幕墙铝合金立柱+型钢内芯组合构件的设计计算方法

幕墙专栏摘要：在玻璃幕墙设计中，遇到层高较大，铝合金型材强度、刚度难以满足需要时，设计者往往采用“铝合金立柱＋型钢内芯”组合构件来解决。

本文就该种情况下强度及挠度的计算方法进行探讨。

关键词：铝合金立柱；型钢内芯；组合构件；设计计算1 引言玻璃幕墙是由铝型材与玻璃等材料组成的建筑外围护结构。

在抗风、抗震设计中，立柱是主要的受力构件。

一般都按简支梁或连续梁模式承受水平风力、地震力和竖向自重等外部作用，并按拉弯构件计算其强度和变形。

因此合理选材，对保证玻璃幕墙具有良好的承载力、刚度及稳定性，确保其使用的安全性，无疑有着极其重要的作用。

在幕墙工程设计中，遇到层高较大，铝合金型材强度、刚度难以满足需要时，经常采用型钢内芯增强铝合金立柱在抗风压、地震、自重等荷载效应下的强度和刚度值，以满足安全和挠度的要求。

2 计算方法探讨设定组合构件的不同部件间“紧密相接”，但接触面没有抗剪能力。

由于这种方式组成的构件不是“有机”的组合在一起的，各构件所分担的部分荷载必须通过解超静定结构的方法求解，即应该满足静力平衡，力与变形的物理关系—虎克定律，不同部件间的变形协调三个条件下求解。

首先，这种组成的构件内力与变形符合虎克定律—变形与内力成正比的弹性变形范围内，其次，这种组成的构件的各部件因“紧密相接”而变形一致，满足变形协调条件，所以各部件承担的荷载是与各自的刚度成正比。

即抗弯构件按抗弯刚度ＥＩ正比分配，抗轴力构件按抗轴力刚度ＥＦ正比分配；抗剪力构件按抗剪切刚度ＧＦ正比分配；（Ｅ为弹性模量，Ｇ为剪切模量，Ｉ为截面惯性矩，Ｆ为截面面积）。

幕墙立柱均以风压和地震力作用下的抗弯为主，所以，组合构件的各部件所承担的荷载主要与抗弯刚度成正比。

外荷载（Ｆ）根据铝型材与钢型材的刚度进行分配：铝型材荷载分配系数：μ１＝Ｅ１Ｉ１／ＥＩ＝Ｅ１Ｉ１／（Ｅ１Ｉ１＋Ｅ２Ｉ２）钢型材荷载分配系数：μ２＝Ｅ２Ｉ２／ＥＩ＝Ｅ２Ｉ２／（Ｅ１Ｉ１＋Ｅ２Ｉ２）式中：ＥＩ＝Ｅ１Ｉ１＋Ｅ２Ｉ２—组合构件截面刚度Ｅ１Ｉ１—铝型材刚度Ｅ２Ｉ２—钢型材刚度知道每个构件所承担的荷载值后，就可以根据各个荷载类型的内力和挠度计算公式，叠加每个构件在各种类型荷载作用下的内力和挠度，验证其强度和挠度是否分别满足幕墙的安全和正常使用两个方面的要求。

3 工程应用实例３．１　工程概况一幕墙工程位于北京市海淀区，楼层高度（幕墙的层间高度）为Ｈ＝３．６ｍ，幕墙的分格宽度为Ｂ＝１．５ｍ，基本风压按照５０年一遇考虑，ω０＝０．４５ｋＮ／ｍ２，地面粗超度为Ｃ类，８度抗震设防烈度。

最危险点标高为Ｈｅ＝１００ｍ。

立柱采用“铝合金立柱＋型钢内芯”组合构件，结构如图１所示。

铝型材的材料特性及截面特征见表１，型钢的材料特性及截面特征见表２。

表1 铝型材的材料特性及截面特征牌号及状态　６０６３－Ｔ６　弹性模量Ｅ１／Ｎ／ｍｍ２７００００　抗拉屈服强度ｆ１／Ｎ／ｍｍ２１５０　惯性矩Ｉｘ１／ｍｍ４３６７３５００　抵抗矩Ｗｘ１／ｍｍ３４６７１０　截面面积Ａ１／ｍｍ２　１２２１００　表2 型钢的材料特性及截面特征牌号　Ｑ２３５　弹性模量Ｅ２／Ｎ／ｍｍ２２１００００　抗拉屈服强度ｆ２／Ｎ／ｍｍ２２３５　惯性矩Ｉｘ２／ｍｍ４７３４７００　抵抗矩Ｗｘ２／ｍｍ３２２４０　截面面积Ａ２／ｍｍ２６１０５０　经计算：风荷载标准值Ｗｋ＝１．４６８ｋＮ／ｍ２；ｙ轴方向（垂直于幕墙表面）的地震作用ｑＥｙ＝０．２７ｋＮ／ｍ２。

