在金屬鋁板幕墻中,受建筑物構造及建筑幕墻整體分格的限制,幕墻用鋁板單元板塊難以滿足幕墻外部荷載作用的要求,因此幕墻在設計時,在鋁板板塊的背襯面設置加勁肋,已增加鋁板板塊抵抗變形的能力。其實,加勁肋的設計要求是嚴格的,其布置間距直接影響鋁板幕墻板塊的設計計算,其截面尺寸形狀直接影響到鋁板板塊抵抗外部荷載的能力。
  1. 鋁板加勁肋目前存在的問題
  1.1從幕墻來看,幕墻鋁板加勁肋在實際中存在一定的問題。首先,從鋁板加勁肋的布置間距來看,鋁板廠家很多都是根據(jù)“常規(guī)”的習慣進行布置加強筋。這樣,鋁板加工廠家既不知道工程基本情況,比如工程鋁板安裝高度、環(huán)境、具體安裝部位等,也不知道外部荷載的設計取值,鋁板生產廠家很難做到加勁肋布置的合理性。

1.2加勁肋的斷面形狀,不同的鋁板加工廠家而不同。有的采用鋁板折邊,有的采用鋁型材,還有的采用鍍鋅鋼帶(鋁帶)滾壓一定的端面形狀。不同的工廠,其生產工藝不同,加勁肋的斷面形狀不同。幕墻設計時也不能完整地給出加勁肋的設計,目前只能是鋁板生產廠家技術人員根據(jù)自己的工廠情況進行二次設計。而實際材料入場控制,監(jiān)理沒有鋁板加工圖紙,幕墻設計師不會現(xiàn)場監(jiān)督,只能是幕墻檢查員(技術員)慣例接收,實際上就是來什么料,接收什么料,工程上沒有嚴格控制。而鋁板加工廠若僅考慮材料節(jié)約,降低制作安裝加勁肋的成本,加勁肋的布局、端面尺寸形狀就會出現(xiàn)不合理現(xiàn)象,也會使加勁肋達不到設計要求。
  2加勁肋結構安裝要求
  加勁肋的主要作用是分擔一部分幕墻鋁板板塊的外部荷載。鋁板板塊中部的荷載通過加勁肋傳遞給幕墻龍骨上,減少鋁板板塊的內部應力,促使鋁板板塊不會因為外部荷載超過極限而變形、破壞,見圖1。


  因此,鋁板加勁肋應按設計結構系統(tǒng)要求進行設計與制作。加勁肋的安裝完成尺寸應與鋁板板塊的彎邊安裝掛耳(或邊肋)尺寸一致,如果加勁肋的高度尺寸大于鋁板邊有效安裝尺寸,則鋁板安裝不到位,加勁肋與龍骨干涉;如果加勁肋的高度尺寸小于鋁板邊有效安裝尺寸,加勁肋與鋁板龍過不接觸,有一定的間隙,加勁肋不能直接傳遞外部荷載到龍骨上,加勁肋的作用不能得到充分的發(fā)揮。見圖2。

  3.加勁肋與鋁板組裝要求
  加勁肋與鋁板板塊的連接方式的不同,也會直接影響加勁肋的作用。由于加勁肋的計算按等彎矩原則化為等效均布荷載,加勁肋為固定邊支撐形式,因此,加勁肋與鋁板連接采用膠結比較好,符合計算形式。而目前鋁板加勁肋與鋁板的組裝基本上采用電栓釘固定。若嚴格地說,電栓釘固定加勁肋,當建筑幕墻外部荷載為負值時,加勁肋就不會是與鋁板等同受力了,不能按照等效均布荷載計算考慮了,見圖3.。

  鋁板是靠周邊彎邊(或邊肋)與龍骨連接固定的,因此,鋁板加勁肋應該與鋁板彎邊(或邊肋)有可靠地連接固定。這樣不管幕墻的荷載方向如何,受力值正與負,加勁肋都能夠承擔一定的荷載并有效地傳遞到龍骨上,減少鋁板應力造成的變形與破壞。見圖4。

