建筑幕墙转角立柱计算方法比较分析

喻庆先 孙文宇 杜高鹏

摘要：在幕墙的设计计算方法中，原有的对幕墙转角的简化计算方法过于保守，造成工程中材料浪费，甚至造成计算无法通过。采用简化计算方法、有限元计算方法和拓展分析方法，对某实际工程转角立柱的强度和挠度进行了计算，结果表明，简化计算方法过于保守，考虑横梁对转角立柱影响的有限元计算方法和拓展分析方法，计算结果明显减低，建议在实际工程设计中考虑该影响。

关键词：建筑幕墙 转角立柱 建模

近十年来，幕墙中的框式幕墙，无论是在研究还是工程设计应用上，在国内都取得了突飞猛进的进展，其设计施工技术也日趋完善[1-3]，但在幕墙的设计计算方法中，原有的一些计算方法过于保守，造成工程中材料浪费，甚至造成计算无法通过。其中，在幕墙的角柱设计中，如果单一按照转角立柱的受荷工况来简化计算，由于正常情况下立柱侧向惯性矩很小，使得受到侧向荷载时，挠度会很大，计算无法通过。实际上简化计算转角立柱的方法过于保守，忽略了中横梁以及相邻立柱对其影响。因此，以下将分析转角立柱在受到侧向风荷载时，考虑另一侧相邻的立柱通过横梁分担荷载对转角立柱设计计算的影响。

1、理论分析模型

转角立柱受荷分为同时受正风或负风、单侧受负风、单侧受正风和一侧受正风，另一侧受负风四种工况，分别如图1-图4所示。

图1 同时受正风或负风

图2 单侧受负风

图3 单侧受正风

图4 一侧受正风，另一侧受负风

在上述荷载工况中，图4所示的工况最为不利，因此，以下只针对图4所示工况进行分析。

2、计算方法

对于转角立柱的设计计算方法，主要包括以下几种：

（1）利用公式，简化计算。即首先计算出正、负风荷载标准值和组合设计值，由于转角立柱的布置通常与两侧幕墙有一定的角度，所以按照立柱自身的强轴和弱轴两个方向，将荷载进行分解，分别计算强轴和弱轴两个方向强度和挠度，最后可得出转角立柱总体强度和挠度。（单跨立柱按简支梁公式计算，双跨可利用Beamax小软件辅助计算）

（2）利用软件，建模分析。利用sap2000软件建模分析，考虑到转角立柱两侧的立柱以及中横梁对转角立柱都有一定的影响，需要在模型中将涉及的杆件全部建出，转角立柱截面参数按照x方向为弱轴，y方向为强轴输入，再按照局部轴旋转一定角度，使模型与图纸布置一致，在转角立柱和其相邻的立柱施加各自的线荷载，运行分析，得到结果。

（3） 拓展分析法。即考虑龙骨荷载分配，在第（2）种计算方法的基础上，将玻璃板块建出，此面不考虑其对结构的影响，只起到施加荷载的作用，此时面板将荷载按45°分配的原则分配到横梁和立柱上。

3 计算结果的比较与分析

3.1 计算模型

某工程转角柱布置如图5所示，其中转角立柱跨度H=3900mm，两侧分格B=1400mm和B`=1050mm，龙骨截面均为已知，负风风荷载标准值w1=3.009kPa，荷载组合设计值q1=4.278kPa；正风风荷载标准值w2=1.881kPa，荷载组合设计值q2=2.698kPa，计算转角立柱强度与挠度。

图5 转角立柱平面布置图

3.2 计算结果

（1）利用公式，简化计算。此种方法只采用简单的静力学公式，将转角立柱荷载按照强弱轴方向分解，所以在计算过程上不做赘述，得到计算结果如下：

可以看出，强度和挠度计算结果数值很大，想满足要求，只更改截面需要加到很大。

（2）建模分析计算。

建立模型如图6所示，该模型将计算的立柱建出多跨，使模型更加接近真实工况。建模过程包括输入各杆件的截面参数，定义荷载组合。其中在立柱上施加如下线荷载如图7所示。

图6 转角柱sap2000模型

图7 施加荷载（线荷载）

运行计算、得到如下结果：

①强度计算结果如图8-图9。

图8 强轴内力

图9 弱轴内力

根据转角立柱内力，计算得强度为：

②挠度计算结果如图10-图11。

图10 强轴挠度

图11 弱轴挠度

从以上结果可以看出，考虑相邻立柱的影响，大大降低了转角立柱的强度与挠度。

（3）拓展分析。在第（2）种计算方法的基础上，将玻璃板块建出，在软件中将其厚度设置为0，单元为壳单元，此面不考虑其对结构的影响，只起到施加荷载的作用，此时面板将荷载按45°分配的原则分配到横梁和立柱上，如图12。

圖12 建模（龙骨和面板）

计算得到如下结果：

①强度计算结果如图13-图14.

图13 强轴内力

图14 弱轴内力

根据转角立柱内力，计算得强度为：

②挠度计算结果如图15-图16.

图15 强轴挠度

图16 弱轴挠度

3.3 结果比较分析

对比上述各种计算方法，如图17-图18。

图17 不同计算方法计算的立柱强度对比

图18 不同计算方法计算的立柱挠度对比

从上述对比可以看出：

①用公式简化计算得到的结果很大，显然很难满足设计要求；

②建模计算考虑横梁与立柱的相互影响，结果较为接近实际，并且大大降低了转角立柱的强度与挠度；

③当采取第（2）、（3）种方法计算，结果仍旧无法满足要求，建议加大转角立柱截面。

4 结论

通过上述分析，可以得出如下结论：

（1）对于转角立柱的计算，采用公式简化计算得到的结果很大，难以满足设计要求；

（2）考虑横梁与立柱的相互影响，可大大降低了转角立柱的强度与挠度，在实际工程设计时，建议考虑该影响。

（3）如果考虑横梁对立柱的影响，需要验算与横梁相连的其它立柱的强度和挠度，并且横梁与立柱的连接节点要做到横梁可以传递轴力。

参考文献

[1] 桑叶靖. 隐框型铝合金玻璃幕墙施工技术研究[J]， 门窗，2013（12）：20-21.

[2] 曾卫. 隐框玻璃幕墙施工技术浅析[J]，企业科技与发展，2010（20）：117-118

[3] 李冰. 玻璃幕墙的施工关键技术探析[J]. 江西科学. 2011（06）：775-777.

[4] 《建筑结构荷载规范》GB50009-2012.

[5] 《铝合金结构设计规范》GB50429-2007.

[6] 《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ 102-2003.