带装饰翼立柱受力性能试验研究与分析*

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带装饰翼立柱受力性能试验研究与分析*

王 斌1 赵 丹1 惠 存2 韩维池1 王元清3

(1.江河创建集团股份有限公司， 北京 101300； 2.中原工学院建筑工程学院， 郑州 450007；3.清华大学土木工程系， 北京 100084)

摘 要：装饰翼在幕墙结构中的应用较多，针对带竖向装饰翼立柱的受力性能进行试验研究和数值模拟。传统计算方法所得带竖向装饰翼立柱的应力远大于其设计强度，与实际工程应用情况不符。通过试验研究和数值模拟可知，不考虑玻璃面板的支撑作用，立柱在侧向荷载作用下的变形结果较大，考虑玻璃面板的支撑作用后，其变形显著减小；试验结果与有限元分析结果均符合较好。实际工程中，横梁、立柱和玻璃面板形成了整体刚度较好的框架，装饰翼在侧向荷载作用下，将力传递到整体结构上而非仅传递到立柱上，进行受力分析时应采用整体模型。

关键词：立柱； 装饰翼； 玻璃面板； 试验研究； 数值模拟

1 概 述

为了增加建筑外立面的建筑效果和建筑幕墙的节能性能，现代建筑幕墙较多地采用竖向遮阳构件(亦称装饰翼)，见图1，以实现此目的。

相关学者较多地研究了装饰翼构件的遮阳效果和节能效果[1-5]，并研究了幕墙结构中铝合金立柱的受力性能[6-9]，但有关玻璃竖向遮阳构件在侧向荷载作用下受力性能的研究尚未见报道，尤其是竖向遮阳构件受载时对单元板块的影响，也缺乏相关的试验研究和理论分析，较大地影响竖向遮阳构件在建筑工程中的实际应用。在实际工程应用中，没有相关规范以及理论文献可以参考，仅是考虑装饰翼在侧向荷载作用下所产生的扭矩对立柱的影响，而开口截面铝合金立柱的抗扭性能较弱，造成开口截面立柱无法满足承载力的设计要求。而实际上，带竖向装饰翼的开口截面铝合金立柱已得到了广泛的使用，说明相关理论分析已经无法满足实际工程需求，本文拟从理论计算和实际试验等角度出发，给出合理的分析模型和方法，以解决竖向装饰翼及其支撑立柱的设计问题，为竖向装饰翼和幕墙立柱的设计提供参考依据。

图1 幕墙装饰翼

2 传统计算方法

2.1 竖向装饰翼受力特点

幕墙竖向装饰翼通过螺钉固定在幕墙立柱上，当装饰翼构件受到侧向风荷载作用时，装饰翼本身的受力类似于悬臂构件，同时将风荷载传递到幕墙立柱上，进而将荷载传递给主体结构。传递到幕墙立柱上的力使幕墙立柱承受扭矩和沿截面弱轴方向的弯矩，如图2所示。

1—立体结构；2—转接件；3—公立柱；4—母立柱； 5—玻璃面板；6—装饰翼转接件；7—装饰翼。
图2 带竖向装饰翼的幕墙立柱受力示意

2.2 计算方法

传统的计算方法在考虑装饰翼对立柱的影响时，仅从单根开口截面铝合金立柱的抗扭及抗弯的角度出发，得出开口立柱无法使用的结论。

本文开口截面铝合金立柱截面扭转模量It=3 823 mm4，装饰翼所承受的侧向荷载为2.0 kN/m2，其宽度为350 mm，高度为4 m，荷载作用点力臂取244 mm，幕墙立柱壁厚t=3 mm；装饰翼通过3个支臂连接到开口截面铝合金立柱上。按照传统计算方法可得，装饰翼对立柱产生的扭矩：Tf=0.341 6 kN·m；该扭转产生的扭转剪应力：τf=268 MPa。参考GB 50429—2007《铝合金结构设计规范》[10]，该扭转剪应力大于铝合金型材6063-T6的抗剪强度(81.2 MPa)。如果再考虑传递到立柱上的侧向荷载引起的立柱弱轴受弯，立柱的综合应力将远大于其强度设计值。

从传统计算方法可以看出，在此荷载作用下立柱必然丧失承载力，发生破坏。

3 试验研究

而实际工程中，带竖向装饰翼立柱在侧向荷载作用下均未出现破坏且远未达到其设计强度，实际工程应用与传统理论计算方法所得结果严重不符。

实际工程中竖向装饰翼通过螺钉连接在开口截面铝合金立柱上，且开口截面立柱与玻璃板块连为一体共同受力。为准确分析装饰翼在侧向荷载作用下立柱的受力情况，分别对不考虑和考虑玻璃面板两种工况进行相应的试验研究和数值分析。

