1、鋼鋁組合截面桿件的設(shè)計閉思廉 李 碩 龔沁華深圳中航幕墻工程有限公司 深圳市皇城廣場1804室 518045摘要 鋼鋁組合截面是工程中經(jīng)常應(yīng)用的一種截面形式。本文對鋼鋁組合截面的截面特性計算以及截面驗(yàn)算進(jìn)行簡略的介紹。關(guān)鍵詞 鋼鋁組合截面，鋼鋁疊合截面一引言在幕墻支承結(jié)構(gòu)和鋁合金門窗骨架設(shè)計中，為了節(jié)省鋁合金用量、降低成本，往往采用鋼、鋁組合截面的桿件，外露部分采用鋁合金型材，隱蔽部分亦即主要受力部分采用鋼型材，這樣，即達(dá)到了外表美觀靚麗、截面小巧而承載能力高、造價又低廉的目的。另外，在幕墻加固工程中，鋼鋁組合截面也時有應(yīng)用。鋼、鋁組合截面的形式，一般常用的不外乎如圖 1所示的兩種。其中 a所

2、示的是將鋼型材川入鋁合金型材的腔內(nèi)；而 b所示是鋼、鋁合金型材并列，二者截面一般有一個共同的對稱軸。對于這兩種截面形式，視鋼、鋁型材的組合方式，又可分為疊合式和組合式兩種。所謂疊合式，即鋼、鋁型材之間不加連接，僅僅從構(gòu)造上能保證二者同時受力即可；而組合式和疊合式不同，它是在鋼、鋁型材之間用物理的或化學(xué)的方法將二者緊密相連的組合形式。由于這兩種截面的組合方式不同，所以在受力后的表現(xiàn)也不同，設(shè)計計算方法也完全不同，下面分別予以介紹。 圖 1二疊合式截面桿件的設(shè)計如圖 2所示疊合式截面桿，當(dāng)其在橫向力作用下受彎時，桿件將發(fā)生彎曲變形。由于鋼、鋁型材之間不加連接，因此，在二者接觸面間無任何約束（忽略摩

3、擦），當(dāng)桿件發(fā)生彎曲變形時，在接觸面間，二者會產(chǎn)生相互錯動，受荷前在同一豎向截面內(nèi)的abcd亦不在同一截面了，可見，此時的受彎桿件，已不符合“平截面的假定”條件，因此，二者已不能按一體進(jìn)行計算了。考慮到鋼、鋁型材受荷后，截面未脫開，二者有著共同的邊界約束條件，在正常受力情況下，變形在彈性范圍內(nèi)，因此二者各自沿自身截面中和軸產(chǎn)生撓曲，且，二者產(chǎn)生的撓度相等。所以： = 亦即，二者分配的荷載與其剛度成正比，于是有： ql=；qg=若以內(nèi)力的形式來表達(dá)，亦可寫成如下的形式： Ml=；Mg= Nl=；Ng=其中：M， N-總彎矩，總軸力 圖 2Ml，Nl-鋁合金型材分配的彎矩，軸力Mg，Ng-鋼型材分

4、配的彎矩，軸力Al，Ag-鋁合金型材截面面積，鋼型材截面面積據(jù)此即可對疊合式截面桿件進(jìn)行設(shè)計了。三組合式截面桿件的設(shè)計：當(dāng)在鋁合金型材和鋼型材接合面處設(shè)置抗剪連接件，以約束在桿件受力變形時發(fā)生沿接合面的相互錯動，則二者相當(dāng)于一體一樣。如圖 3, 當(dāng)其在橫向力作用下受彎時，桿件將發(fā)生彎曲變形，受荷前在同一豎向截面內(nèi)的abcd，彎曲后截面雖然隨之發(fā)生偏轉(zhuǎn)，但仍然保持在同一平面內(nèi)。可見，此時的受彎桿件，符合“平截面的假定”條件，因此，二者已不是分別沿自身截面中和軸產(chǎn)生撓曲，而是沿統(tǒng)一的中和軸產(chǎn)生撓曲了，故，應(yīng)該按組合截面進(jìn)行計算。1.組合截面幾何參數(shù)的計算：由于鋁合金型材和鋼型材的物理力學(xué)性能不同，

