單元式幕墻組裝節(jié)點抗彎承載力研究

郭忠慶

（上海江河幕墻系統(tǒng)工程有限公司，上海 201601）

0 引言

在幕墻行業(yè)中，關于單元式幕墻組裝節(jié)點，一般認為是鉸接形式，不具有抗彎承載力，故該類節(jié)點抗彎承載力研究還是空白階段。其屈服線理論一般也是應用在混凝土板承載力驗算、鋼結(jié)構矩形管構件之間的連接節(jié)點承載力等方面，本文創(chuàng)造性將該理論應用到單元式幕墻的鋁構件之間連接節(jié)點抗彎承載力理論建立。

1 幕墻工程設計需求

當前在國內(nèi)高層民用建筑外墻的立面上，通常采用建筑幕墻來裝飾外立面，為了體現(xiàn)建筑立面裝飾效果，建筑師一般在建筑立面上設計豎向裝飾條增加立面層次感，一般情況，這個豎向裝飾條凸出幕墻面為200～500mm 之間，個別的達到1 500mm。對于高層建筑的外立面建筑幕墻，通常采用單元式構造形式，可以大大加快現(xiàn)場施工速度，同時能夠有效保證幕墻組裝工藝質(zhì)量[1]。另外為了減少現(xiàn)場安裝工序，需將豎向裝飾條組裝在單元體公母立柱上。這樣在進行單元式幕墻結(jié)構分析時，需要考慮裝飾條對單元體的影響，比如公立柱會受到裝飾條支臂傳遞的扭矩和側(cè)向荷載。單元式幕墻為適應主體結(jié)構層間位移變形和施工安裝的方便，需要將單元板塊的掛鉤跟主體結(jié)構連接設計成鉸接形式，公母立柱的扭轉(zhuǎn)是無法通過掛鉤傳遞給支座，公母立柱的扭轉(zhuǎn)必然由連接到公母立柱的橫梁來約束[2]。筆者通過多年審閱多家幕墻公司的幕墻結(jié)構計算書，對于帶裝飾條單元式幕墻，其橫梁與公母立柱連接，對于這個扭矩傳遞校核，一般僅校核組裝螺釘?shù)睦粜：?，不涉及公母立柱?cè)壁受螺釘拉力作用時發(fā)生局部彎曲破壞校核。這個沒有校核原因，一是主要是規(guī)范沒有給定的相關的承載力驗算方法，二是進行有限元分析節(jié)點抗彎承載力驗算時，由于立柱開孔導致有限元分析時都會局部應力集中現(xiàn)象發(fā)生，沒有辦法判斷這個節(jié)點抗彎承載力。因此對于帶有豎向裝飾條的單元式幕墻，迫切需要明確公母立柱與橫梁連接節(jié)點的抗彎承載力設計方法。

2 節(jié)點抗彎承載力研究

屈服線理論是分析板狀的構件極限承載力一種簡單手工計算方法，無須通過有關軟件協(xié)助。其屈服線理論分析方法，就是假定板有足夠的延性保證板截面能夠發(fā)生塑性轉(zhuǎn)動，然后找到滿足邊界條件及能夠形成機構的屈服破壞模式，再通過虛功原理計算外荷載的外功We 及板內(nèi)塑性鉸部位內(nèi)功Wi，根據(jù)能量守恒方程式：內(nèi)功和外功相等，最終確定板狀結(jié)構承載力[3]。下面通過屈服線方法推導出常用的公母立柱與橫梁連接節(jié)點抗彎承載力計算公式。如圖1 所示。

圖1 常見的公母立柱與橫梁連接

2.1 理論公式推導

單元體幕墻最常見的公母立柱形式為雙腔立柱，通過四個自攻螺釘與橫梁連接，如圖1 中A 所示。根據(jù)屈服線原理進行抗彎承載力推導如下。

經(jīng)分析該公母立柱側(cè)壁屈服線形式如圖1 中C 所示。假設屈服線1-9 和屈服線2-10 距螺釘?shù)木嚯x為，其他幾何尺寸如圖1 中C 所示。根據(jù)幾何關系求出各條屈服線相對轉(zhuǎn)角及長度如表1 所示。

