淺析幕墻橫梁的局部穩(wěn)定性

    我國現(xiàn)行《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（JGJ102-2003）中對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） 對抗壓強度設(shè)計值或允許應(yīng)力予以降低。


    現(xiàn)行幕墻規(guī)范對橫梁的局部穩(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。但是這樣做卻帶來另一個問題，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，但也會降低梁的整體穩(wěn)定性和剛度，必然會危及梁的使用安全。


    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)計中要遵照執(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)計中不超過此限值規(guī)定即可，無需再進行詳細地分析計算，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)人員對規(guī)范中這些限值指標(biāo)的數(shù)據(jù)來源、理論根據(jù)和分析計算方法不甚明了，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)薄板同時作用面內(nèi)荷載與橫向荷載時，必須考慮中面力對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，對自由挑出部位可看作是三邊簡支和一邊自由，而對雙側(cè)加勁部位則可看成是四邊簡支。


    從受力狀態(tài)方面說，為簡化計算，一般認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壓應(yīng)力，對箱型截面各邊都可看作是均勻受壓，而對于工字形腹板實際情況是縱向承受不均勻壓應(yīng)力（但為簡化計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。


    由上述計算過程可看出，如果按彈性條件校核，驗算條件較為寬松，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)展變形對局部穩(wěn)定性的不利影響，驗算條件則比較苛刻，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，在不影響板件強度的條件下，則可取只考慮殘余應(yīng)力寬厚比的限值進行校核。

    需要說明的是，幕墻橫梁設(shè)計中強度計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)定性計算的全部內(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，用上述方法進行校核則不能正確反映構(gòu)件受力情況，甚至可能造成錯誤。這時計算較為復(fù)雜，還應(yīng)查閱相關(guān)資料，用有關(guān)理論和公式進行詳細計算和校核。


　　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.國家標(biāo)準(zhǔn)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》GB50017-2003。

    3.國家標(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》，夏志斌、姚諫編著，中國建筑工業(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用技術(shù)》，張芹、黃擁軍主編，機械工業(yè)出版社，2005年2月第一版。

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