5、因此二者的組合不能是二者截面幾何圖形的簡單的組合，而必須考慮二者彈性模量的不同。如圖 4所示截面，鋁合金型材和鋼型材有一共同的形心軸 y，則組合截面的形心必在此軸上。設(shè)鋁合金型材的截面積為Al0，對自身形心軸的慣性矩為Ilx0、 圖 3Ily0；鋼型材的截面積為Ag0，對自身形心軸的慣性矩為Igx0、Igy0。鋁合金型材和鋼型材彈性模量之比為 E= (1). 組合截面面積:當(dāng)按鋼、鋁分別換算時： Ag= Ag0+EAl0；Al= (2). 組合截面形心座標(biāo)：設(shè)其座標(biāo)為(x0,y0)，已知 圖 4x0=0, 現(xiàn)求y0。設(shè)鋼、鋁截面形心距為 h0，則組合截面形心至鋁截面形心的距離：當(dāng)按鋼、鋁分別換

6、算時： yg0=；yl0= (3). 組合截面慣性矩: 當(dāng)按鋼、鋁分別換算時： Igx =；Igy = Ilx= ；Ily =(4). 組合截面抵抗矩: 設(shè)鋁合金截面最外緣至組合截面形心軸的距離為hl，鋼截面最外緣至組合截面形心軸的距離為hg，則截面抵抗矩：當(dāng)按鋼、鋁分別換算時： Wgx=；Wlx=同理可求Wgy 、Wly。(5). 組合截面回轉(zhuǎn)半徑：當(dāng)按鋼、鋁分別換算時： rgx=；rlx=同理可求rgy 、rly。2. 組合截面的驗(yàn)算：在已知內(nèi)力和求得組合截面幾何參數(shù)后，便可按一般截面的驗(yàn)算方法一樣對組合截面進(jìn)行驗(yàn)算了。但，這里必須指出，對組合截面驗(yàn)算時，要針對鋁合金截面部分和鋼截面部分分

7、別進(jìn)行驗(yàn)算，且，各自驗(yàn)算時要用換算成各自材料的截面幾何參數(shù)。此外，由于鋁合金截面部分和鋼截面部分的局部壁厚可能均較薄，因此，截面的局部穩(wěn)定應(yīng)予驗(yàn)算，要分別控制在各自允許的寬厚比之內(nèi)。鋁合金截面允許的寬厚比：截面自由挑出部分：15截面雙邊支承板件：30鋼截面允許的寬厚比：截面自由挑出部分：截面雙邊支承板件：其中： 為鋼材的屈服點(diǎn)3. 抗剪連接件的計算：設(shè)鋁合金截面對組合截面形心軸的靜面矩為Slx，組合截面按鋁合金換算時的慣性矩為Ilx，鋼、鋁截面間抗剪連接件的縱向的距離為 l1, 同一截面處有 n個抗剪連接件，當(dāng)組合截面桿在驗(yàn)算段的剪力為 V時，則，每個抗剪連接件承受的剪力為1：V1=其中：要求

8、：V1VH其中：VH- 抗剪連接件的設(shè)計承剪力對于沿桿件長度剪力分布不等時，允許抗剪連接件按不等距布置。這里特別指出，由于鋼鋁的熱膨脹系數(shù)不同，在溫度發(fā)生變化時，抗剪連接件要承受很大的溫度應(yīng)力，因此對于環(huán)境溫度變化較大的場合應(yīng)慎用。參考資料： 單輝祖等主編.材料力學(xué).第二版.國防工業(yè)出版社.1986年6月.188頁關(guān)于夾層玻璃板的受彎計算李 少 甫(清華大學(xué)建筑玻璃與金屬結(jié)構(gòu)研究所 北京 100084)摘 要：文章闡述了夾層玻璃板受彎工作的特點(diǎn)。給出了它在受彎工作下的受力分析及其計算方法。討論了它的受彎設(shè)計的一些問題。關(guān)鍵詞：夾層玻璃 抗彎設(shè)計On the Calculation of PVB

9、-Layered-Glass Panel under Bending MomentLi Shao Fu(Institute of Glass and metal for architecture,Tsinghua University, Beijing 100084) Abstract The mechanical features of PVB-Layered-Glass Panel under Bending Momentare expounded. The Analysis and Calculation Method are Suggested. Some problems for t

