论文部分内容阅读
【摘 要】 幕墙钢结构在幕墙固定中应用的非常广泛。本文简要介绍了幕墙钢结构失稳因素，并详细阐述了钢结构扭转失稳原理，进而提出了施工中加强钢结构性能的相关措施。
【关键词】 幕墙钢结构；扭转失稳；性能
一、前言
点支撑钢结构是我国幕墙支撑结构中一种比较普遍的形式。它主要由钢支承结构和驳接系统组成，但是由于现在施工中对于钢结构发生的变形问题缺乏深入观察，因此幕墙使用过程中钢结构常发生扭转失稳现象，影响幕墙质量，从而对建筑物周遭人员造成了严重的安全隐患。
二、幕墙钢结构失稳的影响因素
但是我们在考虑这些因素之前，应该弄清楚这些随机因素的来源，一般情况下把影响钢结构稳定性随机因素分为三类。
1、物理、几何不确定性：如材料（弹性模量，屈服应力，泊松比等）、杆件尺寸、截面积、残余应力、初始变形等。
2、统计的不确定性：在统计与稳定性有关的物理量和几何量时，总是根据有限样本来选择概率密度分布函数，因此带来一定的经验性。这种不确定性称为统计的不确定性，是由于缺乏信息造成的。
3、模型的不确定性：为了对结构进行分析，所提的假设、数学模型、边界条件以及目前技术水平难以在计算中反映的种种因素，所导致的理论值与实际承载力的差异，都归结为模型的不确定性。
三、幕墙钢结构扭转失稳原理
幕墙钢结构都是由若干V形截面梁所组装起来的。在施工过程中，结构尚未形成一个统一整体之前，每个V形单元折板的主要受力状态是产生荷载作用面内的弯曲变形所施加的力，使横截面上产生纵向正应力。此外，由于两外伸梁宽度较大而且厚度较小，在纵截面上也产生横向的弯曲正应力。因此容易发生扭转失稳现象。
V形截面对两主轴方向的惯矩在数量存在有明显的差异。当V形截面对X轴为弱弯矩，对Y轴为强弯矩时，相应地又把这类构件简称为绕弱轴受弯的构件。由于这类构件的侧向弯曲刚度EIY较大，一般常认为不会出现绕强轴侧向失稳问题，因而在设计中，也不考虑如何提高截面的翘曲刚度、扭转刚度等问题。
但从多年来的工程实践经验和几次大型试验中发现，当跨度l较大时，构件的承裁能力仍由稳定性控制，表现为截面的上部受压区侧向断裂，和局部失稳的现象类似，但根本原因是构件发生整体扭转失稳。
四、幕墻钢结构稳定性设计原则
1、结构整体布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求
目前结构大多数是按照平面体系来设计的，如桁架和框架都是如此。保证这些平面结构不致出平面失稳，需要从结构整体布置来解决，亦即设计必要的支撑构件。这就是说，平面结构构件的出平面稳定计算必须和结构布置相一致。就如上述的1988年加拿大一停车场的屋盖结构塌落，1985年土耳其某体育场看台屋盖塌落，这两次事故都和没有设置适当的文撑而造成出平面失稳。由平面桁架组成的塔架，基于同样原因，需要注意杆件的稳定和横隔设置之间的关系。
2、结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致，这对框架结构的稳定计算十分重要。
目前设计单层和多层框架结构时，经常不作框架稳定分折而是代之以框架柱的稳定计算。在采用这种方法时，计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数，自应通过框架整体稳定分析得出，才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。然而，实际框架多种多样，而设计中为了简化计算工作，需要设定一些典型条件。GBJl7—88规范对单层或多层框架给出的计算长度系数采用了五条基本假定，其中包括：“框架中所有柱子是同时丧失稳定的，即各柱同时达到其临界荷载”。按照这条假定，框架各柱的稳定参数杆件稳定计算的常用方法，往往是依据一定的简化假设或者典型情况得出的，设计者必须确知所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。在实际工程中，框架计算简图和实用方法所依据的简图不一致的情况还可举出以下两种，即附有摇摆拄的框架和横梁受有较大压力的框架。这两种情况若按规范的系数计算，都会导致不安全的后果。所以所用的计算方法与前提假设和具体计算对象应该相一致。
五、强化钢结构性能施工措施
