支承构件的计算与设计

谈建筑幕墙支承构件的计算与设计常熟市华丽坚装饰工程有限公司沈志春提要从上世纪九十年代到现在，建筑幕墙的应用比例有逐年不断上升的趋势，结构构件形式多样，鄙人就常见的一些计算与设计问题发表几点看法。关键词支承构件（SupportComponent）、计算（Calculate）、设计（Design）、结构(Structure)（一）支承构件的类别与结构分析随着大型公共建筑的兴起，建筑幕墙的应用越来越多，种类和形式也趋多样化。其中有：框支承幕墙、全玻璃幕墙、点支式幕墙及其共同组合的幕墙等。这些幕墙既要保证使用功能，又要体现装饰效果。而幕墙的支承结构，既要与主体结构可靠连接，又不承担主体结构因变形而可能对幕墙产生的附加作用，因此幕墙必须支承在有足够强度和足够刚度的支承结构上。过去，作为幕墙支承结构的构件，多为比较简单的梁、柱体系及稍微复杂的曲梁和圆弧拱结构，受力明确，分析计算简单。圆弧梁和折线梁在对称竖向荷载作用下，梁的两端固定支座，沿轴线各截面都相同。内力有弯矩、剪力和扭矩三项。最大正弯矩在跨度中点；最大负弯矩和最大剪力都在梁支座处；最大扭矩对圆弧梁发生在反弯点处；对折线梁沿杆长不变。由于对称结构又在对称荷载作用下，则最大剪力等于梁上荷载值的一半。（1）当水平梁所对应的圆心角2θ=180º,梁中内力与λ值无关。跨中最大正弯矩Mc=(4-π/π)qr^2支座最大负弯矩Mθ=-qr^2最大剪力Vmax=θqr反弯点处最大扭矩Tβ=0.12qr^2（2）当水平梁所对应的圆心角45º≤2θ≤180º。跨中最大正弯矩Mc=C1.qr^2支座最大负弯矩Mθ=C2.qr^2反弯点处最大扭矩Tβ=C3.qr^2圆弧拱分双铰、无铰圆弧拱，对于双铰拱还分为无拉杆与带拉杆两种，带拉杆的双铰拱多用于大跨度采光顶。设计计算时先算出ρ=0.1、0.2、0.3、0.4、0.5时的赘余力系数,再分别算出横推力、弯矩和剪力。横推力H=A.ql^2.K/f弯矩Mo=B.ql^2剪力Vo=c.ql^2但在建筑幕墙中，采用钢结构作为支承结构时，如跨度大或结构有特殊要求及采用简单的钢结构梁、柱体系难以满足要求时，一般多采用桁架、空间桁架、空腹桁架、网架、井字梁、刚架、格栅、拉杆、拉索系统、组合体系和杂交体系作为幕墙的支承结构。（1）梁式结构—由若干受弯工作的梁，排列组成的结构体系，又称梁格。梁格结构有以下几种型式：·简单梁格：单方向排列的梁格；·普通梁格：主、次梁交叉排列的梁格；·复杂梁格：主、次梁及小次梁相互交叉排列的梁格；梁是受有横向荷载而弯曲工作的构件，其内力主要是弯矩和剪力，当在弹性范围内工作时，截面材料强度利用不充分；完全塑性范围工作时，将形成塑性铰，致使结构约束度退化，甚者转变为机构。其截面设计原则上是：当承受动力荷载时，限制在弹性范围内工作；当仅承受静力荷载时，可考虑截面有部分塑性发展，即可在弹塑性范围内工作。（2）桁架结构：由若干杆件其端部互相铰接于一点并以三角形规则形成的结构体系。在节点荷载作用下杆件仅受有轴向力。不带斜杆,由若干杆件其端部互相刚接于一点的桁架称空腹桁架。·平面桁架结构：桁架结构所有的杆件轴心线在同一平面内。平面桁架结构本身仅能承受作用于其平面内的荷载；平面外荷载及其稳定性，常需由其它结构或必要的支撑承受和保证。·空间桁架结构：桁架结构的杆件轴心线不完全在同一平面内。该桁架结构本身就能承受作用于其平面内、外的荷载；不需要由其它结构或支撑承受和保证其稳定性。（3）网架结构是空间桁架结构的一种开拓与发展，具有空间桁架结构的构成规则和受力工作特征。（4）刚架结构：由若干杆件其端部互相刚接形成的结构体系（可不以三角形规则）。在荷载作用下杆件受有弯矩（包括扭矩）、剪力和轴向力。它比桁架结构体系有更大的空间灵活性。·平面刚架结构：刚架结构所有杆件的轴心线在同一平面内。平面刚架结构本身仅能承受作用于其平面内的荷载；平面外荷载及其稳定性，常需由其它结构或必要的支撑承受和保证。