10、he design of PVB-layered-glass panel under bending moment are discussed.Key Words PVB-layered-glass design for resistance bending一、 引言夾層玻璃板是由兩片或數(shù)片玻璃其間夾粘聚乙烯醇縮丁醛（PVB）膠片或灌注以特配的粘接劑的一種玻璃板。夾層的厚度一般為0.38或0.76mm。由于夾層的存在，它有較強(qiáng)的抗意外撞擊穿透能力，并可減少玻璃破碎掉落的危險，因此常作為安全玻璃應(yīng)用。這種玻璃是一種復(fù)合材板，其受力分析和強(qiáng)度及剛度計算原理雖不復(fù)雜，但工程設(shè)計時，如采用精確方法多有

11、不便。目前我國玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范（JGJ 102-96）1在其抗彎設(shè)計時，規(guī)定用其單片玻璃厚度的1.25倍的等效厚度的玻璃板進(jìn)行其受力分析和強(qiáng)度計算；當(dāng)兩片玻璃厚度不等時，其等效厚度的取值方法尚未明確規(guī)定。本文就這些問題給予了探討和必要的論證。二、 夾層玻璃板受彎時的工作狀態(tài)夾層玻璃板受彎時可能有以下兩種工作狀態(tài)：（1） 膠有足夠的粘結(jié)強(qiáng)度，可保證粘結(jié)玻璃的協(xié)調(diào)共同工作；（2） 膠的粘結(jié)強(qiáng)度不足或失效，不能考慮其參與玻璃板的共同受力。對第一種工作狀態(tài)下的夾層玻璃，可視其為以膠為粘結(jié)夾層的復(fù)合玻璃板。夾膠的厚度較小,通常僅0.38-1.52mm3,約為其粘結(jié)玻璃板厚度的1/10。為工程設(shè)計安全

12、和簡便，如忽略該夾膠層的厚度，則此夾層玻璃板可按一整塊，厚度為各層玻璃厚度之和的玻璃，進(jìn)行應(yīng)力分析和強(qiáng)度計算。對第二種工作狀態(tài)下的夾層玻璃，當(dāng)其夾膠粘結(jié)強(qiáng)度較低或某種原因失效，即在其玻璃整體受彎強(qiáng)度破壞前其粘結(jié)剪力已不足或遭破壞，并忽略該夾膠層抗彎貢獻(xiàn)，則可按一塊各片疊置的玻璃板的受彎工作，進(jìn)行應(yīng)力分析和強(qiáng)度計算。三、 夾層玻璃受彎協(xié)調(diào)共同工作的必要條件 夾層玻璃受彎協(xié)調(diào)共同工作的必要條件是，使其夾膠的抗剪承載力大于其玻璃的抗彎承載力。如該夾層玻璃為兩片厚度相等的玻璃板組成并為矩形板，則有：四邊簡支矩形玻璃板在垂直板面均布荷載下玻璃的抗彎強(qiáng)度計算表達(dá)式為：其抗彎承載能力為：四邊簡支矩形玻璃板在

13、垂直板面均布荷載下夾膠的抗剪強(qiáng)度計算表達(dá)式為：其抗剪承載能力為:由式（2）/（4）得出二者承載能力之比為：上式中：b，s-分別為垂直玻璃板面的抗彎和抗剪均布荷載； a，t-分別為兩片夾層玻璃板的寬度（短邊）和單片玻璃板的厚度；fg, fp -分別為玻璃的抗彎強(qiáng)度和夾膠的抗剪強(qiáng)度；式（5）可作為該夾層玻璃受工作狀態(tài)的判別式：即當(dāng)1，則雙層玻璃協(xié)調(diào)共同工作，可將它視作厚度為兩片厚度和的單一玻璃板進(jìn)行計算；當(dāng)>1，則不能考慮其協(xié)調(diào)共同工作，只能視其為兩片單獨(dú)疊置的玻璃板進(jìn)行計算。如果取t/a=1/300和ab=0.33，并1，則有：fpfg,4×0.118×300fg/14