2.2 實際節(jié)點試驗驗證

通過試驗和有限元兩種方式來驗證該種橫梁與立柱連接抗彎承載力式6可行性?以南京某工程的公立柱與中橫梁連接來驗證公式可行性，該工程的公立柱截面寬度為 44mm，立柱截面進深方向尺寸為 140mm，立柱側(cè)壁壁厚為 2.5mm，其中兩個腔的前后距離分別 71.2mm，63.8mm，立柱的材質(zhì)為牌號為 6063T6鋁合金擠壓型材，其抗彎強度設計值為 150MPa。橫梁截面尺寸為寬度100mm，進深方向尺寸為140mm，壁厚為2.5mm，橫梁的材質(zhì)為牌號為 6063T6 鋁合金擠壓型材，帶有四個組裝釘槽。其中幾何尺寸如下:e1=22mm，e2=41.8mm,e3=43.2mm，e4=28mm，d=89mm,h=e2+e3+e4=41.8mm+43.2mm+28mm=113mm，β4=e4/h=28/113=0.248。根據(jù)公式6 得抗彎承載力設計值理論計算值:

首先進行試驗驗證:采用兩根300mm 長橫梁與 500mm長公立柱拼接成一個十字連接節(jié)點，共計三個試件。其中立柱一側(cè)橫梁與立柱的連接采用常用的標準單元體組裝自攻釘連接,其規(guī)格型號為六角盤頭自攻釘ST6.3 x38。立柱另外一側(cè)橫梁與立柱采用前后翼緣蓋板連接，每一邊采用八個自攻釘連接。試驗采用四點受彎法，保證橫梁立柱連接位置只有彎矩沒有剪力。試驗流程:(1)將橫梁端部彎矩加載到1.0kNm，測量橫梁一側(cè)與立柱張口尺寸;(2)然后卸載歸零，檢查橫梁與立柱閉口情況;(3)重新加載到1.0kNm，1.5kNm，2.0kNm并測量橫梁與立柱張口尺寸;(4)繼續(xù)加載到破壞為止記錄最終破壞彎矩。其試驗結(jié)果如表 2所示。

表2 試件試驗數(shù)據(jù)

組試件試驗過程均出現(xiàn)立柱側(cè)壁局部彎曲變形，最終破壞均以立柱側(cè)邊撕裂模式，其ST6.3直徑自攻釘均未出現(xiàn)釘子斷裂現(xiàn)象。同時試驗過程中:橫梁端部加載1.0kNm(理論抗彎設計值)彎矩作用下，三個試件的連接節(jié)點均處于彈性范圍內(nèi)(試驗時先加載1kNm 彎矩，然后再卸載，橫梁與立柱連接節(jié)點能夠自行彈性恢復，橫梁立柱之間沒有肉眼可見的縫隙產(chǎn)生)，并且最終破壞彎矩可以達到 2.27kNm，其材料分項系數(shù)取2.0，則通過試驗得出的節(jié)點承載力設計值為2.27/2=1.135kNm。

2.3 有限元方法驗證

其次通過有限元方法驗證:根據(jù)實際節(jié)點建立1:1實體有限元模型模擬節(jié)點抗彎承載力，其鋁型材材料本構模型采用二折線強化模型，其二折線的初始彈性模量取70GPa，其二折線中硬化剛度取 339Pa，其開始屈服點為f0.2=170MPa，極限強度為 205MPa。通過模擬得出節(jié)點極限抗彎承載力約為2.6kN.m(根據(jù)轉(zhuǎn)動剛度曲線中取初始節(jié)點轉(zhuǎn)動剛度的 10%位置)，取2倍安全系數(shù)，則節(jié)點抗彎承載力設計值為 2.6/2=1.3kNm。

通過與試驗及有限元模擬比較得出，數(shù)據(jù)詳見表3。節(jié)點抗彎承載力公式（式6）具有可行性，同時偏于安全保守，其屈服線理論應用于幕墻單元體公母立柱與橫梁連接節(jié)點的抗彎承載力推導是具有可行性。根據(jù)屈服線理論推導出其他幾個單元式幕墻節(jié)點形式抗彎承載力設計值，并且列入表4。

表3 承載力比較表

表4 單元式幕墻橫梁與立柱連接節(jié)點抗彎承載力

3 結(jié)論

本文通過理論分析、有限元分析及試驗驗證，本文提出的單元式幕墻的組裝連接節(jié)點抗彎承載力理論計算方法是精確的、可行的。有了節(jié)點抗彎承載力理論計算方法可方便快捷地應用到單元式幕墻組裝節(jié)點設計中。