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摘要：由于建筑外觀和遮陽要求，玻璃幕墻懸挑裝飾帶尺度越來越大，對幕墻系統(tǒng)的影響也越來越大。對于幕墻懸挑尺寸較大的裝飾帶，結(jié)構(gòu)計(jì)算很重要;除此之外，在構(gòu)造設(shè)計(jì)上需要注意盡量降低對幕墻系統(tǒng)的影響，并簡化力學(xué)模型;同時(shí)，為確保工程質(zhì)量和提高施工效率，采用裝配式構(gòu)造。
關(guān)鍵字：玻璃幕墻;水平懸挑大裝飾帶;結(jié)構(gòu)計(jì)算;裝配式構(gòu)造
1 引言
在進(jìn)行幕墻水平懸挑裝飾帶結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)之前，首先需要考慮裝飾帶對幕墻立柱的影響，再具體分析裝飾帶與幕墻立柱的連接方式，以及裝飾帶自身的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性（詞條“穩(wěn)定性”由行業(yè)大百科提供），還有裝飾帶的構(gòu)造及裝飾帶與立柱的連接構(gòu)造。
2 水平大裝飾帶對幕墻立柱的影響
2.1 水平大裝飾帶與簡支梁立柱連接的情況
簡支梁立柱承受均布荷載，水平大裝飾帶承受豎向均布荷載，這個(gè)豎向荷載轉(zhuǎn)換為作用到立柱的集中彎矩，可以理解為在簡支梁原有荷載的基礎(chǔ)上增加一個(gè)集中彎矩Myp，先看它對簡支梁立柱的影響：
簡支梁立柱在原有均布荷載作用下，跨中最大彎矩為Mi，在立柱跨中任意位置施加集中彎矩Myp后，立柱跨中彎矩變?yōu)镸i + 0.5Myp。當(dāng)Myp小于Mi時(shí)，立柱最大彎矩只是稍大于立柱跨中彎矩，但比值不大于104%，可認(rèn)為立柱跨中彎矩與立柱最大彎矩近似相等。
在施加集中彎矩Myp后，通常會覺得立柱跨中彎矩增加Myp，并與彎矩作用位置有關(guān)。但實(shí)際情況并不是這樣，為方便理解，我們假定立柱跨度為L = 4.5m，水平裝飾帶懸挑尺寸為Lyp =1.5m，立面幕墻和水平裝飾帶的分格均為1.5m，立面幕墻的風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為4kPa，按照相應(yīng)體型系數(shù)進(jìn)行計(jì)算，采用有限元（詞條“有限元”由行業(yè)大百科提供）分析，參見圖1、圖2、圖3。
可以看到，在施加集中彎矩Myp后，跨中增加彎矩始終為0.5Myp。該結(jié)論可以用于評估有懸挑水平裝飾帶的簡支梁立柱，為方便使用，這里將裝飾帶懸挑長度與簡支立柱跨度比值作為參數(shù)，換算出Mi的變化幅度，具體推導(dǎo)參見圖4、圖5。
可以直接用公式或者圖5的圖表進(jìn)行設(shè)計(jì)方案的評估，例如：
當(dāng)Lyp/L = 1.5/4.5 =33%時(shí)，查圖5圖表，跨中彎矩變?yōu)樵喼Я旱?26%;
當(dāng)Lyp/L = 1.5/6.0 =20%時(shí)，查圖5圖表，跨中彎矩變?yōu)樵喼Я旱?15%;
這里有一個(gè)有趣的結(jié)論：簡支梁立柱作用有兩個(gè)等值同號的彎矩時(shí)，如果兩個(gè)彎矩其中一個(gè)在跨中以上，另一個(gè)在跨中以下，那么簡支梁跨中增加的彎矩為0，感興趣的讀者可以自行驗(yàn)證一下。
2.2 水平大裝飾帶與雙支座立柱連接情況
水平大裝飾帶與雙支座立柱連接情況下，結(jié)構(gòu)受力較為復(fù)雜，本文給出三個(gè)建議方案，參見圖6。
方案一：當(dāng)水平裝飾帶位置離立柱中支座較遠(yuǎn)時(shí)，裝飾帶直接與立柱連接，建議在圖示區(qū)域穿鋼加強(qiáng)，因?yàn)榇藚^(qū)域彎矩較大;
方案二：水平裝飾帶位置離立柱中支座較近時(shí)，裝飾帶也可直接與立柱連接，建議將立柱進(jìn)行拆分，下部設(shè)計(jì)為簡支梁立柱，上部設(shè)計(jì)為帶懸臂裝飾帶的簡支懸臂立柱;
方案三：水平裝飾帶懸挑尺寸很大時(shí)，建議按照懸挑雨篷處理，即裝飾帶直接與主體結(jié)構(gòu)固定，此時(shí)立柱變?yōu)樯舷聝蓚�(gè)簡支梁立柱;
2.3 工程案例設(shè)計(jì)方案選擇
