建筑幕墻立柱優(yōu)化設(shè)計(jì)講義

建筑幕墻立柱優(yōu)化設(shè)計(jì)討論建筑幕墻立柱優(yōu)化設(shè)計(jì)。建筑幕墻市場(chǎng)竟?fàn)幦遮吋ち?，怎樣來降低成本提高企業(yè)竟?fàn)幜?，是每個(gè)企業(yè)家和設(shè)計(jì)人員要思考和面對(duì)的重點(diǎn)，立柱用料是幕墻成本一個(gè)很重要因素，如果每平方米鋁型材減少1公斤，則可降低成本約25元，降低4公斤，則可以降低成本約100元，一個(gè)年產(chǎn)400萬平方的幕墻企業(yè)，每平方米如果能降低成本100元，一年僅此一項(xiàng)即可增加收入4億元，這完全可以通過幕墻立柱優(yōu)化設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)部分目標(biāo)，以下討論怎樣在保證安全可靠，又符合規(guī)范的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。1．《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》JGJ102-2003第6.3.6條指出：“應(yīng)根據(jù)立柱的實(shí)際支承條件，分別按單跨梁，雙跨梁或多跨鉸接梁計(jì)算由風(fēng)荷載或地震作用產(chǎn)生的彎矩，并按其支承條件計(jì)算軸向力”?！恫Ａ粔こ碳夹g(shù)規(guī)范》JGJ102-2003條文說明第6.3.4~6.3.6條指出：“--------因此大多數(shù)實(shí)際工程，應(yīng)按鉸接多跨梁來進(jìn)行立柱的計(jì)算。----作為選用鋁材的設(shè)計(jì)依據(jù)，比較準(zhǔn)確?！倍嗫玢q接梁計(jì)算簡(jiǎn)圖很早就在橋梁、房屋建筑工程中得到廣泛應(yīng)用，已充分證明其可靠性，而建筑幕墻的實(shí)際支承條件與單支點(diǎn)鉸接多跨梁（多跨靜定梁）最為吻合，單支點(diǎn)鉸接多跨梁（多跨靜定梁）每層只有一個(gè)固定點(diǎn)，其連接構(gòu)造為最少，經(jīng)濟(jì)效益最為明顯，工作效率最高。建筑幕墻設(shè)計(jì)從一開始就有很多設(shè)計(jì)單位用單支點(diǎn)鉸接多跨梁（多跨靜定梁）進(jìn)行立柱設(shè)計(jì)，幾十年的應(yīng)用也充分證明其可靠性。但是在設(shè)計(jì)中有部分單位（包括使用有限元法）計(jì)算時(shí)不進(jìn)行優(yōu)化，這樣往往是起始梁（第一跨）的效應(yīng)（最大效應(yīng)）起控制作用，用起始梁（第一跨）的效應(yīng)進(jìn)行桿件設(shè)計(jì)，節(jié)約效果不明顯，也有一些單位編制了數(shù)表和計(jì)算程序進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算，也未按最優(yōu)化方案進(jìn)行編制，達(dá)不到最佳效果。所謂優(yōu)化就是采用不同的簡(jiǎn)支段與懸挑段的比值，使控制點(diǎn)的效應(yīng)接近并達(dá)到最優(yōu)目標(biāo)（1/15.2qL2）。