幕墙开口立柱受弯稳定性能试验和计算方法研究

面为对象研究其屈曲强度， 同时考虑整体屈曲、 局部 屈曲和畸变屈曲的耦合效应， 基本克服了基于有效 截面假定的结构设计方法的不足， 为铝合金结构和 钢结 构 的 设 计 和 破 坏 机 理 研 究 开 拓 了 新 的 思
26 路
［12 ， 13 ］
建筑科学 ； Faella 等对铝合金构件进行了局部屈曲研
［4 ］
； 董震等采用 Schafer B W 教授提出的直接强度 研究薄壁铝合金轴压构件承载力计算问题 ， 并
［11 ］
［10 ］
； 沈祖炎等对国产
给出实用的建议设计公式
； 朱继华等以构件全截
［收稿日期］ 20140404 ［ 基金项目］ 北京市自然科学基金重点项目 （ 8131002 ） ； 江河博士后 创新研发基金（ 201302 ） ［作者简介］ 惠 存（ 1987）， 男， 博士后 ［联系方式］ huicun@ jangho． com
绕强轴惯性矩 / mm4 绕弱轴惯性矩 / mm4 弹性抵抗矩 / mm3 塑性抵抗矩 / mm 扭转常数 / mm4
3
1
开口铝合金立柱有利受力特点
图1 公、 母立柱截面尺寸
应用现有铝合金结构设计规范对开口截面铝合 金结构进行计算， 忽略了其在实际受力过程中的有 利因素， 存在一定的局限性。实际工程应用中， 铝合 金结构具有一定的有利因素： 1 ） 公立柱和母立柱在开口截面翼缘处存在相 互接触， 可以相互扶持。 2 ） 横梁可对开口截面立柱的侧向扭转提供一 定的约束作用。 3 ） 正风作用下， 玻璃通过结构胶可对立柱受压 翼缘起到有效支撑作用， 而且公母立柱之间设置的 挂钩将公母立柱拉接在一起， 可有效防止其开口变 ； ， 形 负风作用下 公母立柱相互靠拢， 协同变形， 共同 受力， 形成类似于闭口截面的形式。
第3 期
惠
存， 等： 幕墙开口立柱受弯稳定性能试验和计算方法研究
27
之 后 进 行 单 调 加 载， 依次施加 点工作 的 可 靠 性， 2. 73kN / m、 5. 46kN / m、 8. 19kN / m、 10. 92kN / m、 13. 65kN / m 对应的荷载， 并详细记录相应的位移和 应变数据。 为了研究超临界荷载之后的立柱变化情况， 特对
表2
等效线荷载 / （ kN / m） 2. 73 5. 46 8. 19 10. 92 13. 65 平面外变形 / mm 公立柱 4. 67 9. 36 14. 46 19. 76 25. 28 母立柱 4. 75 10. 13 15. 36 20. 76 26. 45 计算值 4. 8 9. 5 14. 4 19. 1 24. 0
第 31 卷第 3 期 2015 年 3 月 10028528 （ 2015 ） 03002506 ［ 文章编号］
建
筑
科
学
Vol. 31 ， No. 3 Mar． 2015 DOI： 10. 13614 / j． cnki． 111962 / tu． 2015. 03. 005
BUILDING SCIENCE
Experimental and Calculation Methods Study on Flexural Stability Performance of the Open Section Aluminum Alloy Columns in Curtain Wall
2 Hui Cun1， ， Wang Bin1 ， Wang Yuanqing2 ， Tao Wei1 （ 1 ． Jangho Group Company Limited， Beijing 101300 ， China；
；许
、 金声等
［7 ］
、 李文雄等
［8 ］
对开口薄壁杆件
弯扭稳定进行了数学分析； Kim 等将薄壁杆件弯扭 稳定性控制微分方程组转换成一阶常系数微分方程 组， 以其特征值和特征向量为基础构造位移场 ， 从而 建立用于弯扭稳定性分析的刚度矩阵并得到临界荷 载 法
［9 ］
一般铝合金结构， 并没有考虑到幕墙结构中所采用 的开口截面型材的特殊情况， 忽略了较多的有利因 素。国内外学者对铝合金结构或钢结构薄壁杆件进 行了大量的研究， 张其林等进行了铝合金梁弯扭稳 定系数的试验研究和数值分析
［6 ］ ［5 ］
0
引言
铝合金结构设计中应用较为广泛的规范主要有 《铝合金结构设计规范》 （ GB 50429 —2007 ） ［1］， 英国
［2 ］ 标准 《Structural use of aluminium 》 ， 美国标准 ［3 ］ ， 《Aluminum design manual》 但这些规范均是针对
在跨中布置两个竖向位移计， 分别测量公、 母立 柱在竖向荷载作用下的平面内挠度变形 ； 在跨中布 置两个水平位移计， 分别测量公、 母立柱在竖向荷载 作用下的平面外开口 （ 或闭口 ） 变形。 为监测加载 过程铝合金型材的应力变化， 在公、 母立柱跨中受拉 侧分别布置一个应变片。 用 手 动 葫 芦 模 拟 等 效 线 荷 载 2. 73kN / m、 5. 46kN / m、 8. 19kN / m、 10. 92kN / m、 13. 65kN / m。 首 先进行预加载 1. 365kN / m， 以观测加载系统和各测
负风作用下变形和应变实测值
表3
等效线荷载 / （ kN / m） － 2. 73 － 5. 46 － 8. 19 － 10. 92 － 13. 65 平面外变形 / mm 公立柱 5. 34 10. 45 15. 55 20. 34 25. 14 母立柱 5. 41 10. 9 16. 33 21. 45 26. 5 计算值 4. 8 9. 5 14. 4 19. 1 24. 0
幕墙开口立柱受弯稳定性能试验和计算方法研究
惠
1， 2 存 ， 王 1 2 斌， 王元清 ， 陶
伟ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1
（ 1． 江河创建集团股份有限公司 ， 北京 101300 ； 2． 清华大学土木工程系 ， 北