３．２ 刚度计算“铝合金立柱＋型钢内芯”组合构件所受线荷载和作用组合值为：ｑ＝Ｗｋ×Ｂ＝１．４６８×１．５＝２．２０２ｋＮ／ｍ铝型材荷载分配系数：μ１＝Ｅ１Ｉ１／（Ｅ１Ｉ１＋Ｅ２Ｉ２）＝７００００×３６７３５００／（７００００×３６７３５００＋２１００００×７３４７００）＝０．６３钢型材荷载分配系数：μ２＝Ｅ２Ｉ２／（Ｅ１Ｉ１＋Ｅ２Ｉ２）＝２１００００×７３４７０／（７００００×３６７３５００＋２１００００×７３４７００）＝０．３７铝合金立柱所承担的荷载为：ｑ１＝μ１ｑ＝０．６３×２．２０２＝１．３８７ｋＮ／ｍ型钢内芯所承担的荷载为：ｑ２＝μ２ｑ＝０．３７×２．２０２＝０．８１５ｋＮ／ｍ按单跨简支梁计算，产生的挠度按下式计算：铝合金立柱ｆ１＝５ｑ１×Ｌ４／３８４Ｅ１Ｉ１＝５×１．３８７×３６００４／３８４×７００００×３６７３５００＝１１．６０ｍｍ型钢内芯ｆ２＝５ｑ２×Ｌ４／３８４Ｅ２Ｉ２＝５×０．８１５×３６００４／３８４×２１００００×７３４７００＝１１．６０ｍｍ幕墙“铝合金立柱＋型钢内芯”组合构件的设计计算方法宋金虎 山东交通职业学院a) b) c)图1“铝合金立柱+型钢内芯”组合构件结构示意图a)“铝合金立柱+型钢内芯”组合构件;b)铝合金立柱;c)型钢内芯幕墙专栏１）外显框位置等压防渗漏：对于带有显框的玻璃幕墙，可以在显框结构与玻璃之间的间隙构筑防渗漏的等压腔，如图１４所示。

２）单元式玻璃幕墙的横向插接缝和纵向插接缝位置等压防渗漏：横向插接缝和纵向插接缝是幕墙防渗漏的薄弱环节，结构设计中主要应用雨屏等压原理在插接缝和纵向插接缝结构内构造出有效的等压腔。

如下图１５所示。

Ｃ、玻璃幕墙防渗漏主要措施：１）设计措施：・玻璃幕墙结构设计必须确保主要受力杆件的挠度符合规范要求，如果主要受力杆件的挠度过大，将可能影响到密封胶条和胶的密封效果。

・设计时首先应考虑玻璃幕墙防渗漏构造。

对于非等压玻璃幕墙要设计出适当宽的胶缝，便于嵌缝打胶；对于等压玻璃幕墙，则须在幕墙结构内设置有效等压腔和气流孔，气流孔的尺寸必须经计算确定。

・雨屏等压原理防渗漏不是万能的。

设计中要充分考虑其它因素带来的渗漏影响，必须牢固树立“既防又排”的防渗漏设计理念。

设计时尽可能在玻璃幕墙结构内设置有效排水路径，一旦水渗进幕墙结构内可沿着排水路径流至幕墙外部。

２）材料措施：・选用品牌厂家的ＥＰＤＭ、Ｓａｎｔｏｐｒｅｎｅ、硅橡胶等优质密封胶条，确保胶条具有足够的变形密封量及良好的耐久性。

・选用品牌厂家生产的优质耐候密封胶和玻璃胶，尽可能选用中性胶，严禁过期使用。

・注意胶之间及胶与接触铝材等材料之间的相容性，不得出现不相容现象。

・选用优质五金配件，尤其是开启部位的多点锁必须确保功能可靠，开启关闭灵活。

３）加工、组装措施：・严格控制加工、组装精度，尤其是对等压幕墙而言尤为重要。

必须用胶或薄胶垫消除金属之间拼接细小缝隙带来渗漏隐患。

・注意控制密封胶的使用环境，结构胶的施工车间要求清洁无尘，满足结构胶使用的室内温度和相对湿度要求。

４）检测措施：・按国家相关国标要求做好玻璃幕墙水密性、气密性试验，在试验过程中发现渗漏后分析其原因，并采取应对措施，这是设计、加工、组装、安装各环节质量是否过关的有效手段。

