鋁單板幕墻的強度計算公式

作者:臨沂鋁單板 發布時間:2020-08-24 17:52:31

鋁單板幕墻是建筑物的外墻圍護結構,鋁板幕墻是目前在幕墻結構中使用較普遍的一種型式,鋁板幕墻以其鋼性好、重量輕、強度高、耐腐蝕性好、工藝性好、施工便捷、可回收利用等各種優良特性,在各類建筑中得到了廣泛的應用。目前,鋁板幕墻中及其連接件的計算方法也日趨成熟,但在實際工程應用中仍存在未解決的問題,因此給幕墻設計者的工作帶來了一定的困難,文中針對鋁單板的強度計算做了相關的研究分析,旨在為幕墻設計者提供參考,為研究探討鋁單板結構計算的相關問題起到拋磚引玉的作用。

1 設計計算條件

計算矩形鋁單板選用工程中常用的 3003 鋁單板,板厚取t=3 mm,參考《規范》附錄 B 表 B.0.1 中鋁單板邊長比的范圍,選取矩形鋁單板邊長比在 0.5-1.0 之間的 5 組數據,取計算面板尺寸分別為 450×900 mm、560×900 mm、680×900 mm、790×900 mm、900×900 mm,根據該尺寸將鋁單板按從小到大的尺寸分別編號為 1-5,組合荷載設計值 q 為 2.8 KN/m 2 ,彈性模量 E=70000 N/mm 2 ,泊松比為 0.33。

根據《規范》第 5.4.4 條的規定:沿板材四周邊緣為簡支邊,中肋支承線為固定邊,在實際工程應用中,四邊支承鋁單板的支承型式如下:A、四邊簡支;B、長邊固定,三邊簡支;C、短邊固定,三邊簡支;D、長對邊固定,短對邊簡支;E、短對邊固定,長對邊簡支;F、三邊固定,短邊簡支;G、三邊固定,長邊簡支;H、兩臨邊固定,兩臨邊簡支;I、四邊固定;J、長對邊簡支,一短邊自由,一短邊固定。

2 鋁單板強度計算

2.1 規范計算

根據《規范》計算矩形鋁單板的強度,鋁單板幾何尺寸及荷載如上文所述,根據《規范》第 5.4.3 條,矩形鋁單板強度按公式1.JPG計算。根據《規范》計算每組鋁單板不同支承型式的最大應力值,如表 2-1 所示。

2.JPG

2.2 靜力手冊計算

根據《靜力手冊》計算矩形鋁單板的強度,根據《靜力手冊》第 5.2 條,可查取各種支承型式鋁單板的彎矩系數,計算鋁單板最大彎矩3.JPG,《靜力手冊》中的彎矩系數是基于彈性薄板小撓度理論假定進行求解所得,因此在考慮大撓度的影響時需對所求應力值乘以折減系數,折減系數按《規范》表 5.4.3 采用,推導出考慮折減系數鋁單板最大應力值計算公式4.JPG,鋁單板幾何尺寸及荷載如上文所述。

根據《靜力手冊》計算每組鋁單板不同支承型式的最大應力值,如表 2-2 所示。

5.JPG

2.3 ANSYS 計算

采用 ANSYS 有限元分析軟件計算矩形鋁單板的強度,用SHELL63 單元模擬鋁單板單元,鋁單板幾何尺寸及荷載如上文所述。邊界條件按如下方式施加約束,固定邊約束 UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ;簡支邊約束 UZ;兩對邊簡支時,一邊約束 UZ,另一邊約束 UX、UY、UZ(Z 為垂直面板方向)。整理鋁單板最大應力結果如表 2-3 所示。

6.JPG

3 結果比較分析

將各種支承型式的計算數據繪制成折線圖,將結果分列于兩個圖表中,如圖 3-1 至 3-2 所示,進而對采用不同計算方法所得每組支撐型式的鋁單板最大應力值進行分析。(圖表中字母代表相應的支撐型式,數字 1、2、3 分別代表根據《規范》、《靜力手冊》,ANSYS 有限元軟件計算的鋁單板最大應力值,橫坐標表示鋁板邊長比,縱坐標表示應力值。)

7.JPG

8.JPG

從上圖中可以看出,對于 A 支承型式,采用不同計算方法得到的結果相差較大,而其他九種支承型式的結果均吻合的較好。

對比《靜力手冊》和《規范》計算的結果:A、B、C、D、E五種支承型式的計算結果相同;對比ANSYS計算的結果和《規范》計算的結果:A 支承型式,鋁單板邊長比接近 0.5 及 1.0時結果較相近,中間部分吻合較差,B、C、D、E 四種支承型式的計算結果較一致,當面板的邊長比接近 1.0 時,ANSYS計算的結果大于《規范》計算的結果,相對差值比的絕對值。在 18% 和 20% 之間;對比 ANSYS 計算的結果和《靜力手冊》計算的結果:A 支承型式吻合較差,其他九種支承型式的計算結果較一致,當面板的邊長比接近 1.0 時,ANSYS 計算的結果均大于《靜力手冊》計算的結果,相對差值比的絕對值在 10% 和 33% 之間。

結論

通過對比分析采用三種方法計算的矩形鋁單板最大應力值,可以得出,對于文中所列出的 B~J 九種支承型式的各組鋁單板,結果吻合較好,建議在計算矩形鋁單板時,對于《規范》中未涉及的支承類型,可以參考《靜力手冊》或者采用ANSYS 有限元分析軟件進行鋁單板計算,由于《靜力手冊》的計算結果比 ANSYS 計算的結果更接近《規范》,因此在設計中應優先選用《靜力手冊》進行鋁單板的強度設計。

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