摘要：在满足国家幕墙规范和业主要求对幕墙优化的基础上，通过对幕墙铝合金立柱截面结构优化计算，满足国家幕墙规范和该工程的幕墙强度要求，从而节省下来的材料为国家发展更好的经济建设。
关键词：幕墙结构；铝合金立柱；截面；结构优化；强度计算；节省材料
1.前言
我国建筑行业在近些年得到较为快速的发展，特别是幕墙行业的发展，早十年幕墙行业绘图还是人工手画的，当时幕墙还是方方正正的玻璃幕墙，现在幕墙行业全用CAD和BIM来绘图建模，幕墙造型变化万千，人们对玻璃幕墙的要求不仅局限于使用，更深入到装饰艺术性、绿色节能等方面。
特别是玻璃幕墙的广泛使用，需要大量的铝合金立柱做龙骨，现在铝合金立柱设计的合理性和安全性不但被重视，而且铝合金立柱也更加重视二次优化。这就需要我们对铝合金立柱进行准确的结构计算，即保证结构的安全性，也要保证结构的合理性，避免造成不必要的浪费。
通过对工程铝合金立柱的比较分析，对铝合金立柱截面结构优化，以优化后的铝合金立柱进行强度计算，保证结构安全的基础上，选用最合理的铝合金立柱。
2.对铝合金立柱进行比较分析
以勤诚达正大城花园二期（光明新区公明街道元昇厂片区城市更新项目（05、06地块））铝合金门窗、栏杆、百叶工程为例，业主幕墙工程招标，施工单位投标响应业主的招标文件与招标图纸，施工单位根据要求做幕墙的深化设计图。根据业主的结构优化要求；根据招标图纸的幕墙结构计算书，比较分析标准节点的铝合金立柱强度还有多少余量；再根据《JGJ 102-2003 玻璃幕墙工程技术规范》要求铝合金立柱截面主要受力部位的厚度：铝合金立柱型材截面开口部位的厚度不应小于3.0mm，闭口部位的厚度不应小于2.5mm，型材孔壁与螺钉之间直接采用螺纹受力连接时，其局部厚度尚不应小于螺钉的公称直径。
根据以上要求对某工程玻璃幕墙铝合金立柱进行比较分析：
1)分析大样图的分格尺寸，计算优化铝合金立柱提供计算依据。
2)分析标准节点图铝合金立柱的截面厚度是否满足规范，满足规范还有余量，但还要分析计算书是否有余量，如果有余量，可以进行优化计算。
3)比较分析某工程的结构计算书：铝合金立柱抗弯强度计算：抗弯强度校核等于101MPa≤型材的抗弯强度设计值等于150MPa；铝合金立柱挠度计算：实际挠度计算值等于7.28mm≤预选值等于22.5mm；铝合金立柱抗剪计算：立柱最大剪应力15.783MPa≤预选值等于85MPa。从结构计算书比较分析，该标准节点图的铝合金立柱有余量，完全可以优化。
4)综合以上比较分析，绘制了最优化的铝合金立柱截面型材图，对该铝合金立柱进行结构优化计算，最后进行强度核算。
5)铝合金立柱截面型材结构优化图。
3.对铝合金立柱进行结构优化计算
以勤诚达正大城花园二期（光明新区公明街道元昇厂片区城市更新项目（05、06地块））铝合金门窗、栏杆、百叶工程为例，标准节点图的铝合金立柱结构优化计算：
1)找出该工程的基本参数与分析该铝合金立柱的受力模型。
2)铝合金立柱型材选材计算。
3)确定铝合金立柱材料截面参数。
4)选用铝合金立柱型材的截面特性。
5)铝合金立柱的抗弯强度计算（强度的计算过程）。
(1)立柱轴向拉力设计值：
Nk：立柱轴向拉力标准值（N）；
qGAk：幕墙单位面积的自重标准值（MPa）；
A：立柱单元的面积（mm2）；
B：幕墙立柱计算间距（mm）；
L：立柱跨度（mm）；
Nk=qGAkA
=qGAkBL
=0.0005×1200×4500
=2700N
N：立柱轴向拉力设计值（N）；
N=1.2Nk
=1.2×2700
=3240N
(2)抗弯强度校核：