・做好现场淋水试验，查找实际安装过程中存在的质量隐患。

５）安装措施：・严禁下雨天露天进行耐候胶的施工。

・凡是需要在现场打胶密封的位置，应先将相邻铝框、玻璃或缝隙上的尘埃、油渍、松散物和其它脏物清除干净，注胶后应嵌密实，表面平整，并加强养护。

・对于等压幕墙，安装时须逐一检查室内侧横向插接缝的打胶效果，防渗漏之闭孔泡沫材、接合部气密条等是否合理或质量可靠。

６）清洁措施・清洁幕墙时，使用任何清洁方案和清洁设备都不得损坏幕墙嵌缝胶，一旦出现局部损坏，应及时补胶修补。

4 结语玻璃幕墙发生渗漏原因诸多，渗漏现象时有发生，对此无论是非等压玻璃幕墙还是等压玻璃幕墙，承包商都必须在设计、材料采购、加工组装及现场安装过程中牢牢把握玻璃幕墙防渗漏之基本原理，采取切实可行的方法排除因重力、运动能、表面张力、气流、毛细管、压力差所带来的渗漏影响，做到理论联系实际，不断探索并积累相关经验，尽量减少、甚至消除玻璃幕墙之渗漏，为社会建造出一个个优质工程。

取［ｆ］＝Ｌ／１８０＝３６００／１８０＝２０ｍｍ１１．６０ｍｍ≤［ｆ］因此，刚度满足规范要求。

３．３ 强度计算“铝合金立柱＋型钢内芯”组合构件强度荷载组合如下：ｑ＝１．４×１×Ｗｋ＋１．３×０．５×ｑＥｙ＝１．４×１×１．４６８＋１．３×０．５×０．２７＝２．２３１ｋＮ／ｍ２铝合金立柱所受线荷载为：ｑ１＝ｑμ１×Ｂ＝２．２３１×０．６３×１．５＝２．１０９ｋＮ／ｍ铝合金立柱所受线荷载为：ｑ２＝ｑμ２×Ｂ＝２．２３１×０．３７×１．５＝１．２３８ｋＮ／ｍ按单跨简支梁计算，立柱所受最大弯矩为：铝合金立柱Ｍ１＝ｑ１×Ｌ２／８＝２．１０９×３．６２／８＝３．４１７ｋＮｍ型钢内芯Ｍ２＝ｑ２×Ｌ２／８＝１．２３８×３．６２／８＝２．００６ｋＮｍ“铝合金立柱＋型钢内芯”组合构件所受轴向拉力为：Ｎ＝１．５×Ｇ＝２７４０ｋＮ（Ｇ为幕墙构件的重量，ｋＮ）铝合金立柱所受轴向拉力为：Ｎ１＝μ１Ｎ＝０．６３×２７４０＝１７３０ｋＮ型钢内芯所受轴向拉力为：Ｎ２＝μ２Ｎ＝０．３７×２７４０＝１０１０ｋＮ承载力应满足下式要求（本工程设计的立柱不承压，为只拉构件）：Ｎ／Ａ０＋Ｍ／（γ・Ｗ）≤ｆａ铝合金立柱：Ｎ１／Ａ１＋Ｍ１／（γ１・Ｗ１）＝１７３０×１０３／１２２１００＋３４１７／（１．０５×４６７１０）＝１４．２４Ｎ／ｍｍ２＜ｆ１＝１５０Ｎ／ｍｍ２型钢内芯：Ｎ２／Ａ２＋Ｍ２／（γ２・Ｗ２）＝１０１０×１０３／６１０５０＋２００６／（１．０５×２２４０）＝１７．３９Ｎ／ｍｍ２＜ｆ２＝２３５Ｎ／ｍｍ２因此，强度满足要求。

4 结语通过分析，本文提供的幕墙立柱采用“铝合金立柱＋型钢内芯”组合构件时的挠度与强度计算方法，概念清晰，公式简洁，方便应用。

参考文献［１］ＧＢ／Ｔ　２１０８６—２００７　《建筑幕墙》．［２］ＪＧＪ　１０２—２００３　《玻璃幕墙工程技术规范》．［３］ＧＢ　５０４２９—２００７　《铝合金结构设计规范》．作者简介宋金虎（１９６７－），男，山东潍坊人，高级工程师，副教授，研究方向：建筑幕墙，机械设计制造及机械装备技术。

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