關(guān)于沖孔鋁板幕墻計算的幾點討論
文章出處： 責(zé)任編輯： 發(fā)布時間：2018/3/14 11:54:14 分享：
一、在工程中的應(yīng)用
穿孔鋁板指用純鋁或鋁合金材料通過壓力加工制成(剪切或鋸切)的獲得橫斷面為矩形，厚度均勻的矩形材料。構(gòu)成要素有穿孔率、孔徑、板厚和板型，其中穿孔率是影響穿孔鋁板單元的核心因素，是影響其視覺整體感的表達(dá)、降低建筑能耗的設(shè)計關(guān)鍵。受加工成本、單元自重、單元平整性等因素的影響，作為外表皮使用的穿孔鋁板板厚常選用1.5mm~6.0mm板。玻璃-穿孔鋁板雙層幕墻應(yīng)用實例：
二、與玻璃完美結(jié)合—穿孔鋁板幕墻的風(fēng)壓取值探討
與玻璃完美結(jié)合穿孔鋁板幕墻，外表皮為穿孔鋁板面板，內(nèi)表皮為玻璃面板;外表皮直接承受風(fēng)荷載，但是由于孔洞的存在，風(fēng)可以通過孔洞作用到內(nèi)表皮，內(nèi)表皮也承受風(fēng)荷載。兩層表皮各自承受風(fēng)荷載的大小取值很復(fù)雜，實際工程中通過風(fēng)洞試驗的模擬能得到外表皮外壓、外表皮內(nèi)壓、內(nèi)表皮外壓的分布情況，從而得到比較準(zhǔn)確的外表皮和內(nèi)表皮風(fēng)荷載取值。當(dāng)缺少風(fēng)洞試驗報告的時候，筆者查閱了一些國內(nèi)外的風(fēng)荷載規(guī)范和雙層幕墻規(guī)范以及相關(guān)文獻(xiàn)，希望能從中得到能運用到實際工程設(shè)計中的思路和方法。
1、 中國地方規(guī)范《上海市建筑幕墻工程技術(shù)規(guī)范》DGJ 08-56-2012/J 12028-2012
上海市幕墻規(guī)范中第14.1.6條規(guī)定了外通風(fēng)雙層幕墻風(fēng)荷載的取值，外層幕墻承受全部風(fēng)荷載，內(nèi)層幕墻根據(jù)腔體體積與有效通風(fēng)面積的比值進(jìn)行相應(yīng)的折減。類比到玻璃-穿孔幕墻，假定樓層高度為3.6m，幕墻分格為1.5m，中間腔體的大小為1.0m穿孔率為40%，計算V/Aen=2.5m，屬于0~20m的范圍，內(nèi)層幕墻承風(fēng)的比例為100%，即全部承風(fēng)。外層穿孔鋁板的風(fēng)荷載和內(nèi)層玻璃幕墻的風(fēng)荷載大小一致，取常規(guī)幕墻的風(fēng)荷載值。
2、歐洲規(guī)范《Eurocode 1: Actions on structures-Part 1-4:General actions-Windactions》BS EN 1991-1-4:2005
歐洲規(guī)范中第7.2.10條對多于一層表皮的風(fēng)壓取值情況有比較詳細(xì)的規(guī)定。類比到玻璃-穿孔鋁板幕墻，外表皮開孔內(nèi)表皮密閉，外層總壓力系數(shù)取值：正壓力系數(shù)=2/3*(常規(guī)外壓力系數(shù));負(fù)壓力系數(shù)=1/3*(常規(guī)外壓力系數(shù)).內(nèi)層總壓力系數(shù)取值：常規(guī)外壓力系數(shù)-常規(guī)內(nèi)壓力系數(shù)=常規(guī)總壓力系數(shù)。類比到中國荷載規(guī)范風(fēng)荷載局部體型系數(shù)取值如下：
注：大面指迎風(fēng)面，轉(zhuǎn)角指與迎風(fēng)面相鄰面的轉(zhuǎn)角區(qū)域。
3、風(fēng)洞試驗相關(guān)文獻(xiàn)
風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ涂s尺比例一般為1:100，由于穿孔鋁板上的孔徑很小，風(fēng)洞試驗?zāi)Ｐ秃茈y模擬穿孔鋁板的真實情況，經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)，引用與之類似的風(fēng)洞試驗報告結(jié)論作為參考：
(1)《長沙梅溪湖國際文化藝術(shù)中心圍護(hù)結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載研究》——同濟(jì)大學(xué)土木工程防災(zāi)國家重點實驗室，試驗?zāi)Ｐ蜑榫植磕Ｐ�，縮尺比為1:15，雙層幕墻屋面板的外層為GRC板，內(nèi)層為密閉防水層，兩層表皮之間的距離約600mm，外層GRC板之間沿縱橫分布有20mm和50mm的縫。
