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(guò)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(lái)越廣泛的應(yīng)用,但其中金屬連接件承載能力的計(jì)算卻沒(méi)有明確的設(shè)計(jì)公式,一直以來(lái)都是借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)。連接件承載性能的理論、試驗(yàn)及有限元分析結(jié)果表明[2],試驗(yàn)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(guò)試驗(yàn)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(jì)中采用試驗(yàn)和有限元分析方法來(lái)計(jì)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(yàn)和有限元計(jì)算結(jié)果的修正簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)公式�！ �
由于目前對(duì)連接件承載性能的研究較少,連接件的設(shè)計(jì)方法都未能考慮材料特點(diǎn)及相對(duì)于玻璃的強(qiáng)度儲(chǔ)備,因此現(xiàn)有的連接件都比較粗大笨重,沒(méi)有充分利用材料的力學(xué)性能。同時(shí)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(jì)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(chēng)。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(duì)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(pán)滑動(dòng)型[3]。本文研究的對(duì)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)。
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(shí)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(yàn)[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(gè)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(gè)角點(diǎn)約為3·3~5·0kN。因此,緊固件相對(duì)于玻璃板的強(qiáng)度儲(chǔ)備是很大的(表4)。
1)等比例縮小
對(duì)于相同形狀的緊固件,受拉和受壓時(shí)的應(yīng)力集中系數(shù)是相同的,因此屈服時(shí)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(shí)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(jiàn),當(dāng)緊固件的所有尺寸等比例縮小時(shí),其屈服時(shí)的拉力和壓力是按比例的平方縮小的。由于緊固件相對(duì)于玻璃板有很大的強(qiáng)度儲(chǔ)備,因此可適當(dāng)減小緊固件的屈服拉力和壓力,使其相對(duì)于玻璃板的強(qiáng)度儲(chǔ)備為1。根據(jù)以上分析,在滿(mǎn)足建筑造型基礎(chǔ)上通過(guò)等比例縮小緊固件來(lái)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(chǔ)備值計(jì)算得到的縮小比例見(jiàn)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(jì)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(shí)的拉力和壓力及相對(duì)于玻璃的強(qiáng)度儲(chǔ)備(表6)。表6表明,采用鋁合金材料時(shí),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(chǔ)備值仍然大于1,并且其重量?jī)H為相同形狀和尺寸的合金鋼緊固件的34%。見(jiàn)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(chǔ)備進(jìn)一步減小尺寸。
雖然這種建筑得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用,但其中金屬連接件承載能力的計(jì)算卻沒(méi)有明確的設(shè)計(jì)公式,一直以來(lái)都是借鑒國(guó)外的經(jīng)驗(yàn)。連接件承載性能的理論、試驗(yàn)及有限元分析結(jié)果表明[2],試驗(yàn)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(guò)試驗(yàn)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(jì)中采用試驗(yàn)和有限元分析方法來(lái)計(jì)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(yàn)和有限元計(jì)算結(jié)果的修正簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)公式。
由于目前對(duì)連接件承載性能的研究較少,連接件的設(shè)計(jì)方法都未能考慮材料特點(diǎn)及相對(duì)于玻璃的強(qiáng)度儲(chǔ)備,因此現(xiàn)有的連接件都比較粗大笨重,沒(méi)有充分利用材料的力學(xué)性能。同時(shí)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(jì)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(chēng)。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(duì)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(pán)滑動(dòng)型[3]。本文研究的對(duì)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(jiǎn)化設(shè)計(jì)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(shí)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(yàn)[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(gè)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(gè)角點(diǎn)約為3·3~5·0kN。因此,緊固件相對(duì)于玻璃板的強(qiáng)度儲(chǔ)備是很大的(表4)。
1)等比例縮小
對(duì)于相同形狀的緊固件,受拉和受壓時(shí)的應(yīng)力集中系數(shù)是相同的,因此屈服時(shí)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(shí)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(jiàn),當(dāng)緊固件的所有尺寸等比例縮小時(shí),其屈服時(shí)的拉力和壓力是按比例的平方縮小的。由于緊固件相對(duì)于玻璃板有很大的強(qiáng)度儲(chǔ)備,因此可適當(dāng)減小緊固件的屈服拉力和壓力,使其相對(duì)于玻璃板的強(qiáng)度儲(chǔ)備為1。根據(jù)以上分析,在滿(mǎn)足建筑造型基礎(chǔ)上通過(guò)等比例縮小緊固件來(lái)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(chǔ)備值計(jì)算得到的縮小比例見(jiàn)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(jì)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(shí)的拉力和壓力及相對(duì)于玻璃的強(qiáng)度儲(chǔ)備(表6)。表6表明,采用鋁合金材料時(shí),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(chǔ)備值仍然大于1,并且其重量?jī)H為相同形狀和尺寸的合金鋼緊固件的34%。見(jiàn)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(chǔ)備進(jìn)一步減小尺寸。
2·2 緊固件的簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法