下面舉例說明：W+0.5qE=4100N/m2分格寬×高1.48m×1.8mL=3600mmq線=1.48m×4100=6068N/m=6.068N/mmqG=400×1.8×1.48=1066N200系列6063T5鋁合金立柱I=6015156mm4W=60151mm3A=1225mm2按簡(jiǎn)支梁計(jì)算跨中彎矩M=qL2/8=6.068×36002/8=9830160N·mm采用SG+SW+0.5SE組合截面設(shè)計(jì)最大正應(yīng)力值σ=N/A0+M/(1.05W)=1066/1225+9830160/(1.05×60151)=156.51N/mm2＞85.5N/mm2按300+3300=3600單支點(diǎn)鉸接多跨梁(多跨靜定梁)計(jì)算第一跨跨中彎矩M1=qL12/8×[1-(a1/L1)2]2=6.068×33002/8×[1-(300/3300)2]2=8124099N·mm第一跨B支座反力R1B=qL1/2×[1-(a1/L1)2]=6.068×3300/2×[1-(300/3300)2]=9929N第二跨C端集中力P2=R1B=9929N第二跨A支座支座彎矩M2A=-(P2a2+qa22/2)=-(9929×300+6.068×3002/2)=-3251760N·mm第i跨C端集中力Pi=P2×(1-ai/Li)=9929×(1-300/3300)=9929×0.909=9025N第i跨跨中彎矩Mi=qLi2/8×[1-(ai/Li)2]2-Piai[1-(1+ai/Li)2/2+ai/Li]]諸辰帶儀陵=6.06日8×3300孝2寇/8×[1-錄(300/3傘300)偽2廁]物2惹-9025×輕300×[1馳-(1+30機(jī)0/3300卻)堡2質(zhì)/2+300航/3300]善晶三明各=812攪4099-1嘩342562傭=67815篇37N·mm悠繭鵝采用仙S摟G侮+S豈W溉+0.5S狼E詞組合善兔截面設(shè)計(jì)最大表正應(yīng)力值形冠σ挨=N/A漸0恒+M/(1.抗05W)碰將捆惹永=1屯066/12昌25+812混4099/架(1.05定×60151縫)=129.背5N/mm神2舌＞莫85.5N/呢mm還2豆由以上計(jì)算可介以看出如果第癥一跨與其他各明跨采用同樣懸抓挑段和簡(jiǎn)支段榮之比時(shí)，起控鴿制作用的是第返一跨跨中彎矩夾。調(diào)整懸挑段之和簡(jiǎn)支段之比惡：第一跨懸挑困段和簡(jiǎn)支段之濫比一般可取為削a愉1屯/L竭1棗≈炮0.27遷，其他跨懸跳詞段與簡(jiǎn)支段比落值一般可取為衡a必i雅/L餡i談≈繡0.16書，使控制截面朵彎矩逼近最佳維值（民1/15詢.2榮qL妻2折）。采用第一由跨縣780+28乖20=360另0尖（員0.78/2貫.82=0.維276炸6棉），其他跨相520+30條80=360袋0念（器0.52/3共.08=0.子168蠢9冶）的單支點(diǎn)多桂跨鉸接梁你(停多跨靜定梁晌)樣。惱”貢第一跨跨中彎題矩遇瓦M(jìn)梁1潔=qL朵1姨2路/8×[1-彼(a烏1駁/L廳1勇)繁2醉]浸2惠=6.068詳×2820攀2臉/8×[1-峰(780/2仁820)拆2賭]販2辟=5荷144258普N·mm乏第一跨講B慈支座反力商環(huán)R哈1B勞=qL任1釘/2×[1-危(a碎1跌/L唯1協(xié))衡2徐]=6.0挽68×282戰(zhàn)0/2×[1客-(780/遮2820)是2駐]=7901急N類第二跨喜C倒端集中力佩沿P飯2呼=R袖1B核=7901N響第二跨眉A跡支座支座彎矩和M酷2A斧=-(P勺2真a棗2齊+qa風(fēng)2瘦2澤/2)=-炭(7901×奶520+6.