按双跨梁（受拉）立柱强度公式，应满足：
N/An+Mx/γWnx≤fa 上式中：
N：立柱轴力设计值（N）；
Mx：立柱弯矩设计值（N·mm）；
An：立柱净截面面积（mm2）；
Wnx：在弯矩作用方向的净截面抵抗矩（mm3）；
γ：塑性发展系数：
对于冷弯薄壁型钢龙骨，按《冷弯薄壁型钢结构技术规范》GB 50018-2002，取1.00；
对于热轧型钢龙骨，按JGJ102规范，取1.05；
对于铝合金龙骨，按最新《铝合金结构设计规范》GB 50429-2007，取1.00；
fa：型材的抗弯强度设计值，取150MPa；
则：
N/An+Mx/γWnx=3240/1566.947+6714950.625/1.00/55634
=122.766MPa≤150MPa
立柱抗弯强度满足要求。
6)铝合金立柱的挠度计算（强度的计算过程）。
因为惯性矩预选是根据挠度限值计算的，所以只要选择的立柱惯性矩大于预选值，挠度就满足要求：
实际选用的型材惯性矩为：Ix=5187450mm4
预选值为：Ixmin=2600713.771mm4
实际挠度计算值为：
df=λqkL24/24EIx
=0.1471×2.484×40504/24/70000/5187450
=11.28mm
而df，lim=22.5mm
所以，立柱挠度满足规范要求。
7)铝合金立柱的抗剪计算（强度的计算过程）。
校核依据：
τmax≤τa=85MPa（立柱的抗剪强度设计值）
（1）求中支座剪力设计值：
采用Vw+0.5VE组合
Vw1左=-（qL1/2-M1/L1）
=-（3.634×450/2-（-6714950.625/450））
=-15739.762N
Vw1右=qL2/2-M1/L2
=3.634×4050/2-（-6714950.625/4050）
=9016.862N
取V=15739.762N
（2）立柱剪应力：
τmax：立柱最大剪应力（MPa）；
V：立柱所受剪力（N）；
Sx：立柱型材受力面对中性轴的面积矩（mm3）；
Ix：立柱型材截面惯性矩（mm4）；
t：型材截面垂直于X轴腹板的截面总宽度（mm）；
τmax=VSx/Ixt
=15739.762×40603/5187450/6
=20.533MPa
20.533MPa≤85MPa
立柱抗剪强度满足要求。
8)结构优化前节点图。
9)结构优化后节点图。
10)综上所得，结构优化后的铝合金立柱也满足强度计算要求，所以结构优化后的铝合金立柱就是最合理的优化方案。
4.结束语
以上是笔者对幕墙铝合金立柱截面结构优化计算的分析和总结。指出幕墙铝合金立柱的结构优化计算方法，希望能为幕墙设计人员在进行幕墙铝合金立柱截面结构优化计算时提供结构计算分析参考。在实际工程分析中，要采用正确的计算模型，只有这样才能保证设计和计算的合理性和安全性。
参考文献：
[1]龙驭球 包世华，结构力学教程，高等教育出版社，2000
[2]JGJ 102-2003 玻璃幕墙工程技术规范
[3]陈绍蕃 顾强，钢结构基础（第二版），中国建筑工业出版社，2007
[4]GB5009-2001（2012年版），建筑结构荷载规范，中国建筑工业出版社，2006
[5]GB 50018-2002 冷弯薄壁型钢结构技术规范
[6]GB 50429-2007 铝合金结构设计规范
论文作者:康旭
论文发表刊物:《基层建设》2019年第15期
论文发表时间:2019/8/5
标签：立柱论文; 铝合金论文; 幕墙论文; 截面论文; 强度论文; 结构优化论文; 挠度论文; 《基层建设》2019年第15期论文;