半剛性理論在玻璃幕墻中的應(yīng)用

(山東科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院 山東 青島 266590)

半剛性理論在玻璃幕墻中的應(yīng)用

喬羽曲彩梅高鵬

(山東科技大學(xué)機(jī)電學(xué)院山東青島266590)

玻璃幕墻作為建筑結(jié)構(gòu)外側(cè)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，主要由玻璃和鋼龍骨組成，在保證美觀的同時(shí)還應(yīng)該考慮其安全性，除承受自重之外，它主要承受來自風(fēng)載和地震載荷的作用。螺栓角碼連接是幕墻龍骨框架主要的節(jié)點(diǎn)連接形式，對(duì)幕墻龍骨框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬仿真時(shí)，連接節(jié)點(diǎn)通常按剛性節(jié)點(diǎn)處理，忽略了螺栓角碼半剛性連接對(duì)幕墻龍骨框架結(jié)構(gòu)的影響。

玻璃幕墻；安全性；有限元

玻璃幕墻是隨著現(xiàn)代科技進(jìn)步發(fā)展起來的一種新型的建筑表現(xiàn)形式，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，玻璃幕墻已經(jīng)在高層建筑及大型公共建筑上得到了廣泛使用，雖然玻璃幕墻只是作為建筑外圍結(jié)構(gòu)或者裝飾性結(jié)構(gòu)，不起承重作用，在風(fēng)載荷作用下，其損壞一般不會(huì)對(duì)建筑物的主體結(jié)構(gòu)的安全造成威脅，但還是會(huì)引發(fā)一些安全事故，所以在對(duì)其進(jìn)行仿真分析時(shí)顯得尤為重要。但是通常在分析鋼龍骨時(shí)，都將鋼龍骨的連接節(jié)點(diǎn)考慮成剛度無窮大的剛性節(jié)點(diǎn)，雖然對(duì)連接性能的這種理想化假設(shè)簡化了鋼龍骨的分析，計(jì)算結(jié)果誤差也比較大，有時(shí)甚至?xí)玫藉e(cuò)誤的理論，在實(shí)際工程中，鋼龍骨的連接性往往介于兩者之間呈現(xiàn)半剛性連接，按照完全剛接分析則夸大了節(jié)點(diǎn)約束的作用，偏于不安全，按理想鉸接分析則忽略了節(jié)點(diǎn)約束的有利作用，因此，在分析鋼龍骨時(shí)應(yīng)充分考慮半剛性連接節(jié)點(diǎn)的影響。

一、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

建筑幕墻是隨著高層建筑的不斷發(fā)展而發(fā)展起來的，幕墻在國際上已經(jīng)有了上百年的發(fā)展歷史，在二次世界大戰(zhàn)后，世界上許多軍事技術(shù)和材料轉(zhuǎn)移到建筑業(yè)上來，開發(fā)和利用了許多建筑幕墻的新理論、新材料以及新工藝，從而使幕墻有了飛速地發(fā)展。國內(nèi)外學(xué)者們也對(duì)幕墻的原理、結(jié)構(gòu)、工藝等方面進(jìn)行了大量的研究。北美、日本和西歐的一些研究工作者對(duì)幕墻有一定的研究，他們通過應(yīng)用彈性的雙向板殼結(jié)構(gòu)理論去解決幕墻中的問題。他們所用的這種方法建立的一些模型所計(jì)算出來的結(jié)果，跟試驗(yàn)數(shù)據(jù)相當(dāng)?shù)奈呛稀ndrew Kwok Wai So，Siu Lai Chan提出了一種多功能殼單元法，描述了玻璃面板承受高風(fēng)荷載下的非線性分析，通過與以前的研究結(jié)果和試驗(yàn)比較證明了該方法具有一定的精確性。W.G.Bolte，R.A.La Boubel在美國進(jìn)行一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)研究來確定用于風(fēng)承載冷彎型鋼組合墻體的軌道連接的幕墻螺栓的橫向承載能力，以獲得對(duì)它們性能的認(rèn)識(shí)并制定相應(yīng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。Giuseppe Pellitteri針對(duì)幕墻面板的結(jié)構(gòu)，提出了一種結(jié)構(gòu)分析工具。Gianni Royer-Carfagni等在文中研究了一種有關(guān)無框玻璃裝配的新型固定點(diǎn)連接系統(tǒng)，它是利用了一種新一代聚合物來增強(qiáng)其力學(xué)性能。