14、2 (6)它表明玻璃板受彎破壞前仍能協(xié)調(diào)共同工作，且其單位寬度的截面抵抗矩應(yīng)為W=(2t2)/6=4t2/6=t2eq/6 (7)亦即可按等效厚度teq=2t計算玻璃的抗彎強(qiáng)度和剛度。此時該夾層玻璃的抗彎承載力為單片玻璃的4倍；剛度為單片玻璃的23=8倍。若是按兩片等厚度的單獨(dú)疊置的玻璃板進(jìn)行強(qiáng)度計算時,其抗彎承載力和剛度僅為單片玻璃的2倍。 如果夾膠的抗剪粘結(jié)強(qiáng)度較低，即fp <fg/142, 可用控制玻璃的最大彎曲應(yīng)力限值的方法，由式（5）可導(dǎo)出仍視其兩片玻璃能協(xié)調(diào)共同工作的表達(dá)式。為此，令 fg，并取<1則有： fg,< 4a fp /t 或 4a fp /t (8)需

15、要指出的是：當(dāng)為兩片不等厚時，其協(xié)同工作條件的結(jié)論是保守的；當(dāng)為多片玻璃的夾層玻璃時，以上推導(dǎo)的具體結(jié)論將不再適用。但是仍可根據(jù)各片玻璃受彎曲率相同和夾膠的抗剪承載力是否大于其玻璃的抗彎承載力的準(zhǔn)則，導(dǎo)出其協(xié)調(diào)工作的條件，以判斷夾層玻璃的協(xié)調(diào)共同工作狀態(tài)和進(jìn)行其強(qiáng)度計算。四、兩片疊置玻璃板受彎工作的受力分析和強(qiáng)度計算1, 兩片疊置玻璃板受彎工作的受力分析由彈性力學(xué)理論，平板在垂直于板面均布荷載q作用下的平衡微分方程為：式中：D=Et3/12(1-2)為板的柱面剛度，E為玻璃的彈性模量，為其波松比。兩片疊置玻璃板在垂直于其板面均布荷載q作用下，雖然各自彎曲，但是其曲率和撓度相同。設(shè)上、下兩片玻璃

16、板的厚度各為t1，,t2；其柱面剛度分別為D1，D2；所受荷載分別為q1和q2,則有以下關(guān)系式（10）和式（11）：引入關(guān)系（10）（10）+（11），并化簡可得：將D1=Et1312(1-2)和D2= Et2312(1-2)代入式(12)則有:同理，引入關(guān)系（11）/（10）+（11），并化簡可得：將D1=Et1312(1-2)和D2= Et2312(1-2)代入式(14)則有:2, 兩片疊置玻璃板受彎工作的強(qiáng)度計算當(dāng)求得兩片玻璃板所受荷載q1, q2 后，即可按以下方法分別計算其強(qiáng)度：式中：fg1,fg2分別為t1,t2厚度的玻璃板材料的強(qiáng)度設(shè)計值。比較式（16）和（17），如果兩片玻璃的

17、強(qiáng)度設(shè)計值相同，即fg1=fg2 則較厚玻璃板的彎曲應(yīng)力較大，是控制夾層玻璃設(shè)計厚度的關(guān)鍵。當(dāng)fg1=fg2=fg, 并令=t2/t11 ,取夾層玻璃等效設(shè)計厚度為teq1，則其強(qiáng)度計算的表達(dá)式為：其中：teq1=t1(1+3)0.5玻璃板的等效厚度，可由式（16）與式（18）比較得出；q垂直于玻璃板面的總均布荷載；fg玻璃板材料的強(qiáng)度設(shè)計值。如取=t eq1 / t1=(1+3)0.5，稱夾層玻璃抗彎等效厚度系數(shù)；和=/（1+），稱夾層玻璃的材料利用系數(shù)，則不等厚度比時，和的值如表-1。 厚度系數(shù)和材料利用系數(shù) 表-1 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.06 1.102 1

18、.158 1.229 1.314 1.414 0.706 0.689 0.681 0.682 0.691 0.707 由表-1可知：= t2/t1=1.0時，和最大，表明該夾層玻璃的抗彎能力有 最高，且其材料利用也最充分；0.8時，1.2291.25，這表明采用單片玻璃厚度的1。25倍作為計算夾層玻璃的抗彎強(qiáng)度是不夠安全的。3，兩片疊置玻璃板受彎工作的撓度計算因兩片疊置玻璃板受彎工作時協(xié)調(diào)變形，即各片玻璃的曲率相同，故可按板厚為t1 或 t2 的單片玻璃板，在荷載q1或q2作用下，分別計算其撓度。也可按該夾層玻璃所受總荷載q,用兩片玻璃的柱面剛度和D=D1+D2或等效厚度teq2=( t13+