京 100084 ） ［ 摘 要］ 为改进现有幕墙铝合金开口截面立柱稳定性能的计算方法 ， 对单根铝合金立柱进行了试验研究 ， 并对中、 英、 美三国规范进行了分析和研究 ， 依据试验结果提出了改进后的计算方法 。 改进后计算方法所得稳定承载能力与原方法相比 有显著提高， 与试验结果较为接近 ， 可更真实地反映开口截面铝合金立柱的承载能力 ， 有效提高铝合金型材的截面利用率 。 改进后的计算方法对实际工程设计具有一定的指导意义和参考价值 。 ［ 关键词］ 幕墙； 承载能力； 铝合金立柱； 开口截面； 计算方法 ［ ［ 中图分类号］ TU395 文献标识码］ A
在跨中带一组挂钩的立柱进行试验， 等效风压依次为 2. 73kN / m、 5. 46kN / m、 8. 19kN / m、 10. 92kN / m、 13. 65kN / m。正风压作用下的变形和应变结果见表 2， 负风压作用下的变形和应变结果见表 3。
正风作用下变形和应变实测值
平面内变形 / mm 公立柱 1. 66 2. 87 3. 87 4. 84 5. 22 母立柱 － 0. 96 － 2. 06 － 3. 02 － 4. 01 － 5. 13 受拉应变 / με 公立柱 475 965 1470 2044 2266 母立柱 480 935 1381 1821 2832 受压应变 / με 公立柱 － 389 － 842 － 1319 － 1858 － 2010 母立柱 － 383 － 827 － 1266 － 1712 － 1895
公、 母立柱截面参数
公立柱 A m = 916 I m = 2756382 I' m = 275860 Z em = 35429 S em = 46906 J m = 2558 母立柱 A f = 792 I f = 2415114 I' f = 94781 Z ef = 29203 S ef = 39466 J f = 2293
图2
试验现场照片
2
试验研究
为了对开口截面铝合金立柱的受力特性有深层 次的了解， 针对开口截面型材进行了正风和负风作 用下的试验模拟研究， 并将试验结果和理论值进行 对比分析。 由于开口截面型材立柱“张口 ” 变形主 要发生 在 无 支 撑 的 跨 中 部 位， 所以选择跨度为 2730mm 的单根立柱进行研究。 铝合金立柱由公、 母立柱组成， 相互搭接， 长度 为 2730mm， 截面尺寸见图 1 ， 截面参数见表 1 ； 铝合
［14 ］
第 31 卷
究和分类
。
金立柱在风压作用下的受力可以简化为梯形荷载 ， 加载装置见图 2 。
表1
参数 面积 / mm
2
幕墙结构设计人员在开口截面型材的设计应用 中， 仅依据这些规范公式进行设计计算， 所得结果往 往导致开口型材的设计承载力较低， 使其应用存在较 大的局限性， 甚至出现无法使用的情况； 而在实际工 程中， 开口型材已经得到了大量的应用， 而且这些工 程在使用前也进行了大量的结构试验研究， 试验结果 也表明开口截面铝合金结构是安全可靠的。这就出 现了理论计算与实际设计应用相互矛盾的现象。 本文将从单元体幕墙开口截面型材自身特点 、 幕墙领域通常采用的设计方法和实际的开口型材试 验等方面出发， 在中国、 英国和美国有关铝合金结构 规范基础上， 考虑幕墙铝合金立柱的特殊性， 借助于 ， 数值仿真模拟方法和试验结果 在保证结构安全性 前提下对规范公式进行适当修正， 以提高开口型材 的强度利用率， 更好地发挥其材料性能。
2 ． Department of Civil Engineering，Tsinghua University，Beijing 100084 ，China）
Abstract ： To modify the calculation method about the flexural stability performance of the aluminum alloy columns with open section in the curtain wall，the experiments of one single aluminum alloy column are carried out and Chinese Code ，British Standard and American Code for design of aluminium structures are analyzed and studied． According to the experimental results，the modified calculation method is proposed． Compared with the original method，the loadbearing capacity is significantly improved by the modified method． The modified results can reflect the loadbearing capacity of the aluminum alloy columns more realistic and improve the coefficient of utilization of the cross section． The modified calculation method shows that it possesses instructional significance and reference value for the design of the practical engineering． Keywords： curtain wall； loadbearing capacity ； aluminum alloy columns； open section ； calculation method 并根据数值计算结 铝合金结构进行了一系列试验， 果拟合出了各类构件的计算公式， 最后以试验数据 为基础对铝合金结构构件进行了可靠度分析 钧陶等