我國(guó)現(xiàn)行《
玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》(
JGJ102-2003)中對(duì)金屬薄壁梁的局部穩(wěn)定問題有明確的闡述。在第6.2.1條的條文說明中指出:受彎薄壁金屬梁的
截面存在局部穩(wěn)定問題。為防止
壓應(yīng)力區(qū)域的局部
屈曲,通常用下列方法之一加以控制:
(1) 規(guī)定最小壁厚和規(guī)定最大寬厚比;
(2) 對(duì)抗壓
強(qiáng)度設(shè)計(jì)值或允許
應(yīng)力予以降低。
現(xiàn)行幕墻規(guī)范對(duì)
橫梁的局部
穩(wěn)定性即采用前一種控制方法。
在工程設(shè)計(jì)中,為了提高梁的
抗彎剛度,常常采用加大板件寬厚比的辦法來(lái)增加截面的
慣性矩,以提高粱的抗彎
剛度。但是這樣做卻帶來(lái)另一個(gè)問題,就是板件有可能在失去
整體穩(wěn)定性之前就產(chǎn)生屈曲
變形,使
構(gòu)件失去了局部穩(wěn)定性。這雖然不像喪失整體穩(wěn)定性那樣使梁立刻失去
承載力,但也會(huì)降低梁的整體穩(wěn)定性和剛度,必然會(huì)危及梁的使用安全。
關(guān)于梁的最小壁厚,在
鋼型材及建筑
鋁型材的相關(guān)技術(shù)文件中都有明確規(guī)定,幕墻設(shè)計(jì)中要遵照?qǐng)?zhí)行。
關(guān)于橫梁截面的最大寬厚比問題,技術(shù)規(guī)程中按受力和支撐狀態(tài)將截
面板件分為自由挑出部位和雙側(cè)加勁部位兩種情況,在第6.2.1條中用表格形式分別規(guī)定了鋼
型材和建筑
鋁型材不同部位的寬厚比限值指標(biāo),設(shè)計(jì)中不超過此限值規(guī)定即可,無(wú)需再進(jìn)行詳細(xì)地分析計(jì)算,若超過此限值,則需另選截面尺寸,否則可能危及使用安全。
業(yè)內(nèi)有相當(dāng)多的工程技術(shù)人員對(duì)規(guī)范中這些限值指標(biāo)的數(shù)據(jù)來(lái)源、理論根據(jù)和分析計(jì)算方法不甚明了,這顯然不利于技術(shù)規(guī)范的貫徹執(zhí)行。
我們可以將橫梁型材板件的受力(包括支撐條件)情況簡(jiǎn)化為
薄板受力問題加以研究,根據(jù)
彈性力學(xué)原理,當(dāng)薄板同時(shí)作用面內(nèi)
荷載與橫向荷載時(shí),必須考慮中面力對(duì)薄板橫向
彎曲的影響。如果中面力是壓應(yīng)力,還必須考慮板的局部穩(wěn)定性問題。
從支撐狀態(tài)方面說,對(duì)自由挑出部位可看作是三邊簡(jiǎn)支和一邊自由,而對(duì)雙側(cè)加勁部位則可看成是四邊簡(jiǎn)支。
從受力狀態(tài)方面說,為簡(jiǎn)化計(jì)算,一般認(rèn)為在軸心受
壓條件下,工字形翼緣板是承受沿縱向作用于板件中面的均布?jí)簯?yīng)力,對(duì)箱型截面各邊都可看作是均勻受壓,而對(duì)于工字形
腹板實(shí)際情況是縱向承受不均勻壓應(yīng)力(但為簡(jiǎn)化計(jì)算也常常視為是均勻的)和四周的均布
剪應(yīng)力,是二者的組合作用。
如果將
鋼材和建筑鋁型材的
屈服強(qiáng)度視為板件中面受壓的臨界應(yīng)力,將他們各自的相關(guān)數(shù)據(jù)代入上式即可分別得到各種型材板件的寬(高)厚比限值,所得結(jié)果與現(xiàn)行玻璃幕墻規(guī)范規(guī)定的指標(biāo)基本上是一致的。
由上述計(jì)算過程可看出,如果按彈性條件校核,驗(yàn)算條件較為寬松,寬厚比取值較大;如果既考慮材料殘余應(yīng)力又考慮受力后
塑性發(fā)展變形對(duì)局部穩(wěn)定性的不利影響,驗(yàn)算條件則比較苛刻,限值較小。顯然后一種作法是比較保守的作法,但出于安全考慮也不無(wú)道理。如果只考慮材料的殘余應(yīng)力,又允許利用部分塑性發(fā)展,在不影響板件
強(qiáng)度的條件下,則可取只考慮殘余應(yīng)力寬厚比的限值進(jìn)行校核。
需要說明的是,幕墻橫梁設(shè)計(jì)中強(qiáng)度計(jì)算所考慮的荷載主要是
風(fēng)荷載、自重、
地震作用的組合效應(yīng)值,因此在校核其局部穩(wěn)定性時(shí)要借助材料力學(xué)公式將組合效應(yīng)值折算成中面壓應(yīng)力。
應(yīng)該指出,按上述校核方式得出的寬厚比限值指標(biāo)只包括板件所受的中面法向力(壓應(yīng)力),對(duì)影響中面變形的其它因素(如中面切向力、橫向剪力、橫向集中力、外界
彎矩、扭矩等非中面受壓情況)都忽略了,因而不能包括構(gòu)件局部穩(wěn)定性計(jì)算的全部?jī)?nèi)容。如果這些非中面受壓因素已構(gòu)成威脅構(gòu)件局部穩(wěn)定性的主要因素,用上述方法進(jìn)行校核則不能正確反映構(gòu)件受力情況,甚至可能造成錯(cuò)誤。這時(shí)計(jì)算較為復(fù)雜,還應(yīng)查閱相關(guān)資料,用有關(guān)理論和公式進(jìn)行詳細(xì)計(jì)算和校核。
參考資料:
1.行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《
玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》
JGJ102-2003。
2.國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《
鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》
GB50017-2003。
3.國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《
鋁合金建筑型材》GB5237.1-2004。
4.《
鋼結(jié)構(gòu)--原理與設(shè)計(jì)》,夏志斌、姚諫編著,中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2004年7月第一版。
5.《彈性理論基礎(chǔ)》,陸萬(wàn)明、羅學(xué)富,清華大學(xué)出版社,施普林格出版社,2001年8月第二版。
6.《
金屬與石材幕墻工程實(shí)用技術(shù)》,
張芹、
黃擁軍主編,機(jī)械工業(yè)出版社,2005年2月第一版。
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