单元体幕墙开口立柱稳定性能试验和计算方法研究

　　引言

　　单元体幕墙的开口型材因自身材料利用率较高，加工组装方便等优点逐渐在幕墙工程中得到大量的应用，国内外学者对其进行了大量的研究。石永久、王元清和施刚等不仅进行了铝合金受弯构件整体稳定性的试验研究，分析了铝合金薄腹板梁的抗剪强度，而且对铝合金网壳结构中的节点受力性能进行了试验研究和有限元分析;沈祖炎和郭小农等对铝合金结构构件的设计公式和可靠度进行了研究分析，并分析了对称截面受压杆件的稳定系数和轴压杆件的受力理论;朱继华等研究了受弯铝合金构件的直接强度法，并对圆形空心铝合金柱进行了数值分析和设计;Moen和Matteis等对梯度受弯作用下的铝合金梁的扭转性能进行了数值模拟，并对不同横截面分类的铝合金梁进行了参数研究。但专门针对单元体幕墙开口型材的稳定性计算方法以及试验研究相对欠缺。国标《铝合金结构设计规范》 ，英国标准《Structural use of aluminium》，美国标准《Aluminum design manual》等规范均是针对一般铝合金结构，给出了一般情况下铝合金结构的设计方法，并没有考虑到幕墙结构开口型材的特殊性。

　　工字形、槽形等主体结构用的开口截面相对于闭口截面，由于其截面的构造特点，能够很好的发挥截面特性以抵抗外荷载，在主体钢结构设计领域得到了大量的应用。作为围护结构的幕墙，理应可以采用开口截面型材。本文通过对单根开口截面铝合金立柱和单元体开口截面铝合金立柱进行试验研究，并采用中国、英国和美国有关铝合金结构计算的相关规范对其进行计算分析和比对，以期获得准确的计算方法，以使其在保证结构安全可靠的基础上可较好的提高开口型材的强度利用率，更好的发挥其结构性能。

　　1 幕墙开口型材自身的特点

　　幕墙用铝合金型材，从其性能、加工和安装等方面的考虑，具有独特的“槽形”截面形状。这样的开口截面型材在使用上具有以下缺点：(1)绕弱轴抗弯刚度弱;(2)截面整体抗扭刚度较低;(3)截面形心和截面剪切中心不重合：横向荷载不通过剪切中心，在横向荷载作用下存在弯曲（词条“弯曲”由行业大百科提供）和扭转变形，存在扭转失稳问题(见图1)。

　　幕墙单元体的公、母立柱在实际受力过程中也存在对其承载力有利的特点：(1)公、母立柱翼缘的相互扶持作用(见图2);(2)横梁对立柱的约束作用：单元体中的横梁可有效约束开口型材立柱，防止其侧向扭转，提高其整体稳定性;(3)由于正风压的方向是朝向剪心，负风压的方向是背离剪心，因此在正风压作用下的屈曲特征值较负风压要小;但有利的是在正风压作用下，由于玻璃是通过结构胶与铝型材（词条“铝型材”由行业大百科提供）固结在一起，可对受压翼缘提供有利的支撑作用;(4)公、母立柱之间还有挂钩，此挂钩在立柱受正风，发生扭转时会有效地阻止其开口。而在负风作用下，公、母立柱因为其之间有相互作用，可以很好地“贴合”在一起。

　　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，针对开口截面型材在不同支撑条件、不同荷载工况下进行试验研究，并将试验结果和理论值进行对比分析。限于试验室尺寸限制，以及研究开口截面型材立柱“开口”变形主要发生在无支撑的跨中部位，所以选择跨度为2730mm的单根立柱和2730mm×1365mm单元体板块进行了试验研究。

　　为了准确详实地反映开口型材的受力特点，设计了三种不同的试验装置进行开口截面型材的试验研究。

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