19、t23)1/3進(jìn)行計算。五、結(jié)束語通過以上分析可以看出：1 總厚度相同，當(dāng)各片玻璃能協(xié)調(diào)工作，即其夾膠的抗剪承載力大于其玻璃的抗彎承載力的夾層玻璃，比其各片玻璃疊置不能協(xié)調(diào)工作，即其膠的抗剪承載力很低或失效的夾層玻璃的抗彎承載能力強(qiáng)，剛度大；2 兩片玻璃厚度相等，比厚度不相等而總厚度相等（t1+ t2 = 2t）互相疊置的夾層玻璃的抗彎承載能力高，材料利用充分。3 實(shí)際工程中，常偏安全地不考慮夾膠具有足夠抗剪承載力，而按疊置的夾層玻璃，用玻璃板所受總荷載，分別按式（16）和（17）計算其抗彎強(qiáng)度；也可采用等效厚度teq1，按式（18）計算。但是撓度計算時，需用兩片玻璃的柱面剛度和D=D1+D2

20、或等效厚度teq2=( t13+t23)1/3進(jìn)行分析。也可按板厚為t1 或 t2 的單片玻璃板，在荷載q1或q2作用下，分別計算其撓度。需要指出的是，以上關(guān)于夾層玻璃的抗彎強(qiáng)度和剛度計算，均未計及夾膠層的供獻(xiàn)，實(shí)際承載力理應(yīng)更高，剛度更大，但需要進(jìn)一步研究和試驗(yàn)驗(yàn)證, 方可應(yīng)用于實(shí)際工程。六、參考文獻(xiàn)1 中華人民共和國行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范，（JGJ 102-96），中國建筑工業(yè)出版社，1996。2 陳建東等，玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范應(yīng)用手冊，中國建筑工業(yè)出版社，1996。3 劉忠偉、馬眷榮等，建筑玻璃應(yīng)用技術(shù)，1997。中空玻璃密封膠概述引言了解中空玻璃膠的特點(diǎn)和中空玻璃的構(gòu)造，對正確

21、選擇中空玻璃膠及其施工質(zhì)量管理非常重要，從而影響中空玻璃的密封壽命。    2中空玻璃膠的種類中空玻璃膠可劃分為熱塑和熱固兩大類。屬于熱塑類的中空玻璃膠有熱融丁基膠、聚異丁烯膠和舒適膠條。屬于熱固類的中空玻璃膠有硅酮膠、聚胺酯膠和聚硫膠。一般來說，熱塑膠多用于第一道密封，而熱固膠多用于第二道密封即結(jié)構(gòu)密封。    3中空玻璃構(gòu)造中空玻璃構(gòu)造通常是指中空玻璃的密封結(jié)構(gòu)。中空玻璃的密封結(jié)構(gòu)主要有二：單道密封和雙道密封。單道密封結(jié)構(gòu)是指中空玻璃結(jié)構(gòu)只打一道膠，可選擇硅酮膠、聚硫膠、聚胺酯、熱融丁基膠或舒適膠條。雙道密封結(jié)

22、構(gòu)是指中空玻璃結(jié)構(gòu)打兩道膠，通常使用聚異丁烯膠作第一道密封配之與具有結(jié)構(gòu)性的膠如聚硫膠或硅酮膠作為第二道密封。一般來說，雙道密封系統(tǒng)中，用于第一道密封的膠抗水汽透過率高但結(jié)構(gòu)性差，而第二道密封膠的結(jié)構(gòu)性能高，抗水汽透過率差。    4中空玻璃膠的性能對密封膠的性能分析需考慮以下因素：(1)防氣體泄漏能力；(2)抗水汽滲透能力；(3)抗紫外線能力；(4)防滲水能力；(5)黏合系統(tǒng)即結(jié)構(gòu)性。    5雙道密封的必要性中空玻璃系統(tǒng)的密封和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是靠中空玻璃密封膠來實(shí)現(xiàn)的。中空玻璃在壽命期間內(nèi)始終面臨著外來的水汽滲透和溫度變化的影響，因此要求密封膠