幕墻是建筑物的外墻圍護(hù)結(jié)構(gòu)，鋁板幕墻是目前在幕墻結(jié)構(gòu)中使用較普遍的一種型式，鋁板幕墻以其鋼性好、重量輕、強(qiáng)度高、耐腐蝕性好、工藝性好、施工便捷、可回收利用等各種優(yōu)良特性，在各類建筑中得到了廣泛的應(yīng)用。目前，鋁板幕墻中鋁單板及其連接件的計(jì)算方法也日趨成熟，但在實(shí)際工程應(yīng)用中仍存在未解決的問題，因此給幕墻設(shè)計(jì)者的工作帶來了一定的困難，文中針對鋁單板的強(qiáng)度計(jì)算做了相關(guān)的研究分析，旨在為幕墻設(shè)計(jì)者提供參考，為研究探討鋁單板結(jié)構(gòu)計(jì)算的相關(guān)問題起到拋磚引玉的作用。
1 設(shè)計(jì)計(jì)算條件
計(jì)算矩形鋁單板選用工程中常用的 3003 鋁單板，板厚取t=3 mm，參考《規(guī)范》附錄 B 表 B.0.1 中鋁單板邊長比的范圍，選取矩形鋁單板邊長比在 0.5-1.0 之間的 5 組數(shù)據(jù)，取計(jì)算面板尺寸分別為 450×900 mm、560×900 mm、680×900 mm、790×900 mm、900×900 mm，根據(jù)該尺寸將鋁單板按從小到大的尺寸分別編號為 1-5，組合荷載設(shè)計(jì)值 q 為 2.8 KN/m 2 ，彈性模量 E=70000 N/mm 2 ，泊松比為 0.33。
根據(jù)《規(guī)范》第 5.4.4 條的規(guī)定：沿板材四周邊緣為簡支邊，中肋支承線為固定邊，在實(shí)際工程應(yīng)用中，四邊支承鋁單板的支承型式如下：A、四邊簡支；B、長邊固定，三邊簡支；C、短邊固定，三邊簡支；D、長對邊固定，短對邊簡支；E、短對邊固定，長對邊簡支；F、三邊固定，短邊簡支；G、三邊固定，長邊簡支；H、兩臨邊固定，兩臨邊簡支；I、四邊固定；J、長對邊簡支，一短邊自由，一短邊固定。
2 鋁單板強(qiáng)度計(jì)算
2.1 規(guī)范計(jì)算
根據(jù)《規(guī)范》計(jì)算矩形鋁單板的強(qiáng)度，鋁單板幾何尺寸及荷載如上文所述，根據(jù)《規(guī)范》第 5.4.3 條，矩形鋁單板強(qiáng)度按公式
計(jì)算。根據(jù)《規(guī)范》計(jì)算每組鋁單板不同支承型式的最大應(yīng)力值，如表 2-1 所示。
計(jì)算。根據(jù)《規(guī)范》計(jì)算每組鋁單板不同支承型式的最大應(yīng)力值，如表 2-1 所示。
2.2 靜力手冊計(jì)算
根據(jù)《靜力手冊》計(jì)算矩形鋁單板的強(qiáng)度，根據(jù)《靜力手冊》第 5.2 條，可查取各種支承型式鋁單板的彎矩系數(shù)，計(jì)算鋁單板最大彎矩
，《靜力手冊》中的彎矩系數(shù)是基于彈性薄板小撓度理論假定進(jìn)行求解所得，因此在考慮大撓度的影響時需對所求應(yīng)力值乘以折減系數(shù)，折減系數(shù)按《規(guī)范》表 5.4.3 采用，推導(dǎo)出考慮折減系數(shù)鋁單板最大應(yīng)力值計(jì)算公式
，鋁單板幾何尺寸及荷載如上文所述。
，《靜力手冊》中的彎矩系數(shù)是基于彈性薄板小撓度理論假定進(jìn)行求解所得，因此在考慮大撓度的影響時需對所求應(yīng)力值乘以折減系數(shù)，折減系數(shù)按《規(guī)范》表 5.4.3 采用，推導(dǎo)出考慮折減系數(shù)鋁單板最大應(yīng)力值計(jì)算公式，鋁單板幾何尺寸及荷載如上文所述。 根據(jù)《靜力手冊》計(jì)算每組鋁單板不同支承型式的最大應(yīng)力值，如表 2-2 所示。
