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关于穿孔铝板幕墙计算的几点探讨

大字小字2017年8月12日

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。玻璃-穿孔铝板双层幕墙应用实例:


图1 合肥工业大学智能制造技术研究院


  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-穿孔铝板 双层幕墙

外层

0.67

-0.47

0

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。


图2 试验模型照片


  (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。风洞模拟的结果见下图:



  试验结论: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。


  ANSYS模型(1200x800mm,3mm厚,面单元Shell163):


      面板变形云图:



  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。


  ANSYS模型(1200x2400mm,3mm厚,面单元):


  面板应力和变形云图:



  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,折算为线荷载为14.2kN/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。


  边X/Y/Z的约束,可以通过具体的节点做法(供参考)来实现:



  注:方案二节点引自墨西哥BBVA银行工程的框架开放式双层幕墙外层穿孔铝板节点。此工程建筑高度234.85m,外层面板用3mm厚菱形穿孔铝板,边长为1.7m,对角线尺寸为2686m*2100m。


  四、本文的局限和不足


  在玻璃-穿孔铝板双层幕墙风荷载取值部分,本文罗列了各国规范及近些年的相关文献和著作,通过归纳、总结和类比的方式,给出了实际工程中玻璃-穿孔铝板幕墙内外层风荷载局部体型系数的建议取值,但是缺乏真正的理论推导和实际的试验数据以及相应的验证方法。


  在针对穿孔铝板计算分析部分,本文通过对比规范公式的计算方法和思路,结合有限元分析的计算结果,给出了有无加强筋两种形式穿孔铝板的计算思路和解决方法。本文所作的一些结论只代表笔者的一家之言,如果有更严谨的理论推导依据和思路,以及相应的试验数据,欢迎大家批评、指正。

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