幕墻點(diǎn)式支承玻璃建筑中金屬連接件的簡化設(shè)計方法

點(diǎn)式支承玻璃建筑是一種新型的建筑形式(圖1),它把玻璃和建筑的主體結(jié)構(gòu)通過金屬連接件組合在一起,共同承受外荷載作用[1]。

　　雖然這種建筑得到了越來越廣泛的應(yīng)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(yīng)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(diǎn)及相對于玻璃的強(qiáng)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(xué)性能。同時為了達(dá)到建筑上的美觀效果,現(xiàn)在的點(diǎn)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(jìn)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(diǎn)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(yīng)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn)約為3·3~5·0kN。因此,緊固件相對于玻璃板的強(qiáng)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(yīng)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(dāng)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(qiáng)度儲備,因此可適當(dāng)減小緊固件的屈服拉力和壓力,使其相對于玻璃板的強(qiáng)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(qiáng)度儲備值計算得到的縮小比例見表5。但在實(shí)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(xué)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度儲備進(jìn)一步減小尺寸。