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单元式幕墙飞翼外挑横梁结构设计

近年来，幕墙结构越来越多样化。苏州中心幕墙工程单元式幕墙飞翼涉及到带外挑的横梁，而且由于有竖向立柱有一部分力传递到横梁上，导致横梁要承受立柱传递的力是有一个偏心扭矩的产生，从而导致此位置横梁受力相当复杂。本项目采用ANSYS建立外挑梁的模型。单元采用shell181.可以模拟梁的宽度，从而使得梁可以承受立柱传递的偏心剪力。
关键词： 幕墙 外挑梁 抗扭 ANSYS

我公司承建的苏州中心H地块项目的3栋和4栋。建筑高度166米。该项目幕墙系统繁多，其中单元式幕墙部分由于边角造型要求幕墙单元伸出1.2米。正常做法导致幕墙无处生根，因此必须把外挑部分与相邻单元板块做成一个整体。使得外挑板块承受荷载。第二个问题是此处外挑板块只有横梁能连接到主体结构上，因此，外挑单元位置受力需要把立柱所受荷载传递到横梁上去，从而导致此处受力不同于常规幕墙。因此对横梁的强度要求就比较高，考虑单元式横梁一般都比较大，决定对此处位置横梁进行加强，考虑到钢铝结合比较笨重，而且连接一般都是焊接，所以决定采用铝套芯对横梁进行加强，并采用ANSYS对中横梁进行建模计算，验证铝套芯加强后的横梁可靠性。
横梁结构计算
基本信息：风压风荷载： 0.45kN/m2
地面粗糙度：B类
标高：123.00 m,
板块分格：横梁尺寸1500mm，详见下图。

1.单元幕墙中横梁SZH05 (材质6063-T6)计算：
横梁受荷面积： S=（3.05+1.35）/2×2.70 =3.3 m2
风荷载标准值：Wk=2.42 N/m2
风荷载设计值：W=1.4×2420＝3388 N/m2
幕墙采用8(超白半钢化)+1.52PVB+6(半钢化)+12A+8（全钢化）夹胶中空玻璃，自重标准值按0.6 kN/m2。
板块地震作用标准值：qek=5×0.08×0.6=0.24 kN/m2
地震作用设计值： qe=1.3×qek=1.3×0.24=0.312 kN/m2
S=3.388+0.5×0.312=3.544 kN/m2 (用于强度计算)
S.=2.420+0.5×0.24=2.540 kN/m2 (用于挠度计算)
2) 幕墙中横梁SZH05 (材质6063-T6)计算：

SZH05截面图
横梁SZH05截面特性：

（1）荷载及弯矩计算：
受荷宽度：l0=1.500 m 高度： H1=1.35 m H2=3.05 m
线荷载为：qy1= S×h1/2=3.544×1.35/2=2.392 kN/m (梯形荷载)
qy1,=S,×1/2=2.540×1.35/2=1.715 kN/m (梯形荷载)
qy2= S×l0/2=3.544×1.20/2=2.126 kN/m (三角形荷载)
qy2= S×l0/2=2.540×1.20/2=1.524 kN/m (三角形荷载)
竖直集中荷载： qx =(1.2×0.6h1)l0/2=(0.72×1.35)×1.50/2=0.729 kN
qx=(1.0×0.6h1)l0/2=(0.60×1.35)×1.50/2=0.607 kN
二.
受荷宽度：l0=1.200 m 高度： H1=1.35 m H2=3.05 m
线荷载为：qy1= S×h1/2=3.544×1.35/2=2.392 kN/m (梯形荷载)
qy1=S×1/2=2.540×1.35/2=1.715 kN/m (梯形荷载)
qy2= S×l0/2=3.544×1.20/2=2.126 kN/m (梯形荷载)
qy2= S×l0/2=2.540×1.20/2=1.524 kN/m (梯形荷载)
竖直集中荷载：qx =(1.2×0.6h1)l0/2=(0.72×1.35)×1.20/2=0.583 kN
qx=(1.0×0.6h1)l0/2=(0.60×1.35)×1.20/2=0.486 kN
边部风荷载集中力：
N=3.544×4.40×1.20/2=9.4 KN 自重为0.24 KN
N,=2.544×4.40×1.20/2=6.7 KN
（2）强度计算：
横梁的受力模型为连续梁 ，玻璃垫块距竖向立柱300 mm
此处横梁与立柱主要同单元式玻璃幕墙部分，，此处为立柱与横梁转接位置，需建立整体模型。
此处节点为之上下立柱受力为：由下部立柱计算的最不利位置标准值为：
WK=2.42 N/m2
N=3.544×（3.05×0.75-0.75×0.75+3.05×0.60-0.6×0.6）/2=5.66KN,
V=2.0 KN,
1.35M处立柱支座受力为：
N=3.544×（0.675×0.675+1.35×0.60-0.6×0.6）/2=1.6 KN
所以上立柱位置每个螺栓位置受力为：N=1.6/4=0.400 KN
下立柱位置每个螺栓位置受力为：N=5.66/3=1.887 KN
下立柱每个螺栓位置自重为V=2.0/3=0.667 KN
中横梁受力同上，受力模型如下;