3.1 不带玻璃面板立柱的试验及分析

建立了不带玻璃面板立柱的有限元分析模型，见图3。模型尺寸和所受侧向荷载同2.2节。

图3 不带玻璃面板立柱的分析模型

立柱和竖向装饰翼的有限元分析变形结果见图4。由图4可知，立柱的最大侧向变形为7.26 mm，竖向装饰翼的最大侧向变形为22.65 mm。

a—立柱；b—竖向装饰翼。
图4 立柱和竖向装饰翼变形 mm

为验证有限元分析结果的正确性，对该工况进行了试验研究，试验现场见图5。

图5 试验现场

为模拟竖向装饰所受到的侧向荷载，对其进行了合理简化，在沿装饰翼长度方向的5个六等分点施加集中荷载以模拟等效侧向荷载；在立柱支座处和跨中分别设置一位移计，监测立柱侧向变形；采用单调加载方式，并记录各阶段荷载值和立柱变形值，同时记录立柱开口增大情况，此处立柱开口是指在侧向荷载作用下，带装饰翼开口截面立柱的公立柱和母立柱相互背离。试验结果见表1。

表1 立柱位移及开口变形试验结果

等效荷载/(kN\5m-2)立柱侧向位移/mm立柱开口变形/mm支座1跨中支座2支座1跨中支座20 0 0 0 0 0 0 0.50.032.550.021.962.472.251.00.084.980.053.884.754.251.50.127.120.095.037.256.082.00.179.650.116.589.497.08

由表1可知，当等效侧向荷载为2.0 kN/m2时，跨中实测侧向位移绝对值为9.65 mm，相对值为9.51 mm，该结果与有限元分析结果相差较小；公立柱和母立柱在跨中位置开口变形为9.49 mm；该结果验证了有限元分析结果的合理性。

3.2 带玻璃面板立柱的试验及分析

为充分考虑玻璃在受力中的作用，建立带玻璃面板立柱的有限元分析模型，见图6。模型尺寸和所受侧向荷载同2.2节，玻璃面板厚度为10 mm。立柱和竖向装饰翼的有限元分析变形结果见图7。

图6 带玻璃面板立柱的分析模型

a—立柱;b—竖向装饰翼。
图7 立柱和竖向装饰翼变形 mm

由图7可知，立柱的最大侧向变形极小，仅为0.14 mm；竖向装饰翼的最大侧向变形为8.01 mm；二者均远小于不带玻璃面板立柱的有限元分析结果。此时装饰翼相当于固定在一个刚度很大的基础上，单元体幕墙即相当于这个刚度很大的基础，此时装饰翼产生的变形为装饰翼自身的结构变形。

由于玻璃面板是通过结构胶与铝合金立柱和横梁连接为整体的，所以有必要分析结构胶的应力，见图8。

图8 结构胶应力 MPa

由图8可知，在侧向风荷载作用下结构胶所承受的应力很小，最大应力只有0.02 MPa，几乎可以忽略，说明结构胶完全可以将玻璃面板、铝合金立柱和横梁连接为整体。

为研究带玻璃面板立柱的变形，并验证有限元分析模型的正确性，设计了1∶1的单元体板块，装饰翼两侧分别多次加载以确保数据充分详实。室内立柱跨中和支座处也分别布置了位移监测点。同时，为了比较半闭口截面立柱(图9)和开口截面立柱的受力性能，试验中亦对半闭口截面立柱进行了试验测试，见图10。

图9 半闭口截面立柱

a—整体试验；b—装饰翼。
图10 试验现场

试验结果见表2。由表2可知，开口截面立柱的最大侧向位移为0.81 mm，半闭口截面立柱的最大侧向位移为0.27 mm；说明在侧向荷载作用下，立柱的变形很小，几乎可以忽略；说明考虑玻璃面板对立柱变形有较为显著地影响，与有限元分析结果一致。

表2 试验结果

模拟风压/(kN\5m-2)立柱截面形式立柱跨中侧向位移/mm2.0开口截面 0.812.0半闭口截面0.27

在试验中增加一个半闭口截面立柱，试图比较验证半闭口截面立柱相对开口截面立柱受力性能的提高幅度，由表2可知，半闭口截面立柱的变形性能较开口截面立柱变形有所减小，但两种截面类型立柱的变形值均较小，可以认为在侧向荷载作用下，玻璃板块的支撑作用较为明显，立柱是否闭口，对其受力性能影响不大。

4 设计建议

传统的计算方法认为当装饰翼受到侧向荷载作用时，只有立柱抵抗其产生的扭矩和侧向弯矩，由于开口型材抗扭能力较差，认为开口截面立柱抗力不能满足侧向荷载所引起的扭转荷载，由此形成了概念上的误区。而实际上，由于玻璃面板的存在，极大地提高了幕墙单元的整体刚度，改变了铝合金立柱的受力形式，不再是单纯的开口截面铝合金立柱承受扭矩和弯矩，而是依靠整体板块的受力来抵抗由于侧向荷载产生的扭矩和弯矩，受力分析模型见图11。