1、做好施工前的准备工作
相关工作人员在进行幕墙钢结构施工前，要认真研究设计图纸和施工方案，同时严格审核图纸，重点检查门窗位置和尺寸等，反复检查保证数据正确，且要对施工现场进行放样工作，然后对比设计图纸进行分析，根据实测结果相应的更改设计，再根据最新设计图纸编制材料选购计划，根据施工具体要求和技术编写施工指导书。最后把确定后的设计图纸、施工方案等向施工人员进行交底，严格按照要求进行施工。此外，要使用经纬仪进行垂直线安装，且设置水平仪，经多次测量后确定钢结构的支承安装位置。
2、做好预埋件的校准和处理工作
在施工前，利用经纬仪和水平仪等器具根据设计进行实地放样工作，然后利用施工控制线对预埋件进行校准处理。在这个过程中，如果出现位置很差、预埋件遗漏等问题，则根据先前的设计要求来，之后的就要使用化学锚栓进行埋件固定处理。此外，埋件的标高偏差要小于10mm，且埋件水平位置偏差不能大于20mm，同时对抗拉拔试验和施工进行记录和保存。
3、钢架支承结构安装工作
进行钢架支承结构安装时，先要使用吊车把钢架支承结构放置到正确的位置并进行临时的固定，然后按照相关标准进行相应的检查和调整，直到钢架结构的垂直角度和间距满足要求，接着根据相关设计对钢架结构进行固定，一般使用螺栓连接或者焊接形式，若是结构层比较远，则要利用结构层的外伸横梁进行相应的固定，且使用螺栓连接横梁与钢支承（一般至少使用两条螺栓进行固定）。此外，如果采取焊接的方式，则焊脚高度要大于6mm。
4、驳接座焊接及驳接系统安装工作
在上一步骤结束后，根据事前的设计标高、位置尺寸等对驳接座进行焊接和固定，一定要注意在固定之后要对焊缝进行打磨，同时做好防锈、防火漆涂刷等表面处理工作。在表面处理工作完成后，就要把驳接爪插进驳接座的安装孔中，并使用水平尺进行相应的校正工作，接着用定位销进行固定；这个过程中，要保证驳接爪孔中心连线与玻璃缝平行，且驳接爪端面相对玻璃平行度偏差在1.5mm以内。如果使用的是玻璃幕墙结构，则在进行这一步骤时，要在每一块玻璃四周事前钻好四个孔，且孔径为20mm左右，玻璃钻孔中心位置与其边缘位置距离在70mm以内。在进行驳接系统安装时，要保证驳接爪的每一个爪要和单个的玻璃的一个孔相接（一块玻璃至少要固定在四个挂件上），且这个过程中的允许偏差分别为：边长尺寸在±1mm之间，对角线差在±2mm以内，钻孔偏差为±0.8mm之间；然后把驳接头（里面有衬垫）与玻璃安装孔连接起来，使用力矩扳手对螺栓进行紧固。
六、钢结构校核计算
幕墙支撑钢结构的计算，当结构形式比较简单时，可以采用一般的结构计算软件或手算进行结构计算，但当结构形式比较复杂，则应采用有限元软件来进行计算，目前行业上常用的计算软件主要有Ansys、sap2000、MIDAS、3D3S等，但最终的评价标准仍应符合中国规范相应要求。
计算主要分析结构在以下三方面的性能以保证幕墙结构的安全：
（1）强度验算
计算在载荷达到极限负载情况下幕墙构件的强度。在计算时应考虑到各种不同情况下的工况，将最恶劣的工况下的强度值作为设计值。
（2）变形验算
当结构形式不同以及使用功能不同时，幕墙的变形控制值也不同，详参《钢结构设计规范》附录部分。对于幕墙中的刚架或者桁架结构，在风荷载作用下的挠度限值为其跨度的1/250，对于悬挑结构跨度取其悬挑长度的2倍，对于张拉结构取其跨度的1/200。
（3）稳定计算
对于构件的稳定计算可以按照《钢结构设计规范》中相关规定来进行计算，可以分为整体稳定和局部稳定分析，对于复杂的结构可以采用软件进行几何非线性屈曲分析。对于构件稳定相关内容见《钢结构设计规范》所述。
七、结束语
经过上文分析，明确了幕墙钢结构变形的基本原理，也分析了提高钢结构稳定性相关措施。在施工后期要进行相关的计算检验工作，以确保钢结构性能达到要求，不会发生扭转失稳现象。
参考文献：
[1]衣永春，张玉梅.钢结构点支撑玻璃幕墙施工技术解析[J].城市建设理论研究，2013（8）
[2]余晖.刍议如何提高钢结构点式玻璃幕墙的设计及施工工艺[J].城市建设理论研究，2013（38）
[3]彭斌.大型展览场馆主体结构与玻璃幕墙相互作用的仿真分析[J].钢结构.2009，23（11）：5-9
[4]余红军.幕墙中结构设计常见问题探讨[J].门窗幕墙信息，2009：14-18.
