱、鋼方管型材立柱、鋁合金型材立柱時的不同撓度值撓度值。

采用鋼-鋁組合立柱的撓度值df：

只采用圖2所示的鋼方管型材為立柱時的撓度值：

只采用如圖2所示的鋁合金型材為立柱時的撓度值：

通過上述計算結果與試驗結果比較分析，繪制風荷載為600Pa時壓力-撓度曲線圖，如圖5所示。

圖5 壓力-撓度曲線圖

2.3 結果分析

按標準GB/T 21086-2007《建筑幕墻》[3]要求，鋼立柱撓度極限值為20.00mm；鋁立柱撓度極限值為27.78mm。

(1)試驗結果顯示，該工程鋼-鋁組合立柱在承受設計荷載=1 500Pa時，組合立柱的最大撓度值為18.01mm，均能小于標準要求的鋼立柱和鋁合金立柱的撓度值符合要求，而單采用鋼立柱或者鋁立柱均無法達到標準要求；

(2)在風荷載作用下，各種材料的立柱撓度與壓差均呈線性關系；

(3)通過圖5可看出，采用同樣規格型號的鋼-鋁組合立柱其抗風荷載能力是單采用鋼立柱的1.8倍，是單采用鋁合金立柱的2.8倍。

(4)由圖5可看出，本文采用鋼-鋁組合立柱撓度理論計算方法算出撓度值為試驗所得鋼-鋁組合立柱撓度值的1.10倍，二者比較接近，因此本文提出的鋼-鋁組合立柱撓度的計算方法，比較客觀準確，具有一定的可行性，可為讀者在今后組合立柱幕墻撓度的計算和設計提供參考，具有廣泛的工程實際應用意義。

通過綜合分析，在滿足承受相同風荷載的情況下，相同面積的幕墻形式，如果采用鋼-鋁組合結構形式立柱相比采用純鋁合金立柱形式，可以節約成本約1/3。

3 存在的問題和解決方法

鋁合金立柱和鋼立柱之間雖設置橡膠絕緣墊片，

兩者之間不會產生電腐蝕，但一般鋁合金立柱內穿鋼立柱結構，設置絕緣墊片比較困難，即使安裝過程中設置好了，也可能因不好固定而產生位置偏移，難達到預期效果。另外，鋼方管立柱包在鋁合金立柱內，時間久了會產生銹蝕，且不易于發現，存在隱患。為了解決這個問題，可以在鋼立柱的外表面涂刷3～5遍帶有絕緣性能的防銹漆，并使防銹漆干膜的厚度滿足相關規范的要求。同時，為了防止鋼立柱內表面的銹蝕，鋼立柱的兩個端口應用封口板焊接密封。

由于鋼立柱和鋁合金立柱配合間隙的存在，在承受均布載荷時，兩者的接觸是由點到線的形式，雖外載荷是沿立柱均布的，但鋁合金立柱和鋼立柱之間的力傳遞也不是完全均布，即使采用對穿螺栓連接鋼立柱也是近似地和鋁合金立柱承擔一樣的荷載，所以本文的算法是近似的簡化法。

4 結語

綜上所述，鋼-鋁組合立柱在大跨度的建筑幕墻實際應用中，與單用鋼立柱和單用鋁合金立柱相比，具有“結構自重相對較輕、強度高、美觀性能好、承受相同風荷載時立柱截面小，節約建筑空間，節約鋁材用量，降低成本”等特點，但也存在施工難度大，施工成本相對增加的不利因素。

本文通過對鋼-鋁組合立柱抗風壓性能的研究，從實際試驗和理論計算中得出一些數據，并進行有效的數據分析對比，證實本文提出的鋼-鋁組合立柱撓度的計算方法比較準確、真實。在今后幕墻設計單位、施工單位、檢測單位的實際工程應用中具有一定的指導作用。

[1] JGJ 102-2003 玻璃幕墻工程技術規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2003.

[2] GB/T 15227-2007建筑幕墻氣密、水密、抗風壓性能檢測方法[S].北京：中國標準出版社，2008.

[3] GB/T 21086-2007建筑幕墻[S].北京：中國標準出版社，2008.

[4] 賈曉明.鋼鋁組合截面框在工程成本控制及結構安全方面的優勢[J].門窗(技術交流版)，2013(9):52-54.

[5] 孫訓方,方孝淑,關來泰.材料力學[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- )，工程師。

E-mail:361771368@qq.com

2017-03-01

TU398

A

1004-6135(2017)06-0080-04