幕墻點式支承玻璃建筑中金屬連接件的簡化設(shè)計方法

　　雖然這種建筑得到了越來越廣泛的應用,但其中金屬連接件承載能力的計算卻沒有明確的設(shè)計公式,一直以來都是借鑒國外的經(jīng)驗。連接件承載性能的理論、試驗及有限元分析結(jié)果表明[2],試驗與有限元分析的結(jié)果吻合良好,但由于應力集中的影響,通過試驗和有限元分析得到的連接件承載力要比理論分析結(jié)果小。在工程設(shè)計中采用試驗和有限元分析方法來計算連接件的承載力是很困難的,通常都希望能夠給出基于試驗和有限元計算結(jié)果的修正簡化設(shè)計公式。

　　由于目前對連接件承載性能的研究較少,連接件的設(shè)計方法都未能考慮材料特點及相對于玻璃的強度儲備,因此現(xiàn)有的連接件都比較粗大笨重,沒有充分利用材料的力學性能。同時為了達到建筑上的美觀效果,現(xiàn)在的點式支承玻璃結(jié)構(gòu)都希望設(shè)計輕型的柔性支承體系,這就要求連接件的外形也隨之變小,能與支承體系相稱。另外,為降低連接件的重量,還可考慮使用新型合金材料(如鋁合金)制造連接件。以上的分析都表明,對現(xiàn)有的連接件可以做進一步的優(yōu)化,以節(jié)省材料,減輕重量。

　　1　金屬連接件的形式和材料性能

　　金屬連接件由緊固件(扣件)和支承件(爪件)組成。支承件的中部固定在主體結(jié)構(gòu)上,各肢的端部和緊固件的螺桿連接在一起;緊固件的端部則套在玻璃板角點的圓孔內(nèi),起到固定玻璃板的作用。緊固件按照連接方式可分為固接浮頭型、固接沉頭型、鉸接浮頭型和鉸接沉頭型四種。支承件按照形狀可分為X型、H型、I型和圓盤滑動型[3]。本文研究的對象是北京植物園玻璃溫室中應用的典型緊固件和支承件(圖2、圖3)。

2·2　緊固件的簡化設(shè)計方法

　　根據(jù)式(1)和式(2)可以算出緊固件在受拉和受壓情況下屈服時的拉力和壓力(表4)。點式支承玻璃結(jié)構(gòu)中玻璃板的承載性能試驗[4]表明,四邊形雙層玻璃板的破壞荷載約為11·7~17·3kN,平均分布到四個角點約為2·9~4·3kN,四邊形單層玻璃板的破壞荷載約為13·0~20·0kN,平均分布到四個角點約為3·3~5·0kN。因此,緊固件相對于玻璃板的強度儲備是很大的(表4)。

　　1)等比例縮小

　　對于相同形狀的緊固件,受拉和受壓時的應力集中系數(shù)是相同的,因此屈服時拉力和壓力的大小只與緊固件的尺寸有關(guān)。形狀相同、尺寸不同的緊固件屈服時的拉力和壓力的關(guān)系式如下:

　　T1/T2=Ae1/Ae2=η(3
N1/N2=Ae1/Ae2=η2(4

　　式中,η為緊固件間的尺寸比例。從上兩式可見,當緊固件的所有尺寸等比例縮小時,其屈服時的拉力和壓力是按比例的平方縮小的。由于緊固件相對于玻璃板有很大的強度儲備,因此可適當減小緊固件的屈服拉力和壓力,使其相對于玻璃板的強度儲備為1。根據(jù)以上分析,在滿足建筑造型基礎(chǔ)上通過等比例縮小緊固件來減少材料用量的方法是可行的。采用各種緊固件較小的強度儲備值計算得到的縮小比例見表5。但在實際工程中,緊固件的縮小還要考慮玻璃孔的直徑及建筑美學上的要求。

　　2)采用鋁合金材料

　　常用鋁合金材料LD30(CS)的抗拉、抗壓和抗彎強度設(shè)計值均為191·1MPa,重度為27kN/m3。如果緊固件采用這種鋁合金材料,根據(jù)式(1)和式(2)可以得到其屈服時的拉力和壓力及相對于玻璃的強度儲備(表6)。表6表明,采用鋁合金材料時,緊固件的承載力有一定程度的減小,但與玻璃板的強度儲備值仍然大于1,并且其重量僅為相同形狀和尺寸的合金鋼緊固件的34%。見采用鋁合金做緊固件材料是可行的,而且可根據(jù)強度儲備進一步減小尺寸。