2.3 ANSYS 計(jì)算
采用 ANSYS 有限元分析軟件計(jì)算矩形鋁單板的強(qiáng)度，用SHELL63 單元模擬鋁單板單元，鋁單板幾何尺寸及荷載如上文所述。邊界條件按如下方式施加約束，固定邊約束 UX、UY、UZ、ROTX、ROTY、ROTZ；簡支邊約束 UZ；兩對邊簡支時，一邊約束 UZ，另一邊約束 UX、UY、UZ（Z 為垂直面板方向）。整理鋁單板最大應(yīng)力結(jié)果如表 2-3 所示。
3 結(jié)果比較分析
將各種支承型式的計(jì)算數(shù)據(jù)繪制成折線圖，將結(jié)果分列于兩個圖表中，如圖 3-1 至 3-2 所示，進(jìn)而對采用不同計(jì)算方法所得每組支撐型式的鋁單板最大應(yīng)力值進(jìn)行分析。（圖表中字母代表相應(yīng)的支撐型式，數(shù)字 1、2、3 分別代表根據(jù)《規(guī)范》、《靜力手冊》，ANSYS 有限元軟件計(jì)算的鋁單板最大應(yīng)力值，橫坐標(biāo)表示鋁板邊長比，縱坐標(biāo)表示應(yīng)力值。）
從上圖中可以看出，對于 A 支承型式，采用不同計(jì)算方法得到的結(jié)果相差較大，而其他九種支承型式的結(jié)果均吻合的較好。
對比《靜力手冊》和《規(guī)范》計(jì)算的結(jié)果：A、B、C、D、E五種支承型式的計(jì)算結(jié)果相同；對比ANSYS計(jì)算的結(jié)果和《規(guī)范》計(jì)算的結(jié)果：A 支承型式，鋁單板邊長比接近 0.5 及 1.0時結(jié)果較相近，中間部分吻合較差，B、C、D、E 四種支承型式的計(jì)算結(jié)果較一致，當(dāng)面板的邊長比接近 1.0 時，ANSYS計(jì)算的結(jié)果大于《規(guī)范》計(jì)算的結(jié)果，相對差值比的絕對值
在 18% 和 20% 之間；對比 ANSYS 計(jì)算的結(jié)果和《靜力手冊》計(jì)算的結(jié)果：A 支承型式吻合較差，其他九種支承型式的計(jì)算結(jié)果較一致，當(dāng)面板的邊長比接近 1.0 時，ANSYS 計(jì)算的結(jié)果均大于《靜力手冊》計(jì)算的結(jié)果，相對差值比的絕對值
在 10% 和 33% 之間。
在 18% 和 20% 之間；對比 ANSYS 計(jì)算的結(jié)果和《靜力手冊》計(jì)算的結(jié)果：A 支承型式吻合較差，其他九種支承型式的計(jì)算結(jié)果較一致，當(dāng)面板的邊長比接近 1.0 時，ANSYS 計(jì)算的結(jié)果均大于《靜力手冊》計(jì)算的結(jié)果，相對差值比的絕對值在 10% 和 33% 之間。 結(jié)論
通過對比分析采用三種方法計(jì)算的矩形鋁單板最大應(yīng)力值，可以得出，對于文中所列出的 B~J 九種支承型式的各組鋁單板，結(jié)果吻合較好，建議在計(jì)算矩形鋁單板時，對于《規(guī)范》中未涉及的支承類型，可以參考《靜力手冊》或者采用ANSYS 有限元分析軟件進(jìn)行鋁單板計(jì)算，由于《靜力手冊》的計(jì)算結(jié)果比 ANSYS 計(jì)算的結(jié)果更接近《規(guī)范》，因此在設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先選用《靜力手冊》進(jìn)行鋁單板的強(qiáng)度設(shè)計(jì)。