玻璃幕墙横梁在玻璃重力作用下的变形研究

玻璃幕墙横梁在玻璃重力作用下的变形研究

黄永杭

黄永杭

广州铝质装饰工程有限公司广州510000

摘要：当前，建筑师在进行外立面设计时，越来越热衷于将玻璃分格往更大的方向设计。在这样的建筑设计趋势下，单一玻璃板块的自重越来越大，在进行幕墙构造设计时，玻璃重力作用下的横梁扭转变形成为一个不可忽略的考虑因素。本文将借助ANSYS有限元分析软件，对玻璃重力作用下的幕墙横梁变形进行分析研究。

关键词：玻璃幕墙；横梁；变形

0引言

横梁设计时，其挠度控制指标是：在风荷载和地震荷载组合作用下的水平挠度，以及玻璃重力作用下的垂直挠度。在进行横梁的挠度校核时，为了方便计算，幕墙工程师基本都将横梁简化为简支梁进行校核。而实际工程中，基本上所有的玻璃幕墙系统，玻璃重力的作用点与横梁截面的几何形心都存在一定的偏心（如图1），所以，实际上横梁在玻璃重力作用下，除了弯曲变形，还有一定的扭转变形。用简化模型校核横梁在玻璃重力作用下的挠度，是不严谨的。特别是在当前这种玻璃分格越来越大的建筑设计趋势下，单一玻璃板块的自重越来越大，横梁在玻璃重力作用下的扭转变形必须在横梁设计时充分考虑并进行相应的变形控制。

对幕墙横梁在玻璃重力作用下的变形量进行控制，其意义是保证幕墙系统的视观效果和保证幕墙的使用功能。倘若横梁变形过大，不仅影响幕墙的观感，还会影响幕墙开启扇的正常开合。所以，在进行幕墙构造设计时，准确地分析、计算幕墙横梁在玻璃重力作用下的变形情况，并把横梁的变形量控制在合理的范围，十分重要。

本文将通过对简化模型计算得出的横梁变形量与ANSYS建模分析得出的横梁变形量进行分析比较，为幕墙工程师在进行横梁设计时提供一个有价值的参考。

图1横梁受力示意图图2横梁立柱连接构造示意图

1计算条件

本文选用一种使用比较普遍的横梁连接构造进行分析研究（如图2）。

铝合金横梁设计有C型槽口，预先将连接码插入固定到横梁的C型槽口内，横梁安装时，将连接码通过两个螺栓固定在立柱上，即完成了横梁与立柱的连接。横梁上方放置两个玻璃垫块，玻璃重力通过玻璃垫块传递到横梁上。

横梁长度：L=1500mm；

横梁上分格高度：H=3000mm；

玻璃重力荷载：GK=624N/㎡；

横梁材质：6063-T5；

横梁材料弹性模量：E=70000MPa；

横梁截面惯性矩：I=382330mm4；

玻璃垫块中心到横梁端部距离：d=225mm；

玻璃垫块长度：L1=150mm；

玻璃垫块宽度：W1=28mm；

2简化模型横梁变形计算

横梁受力分析：玻璃重力通过两个玻璃垫块传递到横梁上，简化模型时，将横梁视为简支梁，将玻璃重力视为作用于简支梁上的两个集中力，其受力模型（图3）、弯矩图（图4）分别如下：

图3横梁简化受力模型

图4弯矩图

横梁单点集中力：P=L×H×GK=1.5×3×624/2=1404N

横梁在玻璃重力作用下的弯矩值：M=P×d=1404×225=315900N·mm

横梁在玻璃重力作用下的挠度值：dfz1=P×d×L2×（3-4（d/L）2）/（24×E×I）=1404×225×15002×（3-4×（225/1500）2）/24/70000/1566280=3.22mm

3ANSYS有限元横梁变形计算

ANSYS计算模型约束设置：角码螺栓孔设置为固定约束；

ANSYS计算模型构件间接触设置：角码插入横梁C型槽口部分与横梁C型槽口设置为无摩擦接触、

玻璃垫块与横梁设置为绑定约束；

荷载设置：玻璃重力荷载以均布荷载的形式作用于玻璃垫块平面上，

均布荷载值：Pk=P/L1/W1=1404/150/28=0.33Mpa；

分析结果：横梁最大变形处出现在跨中位置的横梁前端（见下图5），变形量dfmax为3.76mm，

跨中位置截面形心处的变形量dfz2为3.21mm。

图5横梁变形云图

4计算结果比较分析

从上面的计算分析结果可以看出，简化模型计算得出的横梁变形量dfz1与ANSYS建模分析得出的横梁截面形心处的变形量dfz2是十分接近的，可见，计算模型的建立是准确的，因为根据理论力学，简化模型的挠度正是横梁截面形心的挠度。

ANSYS建模分析得出的横梁最大变形出现在横梁跨中截面处前端，比形心处的变形量大，可见，横梁在玻璃重力作用下，除了发生弯曲变形，还因为自重作用点偏移横梁截面形心而发生了绕形心的扭转变形，导致横梁跨中截面前端变形量比形心处变形量大。

利用计算结果进一步分析，横梁截面形心与截面最前端的距离e为60.73mm，横梁截面形心处的变形变形量dfz2为3.21mm，横梁截面最前端的变形量dfmax为3.76mm，通过三角函数关系可以推算，横梁截面绕形心顺时针扭转了0.52°。

5结论

由于玻璃重力的作用点与横梁截面的几何形心存在一定的偏心量，所以，横梁在玻璃重力作用下不仅发生了弯曲变形，还发生了扭转变形。弯扭组合变形导致横梁实际的最大变形量，会比简化模型计算得出的变形量略大。所以，幕墙工程师在用简化模型校核横梁在玻璃重力作用下的变形时，应当给予适当的计算余量。特别地，当玻璃板块尺寸较大，或者玻璃重力作用点与横梁型材截面形心有较大偏心时，应该通过更严谨的计算方式，校核横梁的实际变形量。

参考文献：

[1]玻璃幕墙工程技术规范：JGJ102-2003[S].北京：中国建筑工业出版社，2003.

[2]禹奇才，张亚芳.工程力学-理论力学部分[M].广州：华南理工大学出版社，2002.

[3]刘峰，禹奇才.工程力学-材料力学部分[M].广州：华南理工大学出版社，2002.