基于ANSYS地铁入口幕墙钢结构的分析

黄磊等 基于 A N S Y S 地铁人口幕墙钢结构的分析 8 1 基 于 A N S Y S地铁入 口幕墙 钢结构 的分析 黄磊 张巨伟 张园园 辽宁石油化工大学研究生学院 辽宁抚顺1 1 3 0 0 1 摘要 利用 A N S Y S 软件对框支承玻璃幕墙在受组合荷载作用时进行了结构有限元强度分析 通过仿 真分析 计算 可以准确地得到各个构件单元的变形及应力大小 从而为改善系统的力学性能提供了理论依据 依据计算结果 可以在满足工程安全的同时 更有利于设计过程中的优化下料 进而节省成本为幕墙公司创造更 多的效益 关键词l 有限元 玻璃幕墙 框支撑 优化下料 中图分类号l T U 3 9 1 文献标识码 B 文章编号 1 0 0 1 6 8 6 4 2 0 1 2 0 8 0 0 8 1 0 3 ANALYS I S oF CURTAD S T EEL S TRUCTI J 1 R E oF M T RoCHANNE L BY ANS YS HUANG L e i Z HANG J u w e i Z HANG Yu a n y u a n L i a o n i n g S h i h u a U n i v G r a d u a t e C o l l e g e L i a o n i n g F u s h u n 1 1 3 0 0 1 C h i n a Ab s t r a c t F u l fi l l i n g t h e s t r e n g t h a n a l y s i s o f g l a s s c u r t a i n w a l l w i th mu l l i o n s u p p o r t i n g a t the a c t i o n o f c o mb i n e d l o a d s b y t h e fi n i t e e l e me n t a n a l y s i s s o ft w a r e n a me d ANS YS B y the c a l c u l a t i o n we c o u l d k n o w n the p r o p e rt i e s o f s t r u c t u r e s u p p o r t i n g w h i c h res i s t r e a l l o a d s Of c o u r s e w e c a n a l so p r o v i d e the o r y f o u n d a ti o n f o r i mp r o v i n g me c h a n i c a l p rop e r t i e s N o t o n l y s a t i s f y t h e p r o j e c t s a f e b u t al so b e i n f a v o r o f c u t t i n g o p t i mi z a t i o n o f d e s i g n p r o c e s s A b o v e a l l thi s a n a l y s i s me tho d s a v e c o s t o f p r o d u c t a n d c r e a t e mo re p rofi t s f o r c u r t a i n c o mpa n y Ke y wo r d s fi n i t e e l e me n t g l a s s c u r t a i n w a l l mu l l i o n s u p p o rt i n g c u t t i n g o p t i mi z a ti o n 玻璃幕墙是以玻璃作为面材 金属型材作为支撑龙骨 组成的 可相对主体结构有一定位移能力 不分担主体结构 所受作用的建筑物外装饰结构 我国改革开放以来 城市 建设突飞猛进 玻璃幕墙 以其质量轻 安装速度快 装配透 明美观等特点 越来越多地出现在各大城市的标志性建筑 及公共建筑中 玻璃幕墙结构强度计算所依据的力学理论 有经验公式法和有限元软件分析两种 当然公式计算也仅 限于形状比较规则的框架结构 而有限元分析则不受形状 限制 应付实际工程则更加灵活 因此笔者以下结合沈阳 地铁出入口框支承玻璃幕墙结构形式的特点 