连接模型图
模型说明：正常情况下，单元式横梁一般采用梁单元例如：beam188。而且量单元188本身也能模拟量的扭转，鉴于本工程支座位置比较复杂，同时考虑shell181单元能更精确的模拟出外挑梁局部扭转位置的受力情况。本例以SHELL181建立主横梁，在交接位置插接一通常铝合金套芯，套芯与横梁相互之间铰接，横梁与立柱连接为之通过三根不锈钢螺栓连接，不锈钢螺栓与上部钢套芯连接，上部螺栓垫片与套芯焊接，螺栓与钢板连接采用铰接连接。
经计算，其强度为：

中横梁强度图
去除倒角位置的节点应力集中位置 ：
σ=118.0 N/mm2 <150.0 N/mm2局部承压：σ=151.0 N/mm2 <161.0 N/mm2
满足受力要求。其中150.0 N/mm2为6063-T6型材的强度设计值。

中横梁套芯强度图
去除倒角位置的节点应力集中位置 ：
σ=107.9 N/mm2 <150.0 N/mm2局部承压：σ=138.5 N/mm2 <161.0 N/mm2

中横梁连接钢板强度图
去除倒角位置的节点应力集中位置 ：
σ=118.1 N/mm2 <215.0 N/mm2
满足受力要求。其中215.0 N/mm2为Q235型材的强度设计值。
此处为强度验算，由于采用shell单元，其在连接位置容易出现应力较大的集中现象，实际情况中，横梁楷模必然会倒圆角，因此对于横梁集中位置强度验算的时候，应该去掉直角位置应力集中的地方，本工程把直角应力位置的强度控制在型材局部承压强度值以下。综合以上两点，横梁强度满足要求
（3）挠度计算：
在自重作用横梁SZH05共同受力，其受力模型为两端受集中力的简支梁 ，玻璃垫块距竖向立柱300 mm。

自重荷载受力模型图

自重荷载作用下挠度图
挠度为DF=0.9 MM＜1200/500=2.4MM＜3.0MM ,挠度满足要求。
在风荷载作用中横梁，受力模型为受均布荷载的外挑简支梁

风荷载受力模型图

风荷载作用下挠度图
挠度为DF=8.3 MM＜1200/90=13.3 MM ,挠度满足要求。
经计算，横梁外挑的情况下，在自重的作用下，挠度控制在了1mm，自重长期作用在横梁上，因此1mm的挠度也是可以满足使用要求的。在风荷载作用下 挠度控制在8mm左右。满足行业要求。所以我公司所设计的方式是可以满足要求的。其强度和挠度都在可控范围之内，也得到了相关同行的认可。
结论：经计算，可知外挑横梁在插套芯的共同作用下是可以满足要求的。主要是考虑外挑梁在自重荷载的长期作用下的安全性。所以把横梁做的比较强。此处立柱传递的力主要通过螺栓传递到制作上，还有就是后面的支座抗扭。这会对横梁支座提高要求。但是此横梁为特殊位置，受力较大，可以特殊处理。