試驗報告結(jié)論：基于風(fēng)洞試驗結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)對于雙層屋面板結(jié)構(gòu)，相同位置處的外層內(nèi)表面風(fēng)壓和內(nèi)層外表面風(fēng)壓基本以致，即空腔內(nèi)的風(fēng)壓基本一致。另一方面，當(dāng)外層幕墻的外表面的風(fēng)壓為正值時，相應(yīng)位置的空腔處的風(fēng)壓也基本為正值，只是壓力大小有所降低;同樣當(dāng)外層幕墻的外表面的風(fēng)壓為負(fù)值(吸力)時，相應(yīng)位置的空腔處的風(fēng)壓也基本為負(fù)值，壓力絕對值同樣有所降低。這些結(jié)果表明雙層屋面板結(jié)構(gòu)空腔部分的壓力基本與其外表面的風(fēng)力相關(guān)，只是絕對值有所降低。
圖2、試驗?zāi)Ｐ驼掌?/span>
(2)《矩形建筑雙層幕墻的風(fēng)荷載特征及陣風(fēng)系數(shù)》——浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，風(fēng)洞試驗項目為杭州黃龍綜合辦公樓，建筑平面為矩形，幕墻類型外通風(fēng)雙層幕墻，試驗?zāi)Ｐ涂s尺比為1:100，在外幕墻上相應(yīng)位置開孔來模擬通風(fēng)百葉窗。風(fēng)洞模擬的結(jié)果見下表：
試驗得出的結(jié)論：對于矩形(L形)廊道式通風(fēng)幕墻，內(nèi)幕墻風(fēng)載可按單幕墻的進(jìn)行取值，并偏于安全;外幕墻風(fēng)載，當(dāng)其處于矩形長邊時，可按單幕墻的適當(dāng)折減，當(dāng)位于矩形拐角及短邊時，則需要放大處理。
(3)《典型體型高層建筑雙層幕墻風(fēng)壓分布試驗》——浙江大學(xué)建筑工程學(xué)院，風(fēng)洞試驗項目為浙江省麗水電力生產(chǎn)調(diào)度中心，建筑平面為帶小凹槽的圓形，幕墻類型外通風(fēng)雙層幕墻，透空率為7.2%，試驗?zāi)Ｐ涂s尺比為1:150，在外幕墻上相應(yīng)位置開孔來模擬通風(fēng)百葉窗。風(fēng)洞模擬的結(jié)果見下圖：
試驗結(jié)論：對于弧形廊道式通風(fēng)幕墻，內(nèi)幕墻風(fēng)載可按單幕墻的進(jìn)行取值，并偏于安全;外幕墻風(fēng)載，當(dāng)其處于圓弧中段時，可按單幕墻的適當(dāng)折減，當(dāng)其位于圓弧端部時，需要進(jìn)行放大。
綜述：玻璃-穿孔鋁板雙層幕墻的內(nèi)外層風(fēng)荷載局部體型系數(shù)的取值與單層幕墻風(fēng)荷載局部體型系數(shù)的取值有較大差異，影響因素主要有雙層幕墻在建筑面上的分布情況、鋁板開孔情況、內(nèi)外層空腔間的距離及空氣流通情況等。當(dāng)在實際工程幕墻設(shè)計中缺乏風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)時，幕墻風(fēng)荷載局部體型系數(shù)可以參考以下取值(主要參考的歐標(biāo)和風(fēng)洞結(jié)論)：外層穿孔鋁板風(fēng)荷載局部體型系數(shù)在大面區(qū)域取0.67，在轉(zhuǎn)角區(qū)域取1.8~1.9;內(nèi)層玻璃幕墻風(fēng)荷載局部體型系數(shù)按單層幕墻的取值。內(nèi)外層幕墻面板直接承受風(fēng)荷載，局部體型系數(shù)不折減，非直接承風(fēng)的支撐龍骨按從屬面積對局部體型系數(shù)進(jìn)行折減，最后計算的風(fēng)荷載值均不小于1kPa。
三、穿孔面板的計算分析
1、鋁板幕墻的鋁板設(shè)計一般情況下均在鋁板背面設(shè)置加強(qiáng)筋把鋁板分為一個個小的區(qū)格，邊肋和中肋對小區(qū)格板的四邊形成約束，按四邊支承板的模型對鋁板區(qū)格進(jìn)行計算。以板塊為2400mmx1200mm，3mm厚的鋁單板為例，風(fēng)壓標(biāo)準(zhǔn)值按1.5kPa，加強(qiáng)筋沿短邊布置，按《金屬與石材幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ 133-2001的金屬板計算公式計算，加強(qiáng)筋的間距按800mm布置，滿足強(qiáng)度和撓度的要求。