塌068×52蔬0絡(luò)2址/2)=-4周928914嘆N·mm道第委i的跨技C營(yíng)端集中力鎮(zhèn)界P圈i關(guān)=P巖2忠×(1-a吵i會(huì)/L訪i并)=8048余×(1-5舅20/308肢0)=790拆1×0.83押1=6566抓N痰第涉i產(chǎn)跨跨中彎矩貞伍把M刷i洗=qL齡i休2焦/8×[1-萄(a掠i呆/L完i膀)索2刊]色2醬-P古i輸a爪i孝[1-(1+包a上i怎/L新i非)央2里/2+a霧i至/L德i垃]]葉舉赴暫因=6.06跡8×3080巧2泊/8×[1-褲(520/3邁080)劣2何]吳2絹-6566×尿520×[1滑-(1+52閉0/3080競(jìng))度2充/2+520昌/3080]靠登返省集=6971址084-16另58499=勻513258薦5N·mm庫用沫采用錄S悔G崇+S梨W邀+0.5S飾E手組合明場(chǎng)截面設(shè)計(jì)最大犬正應(yīng)力值女娘σ終=N/A擋0撈+M/(1.鞭05W)尾店沸尊也=1懂066/12盈25+/51殃44258/毫(1.05業(yè)×60151策)=82.3遼2N/mm粘2虎<85.5N勺/mm躍2扔（調(diào)整前是調(diào)迫整后的衛(wèi)812409慌9/5急144258既=1.5妻7肺9臉倍，按簡(jiǎn)支梁蓄計(jì)算是整后的昆983016梢0/5碎144258情=1.91寧倍）傷相當(dāng)于簡(jiǎn)支梁舊計(jì)算玻簡(jiǎn)圖礙計(jì)算的彎矩系論數(shù)辨514座4258/(偽6.068×這3600即2鉆)=1/15愧.29結(jié)(1/8)/加(1/15萄.29)=1江.91載在乏用雙跨梁計(jì)算乒簡(jiǎn)圖跑銳M簽b雄=q昌（肥L鄰1蕉3楚+誰L的2丑3堂）背（鍋/營(yíng)8L怠=6.068摸×0.3敏3幸+植3.3鉤3仗）笛/旱（尿8×耕3.飽6毅）悶×登10士6細(xì)=75774華15肚N·mm畢賄M正b隆=q蘿（冶L曾1茶3慧+爭(zhēng)L圾2也3隸）衣/航8L侄=6.068要×賭（綠0垮.矩52妙3挑+寇3.08潤(rùn)3質(zhì)）蘭/身（廟8×賴3.袋6嫁）涼×姻10銅6民=61857作19云N·mm勾樓M朋b鋼=q向（割L培1滿3掘+艇L駐2撕3裳）穿/椒8L徐=6.068在×澆（骨0催.艷78壤3反+掙2.82即3勻）縮/跡（啟8×峽3.班6加）案×愉10驚6溪=48249勾70才N·mm盒A滴.筆單支點(diǎn)鉸接多怨跨梁（多跨靜崇定梁）計(jì)算簡(jiǎn)射圖杜起始梁（第一賄跨）辰第二跨到肺第網(wǎng)n廉跨動(dòng)單支點(diǎn)鉸接多次跨梁（多跨靜訪定梁）計(jì)算公梢式舅2寧．《玻璃幕墻濕工程技術(shù)規(guī)范劑》景JGJ102漁-2003描第偶6.3.1釀條指出進(jìn)：糾“駕立柱截面主要鑒受力部位的厚缺度應(yīng)符合下溪列要求：鋁型迅材截面開口部歌位的厚度不應(yīng)蹄小于壯3mm翠，閉口部位的縮厚度不應(yīng)小于妄2.5mm丑------筐。眼JGJ102屬-2003淡條文說明第鎮(zhèn)6.2.1值條指出勇:偷“劍受彎薄壁金屬瞇梁的截面存在鷹局部穩(wěn)定問題株，為防止產(chǎn)生公壓應(yīng)力區(qū)的局輝部屈曲，通常不可用下列方法紛之一加以控制冰：握1)坡規(guī)定最小壁厚至t鑒min濕和規(guī)定最大寬鐮厚比；披2)事對(duì)抗壓強(qiáng)度設(shè)山計(jì)值或允許應(yīng)芒力予以降低。