【关键词】 幕墙钢结构；扭转失稳；性能
一、前言
点支撑钢结构是我国幕墙支撑结构中一种比较普遍的形式。它主要由钢支承结构和驳接系统组成，但是由于现在施工中对于钢结构发生的变形问题缺乏深入观察，因此幕墙使用过程中钢结构常发生扭转失稳现象，影响幕墙质量，从而对建筑物周遭人员造成了严重的安全隐患。
二、幕墙钢结构失稳的影响因素
但是我们在考虑这些因素之前，应该弄清楚这些随机因素的来源，一般情况下把影响钢结构稳定性随机因素分为三类。
1、物理、几何不确定性：如材料（弹性模量，屈服应力，泊松比等）、杆件尺寸、截面积、残余应力、初始变形等。
2、统计的不确定性：在统计与稳定性有关的物理量和几何量时，总是根据有限样本来选择概率密度分布函数，因此带来一定的经验性。这种不确定性称为统计的不确定性，是由于缺乏信息造成的。
3、模型的不确定性：为了对结构进行分析，所提的假设、数学模型、边界条件以及目前技术水平难以在计算中反映的种种因素，所导致的理论值与实际承载力的差异，都归结为模型的不确定性。
三、幕墙钢结构扭转失稳原理
幕墙钢结构都是由若干V形截面梁所组装起来的。在施工过程中，结构尚未形成一个统一整体之前，每个V形单元折板的主要受力状态是产生荷载作用面内的弯曲变形所施加的力，使横截面上产生纵向正应力。此外，由于两外伸梁宽度较大而且厚度较小，在纵截面上也产生横向的弯曲正应力。因此容易发生扭转失稳现象。
V形截面对两主轴方向的惯矩在数量存在有明显的差异。当V形截面对X轴为弱弯矩，对Y轴为强弯矩时，相应地又把这类构件简称为绕弱轴受弯的构件。由于这类构件的侧向弯曲刚度EIY较大，一般常认为不会出现绕强轴侧向失稳问题，因而在设计中，也不考虑如何提高截面的翘曲刚度、扭转刚度等问题。
但从多年来的工程实践经验和几次大型试验中发现，当跨度l较大时，构件的承裁能力仍由稳定性控制，表现为截面的上部受压区侧向断裂，和局部失稳的现象类似，但根本原因是构件发生整体扭转失稳。
四、幕墻钢结构稳定性设计原则
1、结构整体布置必须考虑整个体系以及组成部分的稳定性要求
目前结构大多数是按照平面体系来设计的，如桁架和框架都是如此。保证这些平面结构不致出平面失稳，需要从结构整体布置来解决，亦即设计必要的支撑构件。这就是说，平面结构构件的出平面稳定计算必须和结构布置相一致。就如上述的1988年加拿大一停车场的屋盖结构塌落，1985年土耳其某体育场看台屋盖塌落，这两次事故都和没有设置适当的文撑而造成出平面失稳。由平面桁架组成的塔架，基于同样原因，需要注意杆件的稳定和横隔设置之间的关系。
2、结构计算简图和实用计算方法所依据的简图相一致，这对框架结构的稳定计算十分重要。
目前设计单层和多层框架结构时，经常不作框架稳定分折而是代之以框架柱的稳定计算。在采用这种方法时，计算框架柱稳定时用到的柱计算长度系数，自应通过框架整体稳定分析得出，才能使柱稳定计算等效于框架稳定计算。然而，实际框架多种多样，而设计中为了简化计算工作，需要设定一些典型条件。GBJl7—88规范对单层或多层框架给出的计算长度系数采用了五条基本假定，其中包括：“框架中所有柱子是同时丧失稳定的，即各柱同时达到其临界荷载”。按照这条假定，框架各柱的稳定参数杆件稳定计算的常用方法，往往是依据一定的简化假设或者典型情况得出的，设计者必须确知所设计的结构符合这些假设时才能正确应用。在实际工程中，框架计算简图和实用方法所依据的简图不一致的情况还可举出以下两种，即附有摇摆拄的框架和横梁受有较大压力的框架。这两种情况若按规范的系数计算，都会导致不安全的后果。所以所用的计算方法与前提假设和具体计算对象应该相一致。
五、强化钢结构性能施工措施
1、做好施工前的准备工作
相关工作人员在进行幕墙钢结构施工前，要认真研究设计图纸和施工方案，同时严格审核图纸，重点检查门窗位置和尺寸等，反复检查保证数据正确，且要对施工现场进行放样工作，然后对比设计图纸进行分析，根据实测结果相应的更改设计，再根据最新设计图纸编制材料选购计划，根据施工具体要求和技术编写施工指导书。最后把确定后的设计图纸、施工方案等向施工人员进行交底，严格按照要求进行施工。此外，要使用经纬仪进行垂直线安装，且设置水平仪，经多次测量后确定钢结构的支承安装位置。
