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关于穿孔铝板幕墙计算的几点探讨
发布时间: 2020-09-03 04:24

  关于穿孔铝板幕墙计算的几点探讨_建筑/土木_工程科技_专业资料。关于穿孔铝板幕墙计算的几点探讨 一、在工程中的应用 穿孔铝板指用纯铝或铝合金材料通过压力加工制成(剪切或 锯切)的获得横断面为矩形,厚度均匀的矩形材料。构成要素有穿 孔率、孔径、板厚和板型,其中穿孔率

  关于穿孔铝板幕墙计算的几点探讨 一、在工程中的应用 穿孔铝板指用纯铝或铝合金材料通过压力加工制成(剪切或 锯切)的获得横断面为矩形,厚度均匀的矩形材料。构成要素有穿 孔率、孔径、板厚和板型,其中穿孔率是影响穿孔铝板单元的核 心因素,是影响其视觉整体感的表达、降低建筑能耗的设计关键。 受加工成本、单元自重、单元平整性等因素的影响,作为外表皮 使用的穿孔铝板板厚常选用 1.0mm~6.0mm 板。 二、玻璃-穿孔铝板幕墙的风压取值探讨 玻璃-穿孔铝板幕墙,外表皮为穿孔铝板面板,内表皮为玻璃 面板;外表皮直接承受风荷载,但是由于孔洞的存在,风可以通过 孔洞作用到内表皮,内表皮也承受风荷载。两层表皮各自承受风 荷载的大小取值很复杂,实际工程中通过风洞试验的模拟能得到 外表皮外压、外表皮内压、内表皮外压的分布情况,从而得到比 较准确的外表皮和内表皮风荷载取值。当缺少风洞试验报告的时 候,笔者查阅了一些国内外的风荷载规范和双层幕墙规范以及相 关文献,希望能从中得到能运用到实际工程设计中的思路和方法。 1、 中 国 地 方 规 范 《 上 海 市 建 筑 幕 墙 工 程 技 术 规 范 》 DGJ 08-56-2012/J 12028-2012 上海市幕墙规范中第 14.1.6 条规定了外通风双层幕墙风荷 载的取值,外层幕墙承受全部风荷载,内层幕墙根据腔体体积与 有效通风面积的比值进行相应的折减。类比到玻璃-穿孔幕墙,假 定楼层高度为 3.6m,幕墙分格为 1.5m,中间腔体的大小为 1.0m 穿孔率为 40%,计算 V/Aen=2.5m,属于 0~20m 的范围,内层幕墙 承风的比例为 100%,即全部承风。外层穿孔铝板的风荷载和内层 玻璃幕墙的风荷载大小一致,取常规幕墙的风荷载值。 2、欧洲规范《Eurocode 1: Actions on structures-Part 1-4:General actions-Wind actions》BS EN 1991-1-4:2005 欧洲规范中第 7.2.10 条对多于一层表皮的风压取值情况有 比较详细的规定。类比到玻璃-穿孔铝板幕墙,外表皮开孔内表皮 密闭,外层总压力系数取值:正压力系数=2/3*(常规外压力系数); 负压力系数=1/3*(常规外压力系数).内层总压力系数取值:常规 外压力系数-常规内压力系数=常规总压力系数。类比到中国荷载 规范风荷载局部体型系数取值如下: 幕墙类型/区域 大面外压 转角外压 封闭内压 常规幕墙 +1.0 -1.4 ±0.2 玻璃-穿孔铝 外层 0.67 -0.47 0 板 双层幕墙 内层 +1.0 -1.4 ±0.2 注:大面指迎风面,转角指与迎风面相邻面的转角区域。 3、风洞试验相关文献 风洞试验模型缩尺比例一般为 1:100,由于穿孔铝板上的孔 径很小,风洞试验模型很难模拟穿孔铝板的真实情况,经查阅相 关文献,引用与之类似的风洞试验报告结论作为参考: (1)《长沙梅溪湖国际文化艺术中心围护结构风荷载研究》— —同济大学土木工程防灾国家重点实验室,试验模型为局部模型, 缩尺比为 1:15,双层幕墙屋面板的外层为 GRC 板,内层为密闭防 水层,两层表皮之间的距离约 600mm,外层 GRC 板之间沿纵横分 布有 20mm 和 50mm 的缝。 试验报告结论:基于风洞试验结果,可以发现对于双层屋面 板结构,相同位置处的外层内表面风压和内层外表面风压基本以 致,即空腔内的风压基本一致。另一方面,当外层幕墙的外表面 的风压为正值时,相应位置的空腔处的风压也基本为正值,只是 压力大小有所降低;同样当外层幕墙的外表面的风压为负值(吸力) 时,相应位置的空腔处的风压也基本为负值,压力绝对值同样有 所降低。这些结果表明双层屋面板结构空腔部分的压力基本与其 外表面的风力相关,只是绝对值有所降低。 (2)《矩形建筑双层幕墙的风荷载特征及阵风系数》——浙江 大学建筑工程学院,风洞试验项目为杭州黄龙综合办公楼,建筑 平面为矩形,幕墙类型外通风双层幕墙,试验模型缩尺比为 1:100,在外幕墙上相应位置开孔来模拟通风百叶窗。风洞模拟的 结果见下表: 试验得出的结论:对于矩形(L 形)廊道式通风幕墙,内幕墙 风载可按单幕墙的进行取值,并偏于安全;外幕墙风载,当其处于 矩形长边时,可按单幕墙的适当折减,当位于矩形拐角及短边时, 则需要放大处理。 (3)《典型体型高层建筑双层幕墙风压分布试验》——浙江大 学建筑工程学院,风洞试验项目为浙江省丽水电力生产调度中心, 建筑平面为带小凹槽的圆形,幕墙类型外通风双层幕墙,透空率 为 7.2%,试验模型缩尺比为 1:150,在外幕墙上相应位置开孔来 模拟通风百叶窗。经风洞模拟试验得到结论:对于弧形廊道式通 风幕墙,内幕墙风载可按单幕墙的进行取值,并偏于安全;外幕墙 风载,当其处于圆弧中段时,可按单幕墙的适当折减,当其位于 圆弧端部时,需要进行放大。 综述:玻璃-穿孔铝板双层幕墙的内外层风荷载局部体型系 数的取值与单层幕墙风荷载局部体型系数的取值有较大差异,影 响因素主要有双层幕墙在建筑面上的分布情况、铝板开孔情况、 内外层空腔间的距离及空气流通情况等。当在实际工程幕墙设计 中缺乏风洞试验数据时,幕墙风荷载局部体型系数可以参考以下 取值(主要参考的欧标和风洞结论):外层穿孔铝板风荷载局部体 型系数在大面区域取 0.67,在转角区域取 1.8~1.9;内层玻璃幕 墙风荷载局部体型系数按单层幕墙的取值。内外层幕墙面板直接 承受风荷载,局部体型系数不折减,非直接承风的支撑龙骨按从 属面积对局部体型系数进行折减,最后计算的风荷载值均不小于 1kPa。 三、穿孔面板的计算分析 1、铝板幕墙的铝板设计一般情况下均在铝板背面设置加强筋 把铝板分为一个个小的区格,边肋和中肋对小区格板的四边形成 约束,按四边支承板的模型对铝板区格进行计算。以板块为 2400mmx1200mm,3mm 厚的铝单板为例,风压标准值按 1.5kPa,加 强 筋 沿 短 边 布 置 , 按 《 金 属 与 石 材 幕 墙 工 程 技 术 规 范 》 JGJ 133-2001 的金属板计算公式计算,加强筋的间距按 800mm 布置, 满足强度和挠度的要求。 2、穿孔铝板在板上开了很多孔洞,削弱了面板的刚度,但是 同时面板的承风面积也减小了,这两方面对穿孔板的承载能力都 有影响。根据实际工程情况把穿孔铝板分为两种类型:第一种为 开孔规则、有空间布置加强筋而且不影响外观效果的板;第二种为 开孔不规则或者不允许布置加强筋的板,这里分析的板均为板块 较大的板,尺寸小的板和窄条形的板均不做分析(可按常规铝单板 设计)。 ① 布置加强筋的穿孔板 计算思路和方法依据铝单板的计算,选取区格单元和相应的 边支承模型。采用有限元对不开孔铝板和两种开孔率的开孔铝板 进行对比分析。 计算结果汇总: 铝板类型 最大挠度(mm) 比值 不开孔铝板 11.37 1.00 18.7%穿孔率铝板 12.68 1.12 32.5%穿孔率铝板 13.29 1.17 从结果比值可以看出,穿孔铝板比不开孔铝板的最大挠度有 所增大,并且开孔率越大,挠度也会稍有增长,考虑到实际工程 中穿孔率一般不会太大(受限于孔的排列方式),用常规铝板的计 算方法将计算结果的利用率控制在 85%以下,可以满足实际工程 设计的需求。 ② 不布置加强筋的穿孔板 由于板块较大且不布置加强筋,如果按常规铝板的设计思路 来设计和计算,可以通过把穿孔板的厚度加大的方式来提高穿孔 板自身刚度以抵抗外荷载,但实际工程中加大厚度的方式会使成 本过高,不适用于一般工程的需要。规范中对金属板四周折边处 的约束情况均按简支承边来考虑,依据经典弹性力学板壳理论给 出计算公式,这有一定的局限性,如果把板四周折边处的约束做 强,不仅约束住板平面外的平动,同时也约束住平面内的平动, 即对 X/Y/Z 三个方向的位移都约束,这样面板承受外荷载产生变 形时,周边约束会对面板有拉扯的作用,从而阻止变形的进一步 增大。 从应力和变形云图的分析结果可知,在穿孔板中部孔周边的 应力最大,而且应力的分布主要集中在平行短边方向的竖向孔与 孔间板带区域,两种穿孔板的最大应力为 27MPa,满足 3003-H24 铝合金板的抗弯强度设计值 100MPa。最大挠度发生在面板中部, 穿孔板的最大挠度为 9.4mm,满足变形的限值要求。最大变形计 算结果汇总如下: 铝板类型 18.9%穿孔率铝板 33.8%穿孔率铝板 边约束情况 面内有约束 面内无约束 面内有约束 面内无约束 最大挠度(mm) 9.07 37.44 9.41 38.2 查看边约束反力,在面内方向长边反力为 34kN,折算为线kN/m,如果连接螺栓按@200 来布置,单个螺栓承受约 3kN 的剪力标准值,选用 M6 的螺栓或机丝可以满足要求。侧向的 作用力也会对长边方向支撑龙骨产生不利作用,在龙骨左右分格 一致的时候,侧向作用力的不利作用会相互抵消;在边部只有单边 分格的龙骨受力需要既能抵抗垂直面板方向荷载作用,也能抵抗 平行面板的侧向荷载作用。

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