二、半剛性研究的方向

半剛性連接的研究主要集中在兩個(gè)方面:一是半剛性連接非線性特性研究,主要是尋找方便、實(shí)用的半剛性連接模型;二是研究半剛性連接對(duì)整體受力性能的影響。歐美等國已經(jīng)明確規(guī)定節(jié)點(diǎn)有半剛性連接這種類型,并且寫入相應(yīng)的規(guī)范中,如歐洲EC3(1992)、美國鋼結(jié)構(gòu)學(xué)會(huì)(AISC)的容許應(yīng)力設(shè)計(jì)(ASD)規(guī)范(AISC,1989)和荷載抗力系數(shù)設(shè)計(jì)(LRFD)規(guī)范(AISC,1999)等。雖然歐美等國對(duì)半剛性框架的特性及設(shè)計(jì)的研究已持續(xù)多年,并在相關(guān)的規(guī)范中有具體的分類規(guī)定,但是在實(shí)際工程中還是很難見到按半剛性連接設(shè)計(jì)。這主要是因?yàn)檫B接的實(shí)際性能難以估計(jì),而且需考慮鋼框架的幾何非線性和連接非線性特性的可靠分析程。

三、半剛性連接對(duì)于幕墻結(jié)構(gòu)研究所產(chǎn)生的意義

半剛性連接幕墻鋼龍骨具有的良好抗震抗風(fēng)性能,能從根本上解決剛性連接節(jié)點(diǎn)延性不易保證、容易發(fā)生脆性斷裂的缺陷,重新詮釋了“強(qiáng)節(jié)點(diǎn)、弱桿件”的抗震抗風(fēng)設(shè)計(jì)思想,能夠適應(yīng)我國是多地震國家這一國情,具有潛在的巨大經(jīng)濟(jì)效益。雖然國內(nèi)外都在對(duì)半剛性連接的性能進(jìn)行研究,但至今所有的資料都只是給出了設(shè)計(jì)的指導(dǎo)原則,對(duì)于半剛性連接對(duì)實(shí)際框架性能的影響沒有做出十分明確的研究結(jié)果,沒有給出能被工程技術(shù)人員方便、簡潔地應(yīng)用到實(shí)際工程的方法。在規(guī)范中對(duì)半剛性連接做出詳細(xì)設(shè)計(jì)規(guī)定的國家寥寥無幾。尤其是我國,由于對(duì)半剛性連接的研究只是最近幾年才開始,因此還需要做大量的試驗(yàn)研究和理論分析。

四、結(jié)束語

首先如果節(jié)點(diǎn)分析按半剛性連接節(jié)點(diǎn)進(jìn)行分析有如下的應(yīng)用價(jià)值：1.考慮了節(jié)點(diǎn)區(qū)域的相對(duì)變形，可以緩和桿件內(nèi)的應(yīng)力集中。2.地震荷載作用時(shí)，節(jié)點(diǎn)部位能量耗散作用可以降低位移反應(yīng)。3.較之達(dá)到承載極限狀態(tài)，更多的是達(dá)到使用極限狀態(tài)。4.能夠按更接近于結(jié)構(gòu)的真實(shí)性質(zhì)的情況進(jìn)行。其次如果半剛性節(jié)點(diǎn)考慮成剛性節(jié)點(diǎn)將低估鋼龍骨的側(cè)移量而減弱的幾何非線性的影響，更是將半剛性節(jié)點(diǎn)簡化成柔性節(jié)點(diǎn)將使設(shè)計(jì)偏于保守，造成用鋼量的增加，產(chǎn)生不必要的經(jīng)濟(jì)損失，所以必須合理正確的預(yù)測鋼龍骨的實(shí)際受力性能，應(yīng)在鋼龍骨的分析中考慮半剛性連接的影響。

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喬羽(1989-)，男，漢族，碩士，山東科技大學(xué)，研究方向機(jī)械工程。