图11 整体受力模型

当装饰翼承受侧向荷载作用时，装饰翼产生的扭矩为683 N·m，单元体板块宽度为1.4 m，支座中心的距离为1.35 m，则由板块扭转引起的支座反力为253 kN；根据图6有限元分析模型可知垂直于玻璃面板的支座处反力为286 N，理论计算结果与有限元分析结果较为吻合；证明了装饰翼上的荷载将使单元板块整体受力而非立柱单独受力。

通过上述试验研究和有限元数值模拟可知，玻璃面板、铝合金横梁和立柱在结构胶的黏结作用下形成了一个玻璃平面内整体刚度较大的框架。在分析带竖向装饰翼立柱的受力性能时，可认为立柱、横梁和玻璃组成的整体的刚度足以使其作为竖向装饰翼的固定端；在侧向荷载作用下，可仅分析装饰翼本身的结构强度和装饰翼与立柱的连接强度。

5 结束语

1)传统计算方法所得立柱应力远大于其设计强度，与实际工程应用情况不符。

2)不考虑玻璃面板的支撑作用，立柱在侧向荷载作用下的变形结果较大，考虑玻璃面板的支撑作用后，其变形显著减小，可忽略不计；考虑或不考虑玻璃面板的支撑作用，试验结果与有限元数值模拟结果均符合较好。

3)实际工程中，横梁、立柱和玻璃面板形成了一整体刚度较好的框架，装饰翼在侧向荷载作用下，将力传递到整体结构上而非仅传递到铝合金立柱上，进行受力分析时应将整体结构作为竖向装饰翼的固定端，仅分析装饰翼本身的结构强度和装饰翼与立柱的连接强度；在设计中应对装饰翼和立柱的连接部位进行加强。

4)由于是单元板块整体受力，立柱型材是否采用闭口形式，对立柱抗扭作用不明显；装饰翼扭转引起的立柱和玻璃之间的结构胶应力增加不明显。

参考文献：

[1] 张扬．建筑遮阳设计研究[D]．上海：同济大学，2006．

[2] 田智华．建筑遮阳性能的实验检测技术研究[D]．重庆：重庆大学，2005．

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[4] 张欢，杨斌，由世俊，等．遮阳板在建筑节能中的应用研究[J]．太阳能学报，2005，26(3)：308-312．

[5] 张欢，杨斌，杨向劲，等．住宅建筑南向墙遮阳板尺寸设计及节能潜力分析[J]．天津大学学报：自然科学与工程技术版，2004，37(7)：610-613．

[6] 龚昌基．玻璃幕墙立柱伸臂梁模式的设计和计算[J]．建筑结构，2002，32(3)：70-72．

[7] 惠存，王斌，王元清，等．开口截面铝合金立柱稳定性能试验和分析[J]．建筑结构，2014，44(22)：52-55．

[8] 惠存，王斌，王元清，等．单元体幕墙开口立柱稳定性能试验和计算方法研究[J]．建筑科学，2015，31(3)：25-30．

[9] 惠存，王斌，陶伟，等．基于ABAQUS铝合金开口立柱受力和屈曲分析[J]．建筑结构，2015，45(增刊)：740-743．

[10] GB 50429—2007 铝合金结构设计规范[S]．

EXPERIMENTAL INVESTIGATION AND ANALYSIS ON THE MECHANICAL BEHAVIOR OF UPRIGHT COLUMN WITH DECORATIVE WINGS

Wang Bin1 Zhao Dan1 Hui Cun2 Han Weichi1 Wang Yuanqing3

(1．Jangho Group Company Limited， Beijing 101300， China； 2．School of Architecture and Civil Engineering，Zhongyuan University of Technology， Zhengzhou 450007，China；3．Department of Civil Engineering， Tsinghua University， Beijing 100084， China)

ABSTRACT：Decorative wings have been used widly in the practical engineering. Experimental investigation and analysis on the stress performance of upright column with vertical decorative wings were conducted. The stress of upright column with vertical decorative wings, obtained from traditional calculation method, is much higher than the design strength. This is not coincidental with the practical engineering application. The results from experimental investigation and numerical simulation showed that without considering the support function of the glass panels, the deformation of upright column under lateral load was large, and considering the support function of the glass panels, the deformation of upright column under lateral load decreased obviously. The experimental results coincided well with the finite element analysis results. In practical engineering, upright column, transoms and the glass panels could form a framework with great overall stiffness. Under lateral loads, the decorative wings do not transfer the load to the upright column only, but transfer the load to the whole structure. The overall model should be used in the stress analysis of the upright column with decorative wings.

KEY WORDS：upright column; decorative wings; glass panels; experimental investigation; numerical simulation

*河南省高等学校重点科研项目(17A560013，17A560032)；中国博士后科学基金项目(2015M570998);北京市博士后工作经费资助项目(2015ZZ-150)。

第一作者：王斌，男，1978年出生，高级工程师。

Email：[e-mail]

收稿日期：2016-03-01

DOI：10.13206/j.gjg201610008