浅析幕墙横梁的局部稳定性

    我国现行《玻璃幕墙工程技术规范》（JGJ102-2003）中对金属薄壁梁的局部稳定问题有明确的阐述。在第6.2.1条的条文说明中指出：受弯薄壁金属梁的截面存在局部稳定问题。为防止压应力区域的局部屈曲，通常用下列方法之一加以控制：


    （1） 规定最小壁厚和规定最大宽厚比；


    （2） 对抗压强度设计值或允许应力予以降低。


    现行幕墙规范对横梁的局部稳定性即采用前一种控制方法。


    在工程设计中，为了提高梁的抗弯刚度，常常采用加大板件宽厚比的办法来增加截面的惯性矩，以提高粱的抗弯刚度。但是这样做却带来另一个问题，就是板件有可能在失去整体稳定性之前就产生屈曲变形，使构件失去了局部稳定性。这虽然不像丧失整体稳定性那样使梁立刻失去承载力，但也会降低梁的整体稳定性和刚度，必然会危及梁的使用安全。


    关于梁的最小壁厚，在钢型材及建筑铝型材的相关技术文件中都有明确规定，幕墙设计中要遵照执行。


    关于横梁截面的最大宽厚比问题，技术规程中按受力和支撑状态将截面板件分为自由挑出部位和双侧加劲部位两种情况，在第6.2.1条中用表格形式分别规定了钢型材和建筑铝型材不同部位的宽厚比限值指标，设计中不超过此限值规定即可，无需再进行详细地分析计算，若超过此限值，则需另选截面尺寸，否则可能危及使用安全。


    业内有相当多的工程技术人员对规范中这些限值指标的数据来源、理论根据和分析计算方法不甚明了，这显然不利于技术规范的贯彻执行。


    我们可以将横梁型材板件的受力（包括支撑条件）情况简化为薄板受力问题加以研究，根据弹性力学原理，当薄板同时作用面内荷载与横向荷载时，必须考虑中面力对薄板横向弯曲的影响。如果中面力是压应力，还必须考虑板的局部稳定性问题。


    从支撑状态方面说，对自由挑出部位可看作是三边简支和一边自由，而对双侧加劲部位则可看成是四边简支。


    从受力状态方面说，为简化计算，一般认为在轴心受压条件下，工字形翼缘板是承受沿纵向作用于板件中面的均布压应力，对箱型截面各边都可看作是均匀受压，而对于工字形腹板实际情况是纵向承受不均匀压应力（但为简化计算也常常视为是均匀的）和四周的均布剪应力，是二者的组合作用。


    如果将钢材和建筑铝型材的屈服强度视为板件中面受压的临界应力，将他们各自的相关数据代入上式即可分别得到各种型材板件的宽（高）厚比限值，所得结果与现行玻璃幕墙规范规定的指标基本上是一致的。


    由上述计算过程可看出，如果按弹性条件校核，验算条件较为宽松，宽厚比取值较大；如果既考虑材料残余应力又考虑受力后塑性发展变形对局部稳定性的不利影响，验算条件则比较苛刻，限值较小。显然后一种作法是比较保守的作法，但出于安全考虑也不无道理。如果只考虑材料的残余应力，又允许利用部分塑性发展，在不影响板件强度的条件下，则可取只考虑残余应力宽厚比的限值进行校核。

    需要说明的是，幕墙横梁设计中强度计算所考虑的荷载主要是风荷载、自重、地震作用的组合效应值，因此在校核其局部稳定性时要借助材料力学公式将组合效应值折算成中面压应力。


    应该指出，按上述校核方式得出的宽厚比限值指标只包括板件所受的中面法向力（压应力），对影响中面变形的其它因素（如中面切向力、横向剪力、横向集中力、外界弯矩、扭矩等非中面受压情况）都忽略了，因而不能包括构件局部稳定性计算的全部内容。如果这些非中面受压因素已构成威胁构件局部稳定性的主要因素，用上述方法进行校核则不能正确反映构件受力情况，甚至可能造成错误。这时计算较为复杂，还应查阅相关资料，用有关理论和公式进行详细计算和校核。


　　参考资料：
    1.行业标准《玻璃幕墙工程技术规范》JGJ102-2003。

    2.国家标准《钢结构设计规范》GB50017-2003。

    3.国家标准《铝合金建筑型材》GB5237.1-2004。

    4.《钢结构--原理与设计》，夏志斌、姚谏编著，中国建筑工业出版社，2004年7月第一版。

    5.《弹性理论基础》，陆万明、罗学富，清华大学出版社，施普林格出版社，2001年8月第二版。

    6.《金属与石材幕墙工程实用技术》，张芹、黄拥军主编，机械工业出版社，2005年2月第一版。

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