·空间刚架结构：刚架结构的杆件轴心线不完全在同一平面内。该桁架结构本身就能承受作用于其平面内、外的荷载；不需要由其它结构或支撑承受和保证其稳定性。（5）格栅：一种斜交叉非常规的平面刚架或其组合体系，其构件受力较复杂。以上几类体系，通常均由刚性杆件构成，设计合理时，应属于刚性结构体系。（6）拉索结构体系：由张拉索（或拉力杆）及其支承结构组成的结构体系，它是一种受力柔性工作的结构体系。这类结构体系受力时，其几何形状将随荷载作用的大小、位置和方向不同而改变；拉索需施加预张力且仅能承受拉力，即内力应是正定的。（7）张拉索杆结构体系：由张拉索（或张拉杆）、撑杆及必要的支撑结构组成的结构体系，具有柔性结构的一些特征。例如，张拉索（或张拉杆）应在设计、施工和使用全过程中使其具有张力，即其内力始终应是正定的；任一撑杆不许因失去承载力而退出工作。（8）混合、杂交体系：以上几种体系的混合或（和）杂交的体系。受力工作性能依混合、杂交情况而定。其总体上可以是刚性的，柔性的；或者部分刚性和部分柔性的。下面，仅对其中应用较多的桁架和空腹桁架的设计计算作些简单介绍。在幕墙结构中，常用的桁架形式有鱼腹式桁架和平行弦式桁架，除桁架外，类组合梁（空腹桁架）也多有应用，由于其外形类似桁架，所以也常被叫作桁架。但其设计计算方法和桁架设计计算方法是完全不同的，其受力状态亦不一样。普通桁架杆件的内力计算可采用解析法来求得，在曲线弦杆中，除轴力外，还有弯矩存在。弯矩M=N.f(f矢高)在实际工程中，我们常见到不少幕墙竖向桁架，基本都是近玻璃侧直弦杆直径大于远侧弧弦杆直径，从结构力学分析可以看出，这样处理是很不合理的。对平行弦式桁架而言，在风荷载作用下，内外弦的最大内力是相等的。对直弦鱼腹式桁架，则鱼腹侧弦杆的最大内力是大于另侧直弦杆的内力，还得加上有轴力产生的附加弯矩，从结构力学的观点来看，鱼腹侧弦杆的截面应比直弦侧大，实际上其直径反而小，其道理不外乎有二种，其一是增大壁厚；其二是选择力学性能不一样的材质。类组合梁（空腹桁架）是目前在幕墙支承结构中常被普遍采用的，形状类似组合梁的结构，实际上已是一种多层刚架结构，它可以承受正负双向荷载，但其杆件受力状态既不同于桁架又不同于组合梁，故受有轴力外，同时还有弯矩的作用，这种结构系多次超静定多层刚架结构。对于有侧移刚架，可以综合应用弯矩分配法和变形法进行设计计算。最大整体弯矩Mmax=(n^2-1)P.L/8n(n为奇数)Mmax=nP.L/8(n偶奇数)各段的固端弯矩Mik=Uk.hik刚架侧位移Δik=-Mik.hik^2/6EIik正应力σ=N/A±Mx/rxWx±My/ryWy(非圆截面)正应力σ=N/A±M/rWn(圆截面)剪应力τ=1.5V/A除支承构件强度计算外,还应考虑刚度计算,对铝合金支承构件规定最大挠度u≤L/180,对钢结构支承构件规定最大挠度u≤L/250,在幕墙工程设计中,一般不考虑绝对挠度,仅考虑相对挠度,相对挠度满足即可。(二)预估截面结构布置结束后，需对构件截面作初步估算。主要是梁柱和支撑等的断面形状与尺寸的假定。钢梁可选择槽钢、轧制或焊接H型钢截面等。根据荷载与支座情况，其截面高度通常在跨度的1/20~1/50之间选择。翼缘宽度根据梁间侧向支撑的间距按l/b限值确定时，可回避钢梁的整体稳定的复杂计算，这种方法很受欢迎。确定了截面高度和翼缘宽度后，其板件厚度可按规范中局部稳定的构造规定预估。柱截面按长细比预估.通常50λ150,简单选择值在100附近。根据轴心受压、双向受弯或单向受弯的不同,可选择钢管或H型钢截面等.钢圆管桁架结构一般使弦管径厚比D/T=20—30；支管壁厚tT,T-弦管壁厚；应根据节点类型校核节点承载力，当不满足要求时，调整弦，支管尺寸。除此之外，构件截面形式的选择没有固定的要求，结构工程师应该根据构件的受力情况，合理的选择安全经济美观的截面。(三)支承构件设计构件的设计首先是材料的选择.比较常用的是Q235(类似A3)和Q345(类似16Mn).