  4.加勁肋的設計計算
  加勁肋的計算,我們上邊已經(jīng)提到過,其依據(jù)按照等效均布荷載前提下來進行計算的。這只是一個近似計算方法,但對于建筑幕墻鋁板板塊來說比較接近實際的一種計算方法。我們在計算加勁肋時,需要知道加勁肋的間距,也就是幕墻鋁板板塊計算的區(qū)格單元尺寸。其次還要設計加勁肋的抗彎強度與變形撓度。
  4.1加勁肋的間距計算
  加勁肋間距,要滿足鋁板板塊的區(qū)格抗彎強度的設計計算要求。其大小取決于鋁板本身的抵抗變形的能力,與鋁板材質、規(guī)格和外部荷載有關。


  4.2加勁肋的設計計算
  加勁肋的設計,要考慮加勁肋本身的強度與撓度在極限允許的范圍內。在外部條件不變的前提下,影響加勁肋強度變化的是加勁肋的抵抗矩;影響加勁肋撓度變化的是加勁肋的慣性矩,因此,在加勁肋設計時只要我們采用的加強肋的抵抗矩與慣性矩滿足相應的技術要求就可以了。
  4.2.1 加勁肋的最小抵抗矩



  5.加勁肋的斷面形狀的選擇
  幕墻鋁板加勁肋常用的有方管(矩形管)、C槽型、U槽型或角型型材。見圖5。加勁肋常用的材質為鋁合金、鍍鋅或噴涂鋼等。加工工藝有型材、折板、滾壓、沖壓等方法生產。不同的生產廠家采用的加勁肋是不同的。   


  我們知道,相同截面形狀的不同截面面積的加勁肋的抵抗矩和慣性矩是不相同的,相同截面面積的不同截面形狀的加勁肋的抵抗矩和慣性矩也不同。截面面積影響著材料的成本,因此我們在設計中必須考慮以最少的耗材來達到我們設計理想結果。以圖5 為例,不同形狀、截面面積相同的幾種加勁肋的截面特性值做以比較。見下表。

 

截面
形狀
圖例
截面面積S(mm2
慣性矩I
(cm4)
最小抵抗矩W
(cm3)
最大型心距Y
(mm)
01
矩形管
圖5a
414
3.99
3.20
12.5
 
02
C型槽
圖5b
414
3.94
2.87
13.7
 
03
U型槽
圖5c
414
1.96
1.00
19.5
 
04
角型
圖5d
414
1.16
0.54
24.65
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 


  從上表中可以看出,4種型材截面面積是相同的,也就是說線密度是一樣的,如果采用相同材質的材料,用料(成本)是一樣的。但是截面特性(抵抗矩、慣性矩)是不同的,也就是抵抗變形的能力是不一樣的。本圖例中,矩形管是最好的。也就是說,如保證同樣的截面特性效果,承受住相同的外力能力,采用矩形管是最省料的,角型型材是很難滿足要求的,也是最浪費材料的。
  但是,矩形管加勁肋在安裝時,考慮焊栓的連接,要在矩形管加工扳手安裝用工藝孔,這樣加工工藝孔的部位的應力受到影響。根據(jù)變形(應變)為弱變形區(qū)理論,矩形鋼管的慣性矩與抵抗矩就不會是原有的理論計算結果那樣了,實際要比理論計算結果小了。而計算加勁肋的截面特性參數(shù)必須考慮加工工藝孔的影響。


  開孔處的保守計算結果分別是 S= 3690mm2, I=3.38 cm4,w=2.44 cm3 ,Y=13.8mm。這樣再做對比,C型槽可能是最節(jié)約成本的了。設計時根據(jù)具體情況進行對比分析,在滿足技術要求的前提下,減少材料消耗,降低工程成本。