2、穿孔鋁板在板上開了很多孔洞，削弱了面板的剛度，但是同時面板的承風(fēng)面積也減小了，這兩方面對穿孔板的承載能力都有影響。根據(jù)實際工程情況把穿孔鋁板分為兩種類型：第一種為開孔規(guī)則、有空間布置加強(qiáng)筋而且不影響外觀效果的板;第二種為開孔不規(guī)則或者不允許布置加強(qiáng)筋的板，這里分析的板均為板塊較大的板，尺寸小的板和窄條形的板均不做分析(可按常規(guī)鋁單板設(shè)計)。
①布置加強(qiáng)筋的穿孔板
計算思路和方法依據(jù)鋁單板的計算，選取區(qū)格單元和相應(yīng)的邊支承模型。采用有限元對不開孔鋁板和兩種開孔率的開孔鋁板進(jìn)行對比分析。
ANSYS模型(1200x800mm，3mm厚，面單元Shell163)：
計算結(jié)果匯總：
從結(jié)果比值可以看出，穿孔鋁板比不開孔鋁板的最大撓度有所增大，并且開孔率越大，撓度也會稍有增長，考慮到實際工程中穿孔率一般不會太大(受限于孔的排列方式)，用常規(guī)鋁板的計算方法將計算結(jié)果的利用率控制在85%以下，可以滿足實際工程設(shè)計的需求。
② 不布置加強(qiáng)筋的穿孔板
由于板塊較大且不布置加強(qiáng)筋，如果按常規(guī)鋁板的設(shè)計思路來設(shè)計和計算，可以通過把穿孔板的厚度加大的方式來提高穿孔板自身剛度以抵抗外荷載，但實際工程中加大厚度的方式會使成本過高，不適用于一般工程的需要。規(guī)范中對金屬板四周折邊處的約束情況均按簡支承邊來考慮，依據(jù)經(jīng)典彈性力學(xué)板殼理論給出計算公式，這有一定的局限性，如果把板四周折邊處的約束做強(qiáng)，不僅約束住板平面外的平動，同時也約束住平面內(nèi)的平動，即對X/Y/Z三個方向的位移都約束，這樣面板承受外荷載產(chǎn)生變形時，周邊約束會對面板有拉扯的作用，從而阻止變形的進(jìn)一步增大。
ANSYS模型(1200x2400mm，3mm厚，面單元)：
面板應(yīng)力和變形云圖：
從應(yīng)力和變形云圖的分析結(jié)果可知，在穿孔板中部孔周邊的應(yīng)力最大，而且應(yīng)力的分布主要集中在平行短邊方向的豎向孔與孔間板帶區(qū)域，兩種穿孔板的最大應(yīng)力為27MPa，滿足3003-H24鋁合金板的抗彎強(qiáng)度設(shè)計值100MPa。最大撓度發(fā)生在面板中部，穿孔板的最大撓度為9.4mm，滿足變形的限值要求。
最大變形計算結(jié)果匯總?cè)缦拢?/span>
查看邊約束反力，在面內(nèi)方向長邊反力為34kN，折算為線荷載為14.2kN/m，如果連接螺栓按@200來布置，單個螺栓承受約3kN的剪力標(biāo)準(zhǔn)值，選用M6的螺栓或機(jī)絲可以滿足要求。側(cè)向的作用力也會對長邊方向支撐龍骨產(chǎn)生不利作用，在龍骨左右分格一致的時候，側(cè)向作用力的不利作用會相互抵消;在邊部只有單邊分格的龍骨受力需要既能抵抗垂直面板方向荷載作用，也能抵抗平行面板的側(cè)向荷載作用。
邊X/Y/Z的約束，可以通過具體的節(jié)點做法(供參考)來實現(xiàn)：
注：方案二節(jié)點引自墨西哥BBVA銀行工程的框架開放式雙層幕墻外層穿孔鋁板節(jié)點。此工程建筑高度234.85m，外層面板用3mm厚菱形穿孔鋁板，邊長為1.7m，對角線尺寸為2686m*2100m。
四、本文的局限和不足
在玻璃-穿孔鋁板雙層幕墻風(fēng)荷載取值部分，本文羅列了各國規(guī)范及近些年的相關(guān)文獻(xiàn)和著作，通過歸納、總結(jié)和類比的方式，給出了實際工程中玻璃-穿孔鋁板幕墻內(nèi)外層風(fēng)荷載局部體型系數(shù)的建議取值，但是缺乏真正的理論推導(dǎo)和實際的試驗數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的驗證方法。
在針對穿孔鋁板計算分析部分，本文通過對比規(guī)范公式的計算方法和思路，結(jié)合有限元分析的計算結(jié)果，給出了有無加強(qiáng)筋兩種形式穿孔鋁板的計算思路和解決方法。本文所作的一些結(jié)論只代表筆者的一家之言，如果有更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)睦碚撏茖?dǎo)依據(jù)和思路，以及相應(yīng)的試驗數(shù)據(jù)，歡迎大家批評、指正。
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