2、做好预埋件的校准和处理工作
在施工前，利用经纬仪和水平仪等器具根据设计进行实地放样工作，然后利用施工控制线对预埋件进行校准处理。在这个过程中，如果出现位置很差、预埋件遗漏等问题，则根据先前的设计要求来，之后的就要使用化学锚栓进行埋件固定处理。此外，埋件的标高偏差要小于10mm，且埋件水平位置偏差不能大于20mm，同时对抗拉拔试验和施工进行记录和保存。
3、钢架支承结构安装工作
进行钢架支承结构安装时，先要使用吊车把钢架支承结构放置到正确的位置并进行临时的固定，然后按照相关标准进行相应的检查和调整，直到钢架结构的垂直角度和间距满足要求，接着根据相关设计对钢架结构进行固定，一般使用螺栓连接或者焊接形式，若是结构层比较远，则要利用结构层的外伸横梁进行相应的固定，且使用螺栓连接横梁与钢支承（一般至少使用两条螺栓进行固定）。此外，如果采取焊接的方式，则焊脚高度要大于6mm。
4、驳接座焊接及驳接系统安装工作
在上一步骤结束后，根据事前的设计标高、位置尺寸等对驳接座进行焊接和固定，一定要注意在固定之后要对焊缝进行打磨，同时做好防锈、防火漆涂刷等表面处理工作。在表面处理工作完成后，就要把驳接爪插进驳接座的安装孔中，并使用水平尺进行相应的校正工作，接着用定位销进行固定；这个过程中，要保证驳接爪孔中心连线与玻璃缝平行，且驳接爪端面相对玻璃平行度偏差在1.5mm以内。如果使用的是玻璃幕墙结构，则在进行这一步骤时，要在每一块玻璃四周事前钻好四个孔，且孔径为20mm左右，玻璃钻孔中心位置与其边缘位置距离在70mm以内。在进行驳接系统安装时，要保证驳接爪的每一个爪要和单个的玻璃的一个孔相接（一块玻璃至少要固定在四个挂件上），且这个过程中的允许偏差分别为：边长尺寸在±1mm之间，对角线差在±2mm以内，钻孔偏差为±0.8mm之间；然后把驳接头（里面有衬垫）与玻璃安装孔连接起来，使用力矩扳手对螺栓进行紧固。
六、钢结构校核计算
幕墙支撑钢结构的计算，当结构形式比较简单时，可以采用一般的结构计算软件或手算进行结构计算，但当结构形式比较复杂，则应采用有限元软件来进行计算，目前行业上常用的计算软件主要有Ansys、sap2000、MIDAS、3D3S等，但最终的评价标准仍应符合中国规范相应要求。
计算主要分析结构在以下三方面的性能以保证幕墙结构的安全：
（1）强度验算
计算在载荷达到极限负载情况下幕墙构件的强度。在计算时应考虑到各种不同情况下的工况，将最恶劣的工况下的强度值作为设计值。
（2）变形验算
当结构形式不同以及使用功能不同时，幕墙的变形控制值也不同，详参《钢结构设计规范》附录部分。对于幕墙中的刚架或者桁架结构，在风荷载作用下的挠度限值为其跨度的1/250，对于悬挑结构跨度取其悬挑长度的2倍，对于张拉结构取其跨度的1/200。
（3）稳定计算
对于构件的稳定计算可以按照《钢结构设计规范》中相关规定来进行计算，可以分为整体稳定和局部稳定分析，对于复杂的结构可以采用软件进行几何非线性屈曲分析。对于构件稳定相关内容见《钢结构设计规范》所述。
七、结束语
经过上文分析，明确了幕墙钢结构变形的基本原理，也分析了提高钢结构稳定性相关措施。在施工后期要进行相关的计算检验工作，以确保钢结构性能达到要求，不会发生扭转失稳现象。
参考文献：
[1]衣永春，张玉梅.钢结构点支撑玻璃幕墙施工技术解析[J].城市建设理论研究，2013（8）
[2]余晖.刍议如何提高钢结构点式玻璃幕墙的设计及施工工艺[J].城市建设理论研究，2013（38）
[3]彭斌.大型展览场馆主体结构与玻璃幕墙相互作用的仿真分析[J].钢结构.2009，23（11）：5-9
[4]余红军.幕墙中结构设计常见问题探讨[J].门窗幕墙信息，2009：14-18.