以下為某工程案例，因?yàn)檠b飾帶造型較為特殊，裝飾帶截面高度尺寸為1000mm，懸挑尺寸達(dá)1500mm，未采用常規(guī)的設(shè)計(jì)方案，綜合考慮后，采用裝配式構(gòu)造方案，將幕墻立柱設(shè)計(jì)為雙支座，水平裝飾帶與幕墻設(shè)置上下兩個(gè)連接點(diǎn)，上連接點(diǎn)盡可能靠近幕墻立柱上支座，下連接點(diǎn)盡可能靠近幕墻立柱中支座，這樣水平裝飾帶可以將其反力近似于直接的傳到支座上,使得裝飾帶對幕墻立柱的彎矩影響降到最小。參見圖7
在裝飾帶與立柱的連接節(jié)點(diǎn)處理上，需要注意在下連接件上開豎向長孔，避免因多余約束而產(chǎn)生不利內(nèi)力，保證裝飾帶根部彎矩轉(zhuǎn)化為上下連接的水平力偶，而重力荷載由上連接件單獨(dú)承擔(dān)。
3 水平大裝飾利用端部封板提供結(jié)構(gòu)支撐
本案例裝飾帶由于截面尺寸較大，我們將裝飾帶分縫設(shè)計(jì)為一個(gè)幕墻分格寬度，沒有采用額外的懸臂龍骨作為支撐構(gòu)件，而是利用裝飾帶面板自身的剛度，當(dāng)面板形成了一個(gè)封閉的箱型構(gòu)件時(shí)，本身具備很大的剛度，兩側(cè)的端部封板類似于鋼板剪力墻，能夠抵抗裝飾帶受到的豎向荷載，但需要注意薄板失穩(wěn)的問題，兩側(cè)端部封板擬選用4mm厚鋁板，在根部設(shè)置豎向鋁龍骨，鋁龍骨的側(cè)面與端部封板通過間隔布置的自攻螺釘（詞條“自攻螺釘”由行業(yè)大百科提供）連接，并且加密布置，保證根部彎矩有效的傳遞。
裝飾帶水平鋁板按計(jì)算要求布置加強(qiáng)筋并與端部封板進(jìn)行焊接，考慮到鋁焊部位強(qiáng)度削弱，需在鋁板兩側(cè)進(jìn)行折邊，折邊通過自攻螺釘與端部封板連接進(jìn)行加強(qiáng)。
采用有限元分析，參見圖8、圖9。
還需要考慮端部封板的穩(wěn)定性，對其進(jìn)行了失穩(wěn)模態(tài)分析，參見圖10。
可以看到，第一階失穩(wěn)模態(tài)的屈曲特征值為ηcr=5.41，并且失穩(wěn)的區(qū)域不在端部封板，參考《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)GB500017-2017》5.1.6-2條，標(biāo)準(zhǔn)原文參見圖11，對于容易失穩(wěn)的薄板，其二階效應(yīng)控制在0.25以下，可以通過增加端板的剛度降低二階效應(yīng)，對應(yīng)的ηcr應(yīng)大于1/0.25 = 4.0。
4 水平大裝飾帶端部封板穩(wěn)定性對比分析
前文布置豎向加強(qiáng)筋，減小了鋁板失穩(wěn)區(qū)隔，以增加端部封板的穩(wěn)定性。作為對比，這里提供一個(gè)采用3mm端板，無豎向加強(qiáng)筋的失穩(wěn)模型分析，其失穩(wěn)模態(tài)參見圖12，可以看到，此時(shí)的第一階失穩(wěn)模態(tài)的屈曲特征值為ηcr=3.104，并且失穩(wěn)的區(qū)域在端部封板，剛度明顯不足，這也說明增加端板厚度及增加根部豎向加強(qiáng)筋的必要性。
5 水平大裝飾帶與立柱連接的分析
裝飾帶與立柱的連接是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，這里我們進(jìn)行了有限元分析，參見圖13、圖14、圖15，通過有限元分析，論證了端部封板通過間隔布置的自攻螺釘及連接板（詞條“連接板”由行業(yè)大百科提供）將荷載有效的傳遞給了幕墻的立柱。
6 總結(jié)
1) 簡支梁立柱承擔(dān)水平裝飾帶產(chǎn)生的集中彎矩Myp之后，并不會增加Myp的彎矩，而是在跨中增加0.5Myp的彎矩;
2) 水平大裝飾帶如果通過上下兩個(gè)連接點(diǎn)與立柱連接，下連接點(diǎn)應(yīng)注意釋放豎向位移，避免因多余約束而產(chǎn)生不利內(nèi)力;
3) 當(dāng)裝飾帶的面板能夠形成封閉箱型構(gòu)件的時(shí)候，可以考慮利用面板自身的剛度承受外部荷載，但需要注意面板的穩(wěn)定性，通過增加面板的厚度及布置加強(qiáng)筋提高其失穩(wěn)模態(tài)的屈曲特征值;
4) 在進(jìn)行水平大裝飾帶系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，采用裝配式構(gòu)造，以確保工程質(zhì)量和提高施工效率。
參考文獻(xiàn)
[1] GB50017-2017鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2017.
作者單位：深圳中航幕墻工程有限公司