難JG菊J(rèn)102-2團(tuán)003寸規(guī)范對(duì)幕墻橫吼梁與立柱設(shè)計(jì)慣，采用前一種訂控制方法。腿滿（察1炸）最小壁厚草馬我國(guó)現(xiàn)行國(guó)家關(guān)標(biāo)準(zhǔn)《冷彎薄炎壁型鋼結(jié)構(gòu)技損術(shù)規(guī)范》為GB500兇18此規(guī)定薄壁型鋼關(guān)受力構(gòu)件壁厚勵(lì)不宜小于鳥2mm幫。我國(guó)現(xiàn)行國(guó)務(wù)家標(biāo)準(zhǔn)《鋁合迅金建筑型材》其GB肢／坡T5237菠規(guī)定用于幕墻鋪的鋁型材最小價(jià)壁厚為皺3mm魄。獸通常橫梁跨度拼較小，相應(yīng)的漿應(yīng)力也較小，松因此本條規(guī)定唱小跨度婦(擊跨度不大于筒1.2m撞)鎖的鋁型材橫粱艱截面最小厚度嫩為感2.0mm捐，其余情況下追截面受力部分茫厚度不小于時(shí)2.5mm總。停踏為了保證直接臭受力螺紋連接粉的可靠性，防與止自攻螺釘拉御脫，受力連接義時(shí)，在采用螺涉紋直接連接的俯局部，鋁型材芬厚度不應(yīng)小于曲螺釘?shù)墓Q直球徑。然步鋼材防腐蝕能絕力較低，型鋼戀橫梁的壁厚不摘應(yīng)小于胃2.5mm睡，并且明確必梨要時(shí)可以預(yù)留濃腐蝕厚度。針（面2策）最大寬厚比臭京型材桿件相鄰期兩縱邊之間的軋平板部分稱為沒板翅件熊(李翼鄰板冒)抽。一縱邊與其拋他板件相連接撈，另一縱邊為堆自由的板件，持稱為截面的自礎(chǔ)由挑出部位；靜兩縱邊均與其種他板件相連接妙的板件，稱為刺截面的雙側(cè)加括勁部位。板件蝴的寬厚比不應(yīng)寨超過一定限值悠，以保證截面構(gòu)受壓時(shí)保持局譜部穩(wěn)定性。截式面中不符合寬承厚比限值的部年分，在計(jì)算截膠面特性時(shí)不予懇考慮。怠彈性薄板在均醬勻受壓下的穩(wěn)走定臨界應(yīng)力可膊由下式計(jì)算：孫端園σ曠cr塵=幅β顛[領(lǐng)π詢2朵Et潔2腸/12莫（子1-謹(jǐn)ν驅(qū)2末）輛b辱0侮2臂]你涂式中：剃響E需—岸彈性模量；芒餅析t祖—縮截面厚度；編仔酸ν熄—怖泊松比；柏定b境o待—壁截面寬度；銳哪嬸β炕—屠彈性屈曲系數(shù)里，自由挑出部嘗位稼(今邊界條件視為潑三邊簡(jiǎn)支、一肌邊自由禮)莫取脂0呢．鎮(zhèn)425燕，雙側(cè)加勁部掀位雖(套邊界條件視為賠四邊筒支叔)雹取衫4治．僻O萌。節(jié)蹤由上式可得到屑型蓋材庭(茄翼清板任)霉截面的寬厚比錯(cuò)要求，即：他稅b獸0怨/t快≤π撿[胡β乓E/12港（攤1-瞞ν畢2摘）棚f]奶1/2川式中：麥擠f螺——枯型材強(qiáng)度設(shè)計(jì)碎值。跡以循0.425存代入愛(巴5-1b)牛得徒:b蝶0射/t=16撓(JG脊J102-2翠003押取為離17鍬見穿表膚5.1害)刻以故4.0予代入悼(劫5-1b)宿得幻:b皆0遞/t=49到(JG技J102-2垂003跡取為璃50妙見噸表穩(wěn)5.1股)胃（旺3綠）型閑材巴(臨腹席板毫)牽壁厚是構(gòu)件局宿部穩(wěn)定必須考瞇慮的問題。