通常主结构使用单一钢种以便于工程管理.经济考虑,也可以选择不同强度钢材的组合截面.当强度起控制作用时,可选择Q345;稳定控制时,宜使用Q235.构件设计中,现行规范使用的是弹塑性的方法来验算截面.这和结构内力计算的弹性方法并不匹配.当前的结构软件,都提供截面验算的后处理功能。由于程序技术的进步,一些软件可以将验算时不通过的构件，从给定的截面库里选择加大一级.并自动重新分析验算，直至通过，如sap2000等。这是常说的截面优化设计功能之一。它减少了结构师的很多工作量。但是，初学钢至少应注意两点：1.软件在做构件(主要是柱)的截面验算时,计算长度系数的取定有时会不符合规范的规定.目前所有的程序都不能完全解决这个问题。所以,尤其对于节点连接情况复杂或变截面的构件,结构师应该逐个检查.2.当上面第(二)条中预估的截面不满足时，加大截面应该分两种情况区别对待。(1)强度不满足,通常加大组成截面的板件厚度，其中,抗弯不满足加大翼缘厚度，抗剪不满足加大腹板厚度。(2)变形超限，通常不应加大板件厚度，而应考虑加大截面的高度，否则，会很不经济。使用软件的前述自动加大截面的优化设计功能，很难考虑上述强度与刚度的区分，实际上，常常并不合适。(四)支承构件节点设计连接节点的设计是钢结构设计中重要的内容之一.在结构分析前,就应该对节点的形式有充分思考与确定.常常出现的一种情况是,最终设计的节点与结构分析模型中使用的形式不完全一致,这必须避免.按传力特性不同,节点分刚接,铰接和半刚接.连接的不同对结构影响甚大.比如,有的刚接节点虽然承受弯矩没有问题,但会产生较大转动,不符合结构分析中的假定.会导致实际工程变形大于计算数据等的不利结果.连接节点有等强设计和实际受力设计两种常用的方法,初学者可偏安全选用前者.设计手册中通常有焊缝及螺栓连接的表格等供设计者查用,比较方便.也可以使用结构软件的后处理部分来自动完成.具体设计主要包括以下内容:1.焊接:对焊接焊缝的尺寸及形式等,规范有强制规定,应严格遵守.焊条的选用应和被连接金属材质适应.E43对应Q235,E50对应Q345.Q235与Q345连接时,应该选择低强度的E43,而不是E50.焊接设计中不得任意加大焊缝.焊缝的重心应尽量与被连接构件重心接近.其他详细内容可查规范关于焊缝构造方面的规定.2.栓接:铆接形式,在建筑工程中，现已很少采用.普通螺栓抗剪性能差,可在次要结构部位使用.高强螺栓,使用日益广泛.常用8.8s和10.9s两个强度等级.根据受力特点分承压型和摩擦型.两者计算方法不同.高强螺栓最小规格M12.常用M16~M30.超大规格的螺栓性能不稳定,设计中应慎重使用。自攻螺丝用于板材与薄壁型钢间的次要连接.国外在低层墙板式住宅中,也常用于主结构的连接.3.连接板:可简单取其厚度为梁腹板厚度加4mm.然后验算净截面抗剪等.4.梁腹板:应验算栓孔处腹板的净截面抗剪.承压型高强螺栓连接还需验算孔壁局部承压.5.节点设计必须考虑安装螺栓、现场焊接等的施工空间及构件吊装顺序等。构件运到现场无法安装是初学者长犯的错误。此外，还应尽可能使工人能方便的进行现场定位与临时固定。6.节点设计还应考虑制造厂的工艺水平.比如钢管连接节点的相贯线的切口需要数控机床等设备才能完成.下面就应用较多的桁架、空间桁架和空腹桁架列举工程实例作一一计算，并对计算结果及方法进行比较,从中可以得到启示:结构的计算原则,应根据结构类型、荷载性质和要求的不同，采用相应的计算方法，力求最好的经济和社会效益。（详见附录）朋友！幕墙工程正在迅速发展，同时它又是涉及多领域、多学科的综合性技术。上述几点看法，难免有不足之处，甚至有误，望同行提出指正，来共同提高我们的幕墙设计水平。参考文献：1、玻璃幕墙工程技术规范（JGJ102-2003）2、钢结构设计规范（GB50017-2003）3、点支式玻璃幕墙工程技术规程（CECS127：2001）4、建筑结构静力计算手册中国建筑工业出版社5、建筑幕墙工程手册中