鋁遙合金型材壁厚茄過薄會(huì)導(dǎo)致型霉材的局部屈曲門失穩(wěn)（皺折失音穩(wěn)），根據(jù)彈腰性理論，板在津縱向均勻受壓環(huán)下，屈曲的平折衡微分方程為和：芬賊邀4照W湊齡4欣W企窮4燕W姓盈2藝W鼠D(宴──奇—賺—?jiǎng)?wù)+2靈────輕+會(huì)──悶—姑—章)+N關(guān)──監(jiān)─勝蝦=0米踩宏彩岡瑞（纖5-啊1款）幻牛男X戒4徹比潮X勵(lì)2同Y象2尸哭Y由4座虎監(jiān)X撈2例式中：裳歸W窩——姿板的撓度；沿耗索N櫻——紹板單位寬度上必所受壓力；檔盟浪D偵——掛板的柱面剛度閑,D=Et拔3騾/12(1-該υ附2逃)繼。草從上式可辜導(dǎo)出臨界應(yīng)力砌為：伶均稻飛π廟2堤E撞t油讀σ剩er籮=增K丘─────墾(辣──站)欠2鉗毛倆接酸拜盡顏桂（很5-炊2午）份蠟1畢2(1-笑υ估2烤)b宅式中：峰捕E怒——袍彈性模量；呢榴灘t臨——襯壁厚；燕標(biāo)蕉υ生——虜泊松比；亡剩餡蒜K扁——迫穩(wěn)定系數(shù)；桌瀉止b術(shù)——忍型材寬度。墳條當(dāng)板四邊簡(jiǎn)支饞，在縱向不均遵勻受壓時(shí)穩(wěn)定足系數(shù)最小值敢Kmin臟近似為：襯紹膜2協(xié)帳撥4違禁當(dāng)愉0<致α≤──夠皺，牙Km危in皺≈───吸奶泥3婚梨肚1-0.5掛α寒舒2葵捎修吵4.掙1尼革當(dāng)寒──觀<健α≤筋1.4前，京Kmi談n團(tuán)≈─────異畏3蓮速避病1-0.4犯74垮α練矮當(dāng)鋒1.4<次α≤傷4宗，遠(yuǎn)K洗min貼≈論6朋α墾2舒受純彎曲眠時(shí)口α步=2元Kmin甘≈茅6×2德2簡(jiǎn)=24茄，而較精確值筐為病23.9榆。烘式中紹：材α佩=夫（誼σ墓-行σ昨，驢）押/恩σ殊對(duì)于腹板考慮舍翼板有彈性嵌純固作用，并取危嵌固系數(shù)為沾1.61曠，當(dāng)艙E冊(cè)為阻0.7×10汽5幅N/mm吵2習(xí)、蹤σ廟0.2赴=110N浴/mm出2州時(shí)則腹板受純灰彎曲時(shí)其臨界宴應(yīng)力為：蔬門接23.半9腰π裹2扇Et鍛σ歡er筍=1.61×承─────李(甘──創(chuàng))支2度=246.8果(100t/帽b)部2秤≥σ遺0.2季囑嗎痛聲（接5-欣3法）鋼沿批可得出：潮川社12(1巡-壤υ為2方)b占b/t=10使0挽（榆248.6/橡110揭）狹1/2賭×革（句110/踐σ暖0.2俱）碧1/2底=150(1騎10/乘σ渠0.2拼)姓1/2狼如果取垃t=咱2.5mm灶、則賞b裂可為符375mm撒將。母當(dāng)梁長(zhǎng)與扣型材高之比大轎于許10:1濫，按無限長(zhǎng)梁向考慮時(shí)，在剪委應(yīng)力作用下腹單板（考慮嵌固蕉系數(shù)塌1.24健）臨界剪應(yīng)力芳為：灶怪鬧舟擇π珍2異E險(xiǎn)t僻稻τ吧er壁=1.24×劇5.34鳳─────罷(邪──鬧)信2里=42.78沖(100t/羞b)繁1/2桃≥σ模0.2胃/(3)奧1/2影館哪蕩（膏5-鍛4膠）百匯可得出：仁扒籌拿12(1-咸υ應(yīng)2慚)b露b/t被=100(7兄4.1/11作0)除1/2珠×洗（壽110/母σ侄0.2撒）貫1/2傻=82(11蔬0/也σ鮮0.2覆)甩1/2總鹿如果取看t=餐2.5mm陶、則煩b磚可為鳳205mm域飲。逐腹板在上邊緣農(nóng)受橫向壓應(yīng)力重作用時(shí)，其臨茶界應(yīng)力為：欄扁10登0t秀σ碼c.er餓=100(趴─咐-敞─籌)黎2依≥σ馬0.2陽盲限介感君讓爺崗茶（咳5-武5州）可得出：屋欄介b棍自b/t=撒100(10狡0/110)元1/2退×羊（揪110/滅σ土0.2穴）糠1/2忠=95(11送0/決σ草0.2戴)網(wǎng)1/2榨擦如果取燈t=訂2.5mm蛇村，則幼b駛可為恢237.5白mm祝脆。賄當(dāng)梁在彎趣曲應(yīng)迅力災(zāi)σ型、剪應(yīng)控力喪τ糾和橫向壓應(yīng)燙力池σ務(wù)c鐮同時(shí)作用下，持丑矩型板臨界條褲件為：編揭──────析──────葬─直孩筆σ物侮σ脂c驕臨τ灑茫析√汽(使───柄+貿(mào)───鐘)碼2蛙+(議──熊)挑2分沈≤抱1鍬勇漁鏟極叨托鑄（阿5-傍6蕉）施兆勢(shì)σ席er賤艦σ察c.er線冶τ按er疏根據(jù)經(jīng)李國(guó)豪朝院士為首的?；ゼ椅瘑T會(huì)評(píng)審韻通過的上海金鏟茂大廈型材壁必厚計(jì)算結(jié)果，創(chuàng)即使槳b/T=82采時(shí)也不訂會(huì)發(fā)生局部失費(fèi)穩(wěn)，同濟(jì)大學(xué)漸對(duì)上海金茂大后廈幕墻型材試藝驗(yàn)，超荷載試違驗(yàn)時(shí)也未見局稅部失穩(wěn)跡象，政因此我們完全烈可以按規(guī)范規(guī)弦定的最小壁厚倘來設(shè)計(jì)型材截欺面，就是說閉束口型材采用脆2.5mm昨壁厚，其高度繞(蜘系列置)膛可達(dá)到（著2.5mm封×腐80鏈）冶200mm飄。離200mm剝×背60mm衛(wèi)×擠2.5mm香方管慣矩為舒601515末6mm免4振，魚、截面抵抗矩控為對(duì)60152m居m助3叛。泉下面分析各種后斷面圖200卡mm預(yù)×盾60mm捏系列截面幾何址特征。觀A=歪1275mm母2聲遣告恰惠筆咸燙熱塌甘歡A懷=內(nèi)1357.5蜜mm蔑2芒訪語庫憤油嫂芬租騎臨志I鉆X遲=冶601515亦6mm發(fā)4準(zhǔn)倚餐嘩敲鏡止淡孫小之I趁X亞=綱664428尋06mm絮4穿W禮X暖=孫60152m飯m肝3筒賊瘦妻棗焦偷羊薯蹄布W贊X1搬=片63785m勉m暫3摘3.455k叨g喂/m爐徐致任滋今綢俱W嗽X2筑=百65074m爛m排3碧改車掏爹劃召秀魂散志3.679瘦kg升/m污A=攀1372.5定mm陜2萍英濤身兩昂脫銷炸船深A(yù)涌=稠1412.5列mm形2果網(wǎng)仿假獄童男圣庸?jié)h口喬I謹(jǐn)X變=相658055侄8mm梨4栽霧葵路軍換嘴乒胖楚戶I普X成=歪672184栗6mm醫(yī)4湖W使X走=簽65806m晌m為3霸婆趁榴衡脫印單架棍央W窗X1煮=陡68381m哲m卻3品W捎X哨=欲65806m葛m貢3引哥傻羅叮閑晌靠勾辨替W森X2哪=呼66095m舟m肉3易波念3.719k居g京/m棉勒脈蒜坦移番立感3.828滔kg面/m灣夢(mèng)芒達(dá)叔恐馬際陵伶揪矩訓(xùn)膚躁治蒙炎券A=是1412.5擁mm張2篇戚巨馳構(gòu)廁坑藝懸映墓A烤=買1452.5耍mm慰2譯轎白蘭廊近騾描俱咸?；軮戀X前=到696030違8mm夜4奏濃包貝少借紡占躬蓋櫻I排X驚=有716101門3mm奸4甜W脆X1摸=動(dòng)703061救mm帝3籠憤判店蘿狼潑僻激壁逗W我X1購=其74594m仁m液3紀(jì)W到X2印=涼68914m豈m梯3抹錄斥妥憐堤撒嘴斥盞伴W重X2它=忌68856m綱m峰3嶼玉叉3.828春kg互/m乓植淚?；杳邘ひ?.936態(tài)kg炊/m螺A=恢1515mm拐2淺催扇盯鬧蝶疊育凱測(cè)技A慰=干1555mm約