采用以有限 元方法为理论基础的 A N S Y S数值模拟软件并结合建筑幕墙 相关规范进行组合荷载作用下幕墙构件和玻璃面材的力学 性能分析 1 计算参数 框支承玻璃幕墙最外面是玻璃面材 它支承在钢型材 横龙骨上 横龙骨与竖龙骨相连接 而竖向龙骨则连接在 主体结构的埋件上 上 下层立柱龙骨通过钢插芯连接 竖 龙骨上下可以相对滑动 以能够承受地震荷载 风荷载等作 用时的横向变形和轴向的压缩变形 1 1 框支撑骨架设计参数 风载荷计算 标高 5 m 玻璃分格 1 5 0 0 m m 3 1 5 0 m m 顶部玻璃 厚度 t I 1 6 mm 侧 部玻 璃厚度 t 2 2 4 m m 框架采用 2 0 0 m m 8 0 ra m 6 mm方钢管 框架之间使 用 3 mm圆管连接 钢型材重力密度P 7 8 5 0 0 N m 1 2 中空玻璃设计参数 玻璃短边长度 a 1 5 0 0 ra m 长边长度 b 3 1 5 0 配置为 8 mm 1 2 A 8 m m 双钢化 中空玻璃 玻璃重力密度 P 2 5 6 0 0 N m 玻璃厚度 t t I t 2 1 6 ra m 玻璃等效厚度 t 0 9 5 t 9 6 m m 2 建立 有限元模型 2 1 力学模型的简化 框架按照单跨简支框架设计 承担风荷载 重力荷载和 地震作用 中空玻璃 将玻璃简化为四点与底边支撑的板 其上荷载视做均布荷载 玻璃板实际变形为大挠度的板 2 2 有限元模型 的建立 玻璃幕墙的竖龙骨 横龙骨选用 b e a m1 8 8梁单元 玻璃 面材选用 s h e H 9 3板单元 b e a m1 8 8单元的优势就是可 以自 定义梁截 面 是一种高阶的梁单元 计算精度较高 同样 s h e l l 9 3单元也是一种高阶的壳单元 特别适用于空间扭转 曲面精确计算和网格划分 各单元类型及截面属性定 义如表 1 所示 3 仿真计算 通过幕墙荷载规范算出组合荷载 然后根据幕墙实际受 低温建筑技术 2 0 1 2 年第 8 期 总第 1 7 0 期 表 1 单元类型及 性定义 力情况分别以均布面荷载和线荷载的形式垂直作用于各个 玻璃板块的表面和框架上 3 1 框架的载荷施加与约束 3 1 1 荷载计算 1 恒荷载标准值计算 GK I x 1 1 x 0 4 5 1 k P a C P l x 1 1 x I 2 o 6 7 6 k P a 2 风荷载标准值 风荷载计算标高Z I 5 m时阵风 系数为卢 l 2 3 风压高度变化系数it 0 7 4 局部风荷载 体型系数it t 1 it d 0 7 基本风压 5 5 0 P a 地区粗糙度为沈阳C类 基本雪 压 5 0 0 P a 风荷载标准值 ma x it I l k P a l k P a l ma x 6 p l k P a l k P a 3 地震作用的计算 I 动力放大系数为 5 0 水平地震影响系数为a 一 0 0 8 作用在面板上的地震作用标准值 g I 卢 E 口 一 G u 1 8 0 2 2 4 P a g E k 2 卢 E a 一 G 也 2 7 0 3 3 6 P a 表2 荷载及作用的分项系数及组合系数 注 恒载起作 用时作用的分项系数取1 3 5 恒荷载不起控制作用时作 用的 分项系数取1 2 恒载在有利的 情况下作用的分项系敷取1 0 对于水 平吊 挂玻璃风荷 载起控制作用 风荷载组合系敷取1 0 反 之取O 6 4 组合荷载 在分析中考虑以下不利组合 承载能力极限状态 6 g I 砂 w y l E E g n 1 2 2 7 6 N mm g 2 一 l v 一 E 一 1 3 5 N mm 正常使用极限状态 q H l 1 5 N mm 口 也 G C 一 w L s 一0 4 8 6 N mm 3 1 2 框架载荷施加 约束模型并求解 根据标准规范并经软件加载计算 见图 1 由变形云图 见图2 得出的结果知 1 4 1 5 6 m m 2 4 ra m 合格 同样根据标准规范并经软件加载计算 见图 3 由应力 云图 见 图 4 得 出的结 果 知 一I 1 0 5 7 5 8 MP a 2 1 5 MP a 安全 一 图l 荷蓑标准值施加 图2 框架变形云图 图3 荷麓设计值施加 圈4 框架应力云匿 3 2 中空玻璃的载荷施加 约束模型并求解 中空玻璃的载荷计算方法与框架的类似 选取的参数 都是根据规范查取和计算而得 但因为中空玻璃包含两片 单片玻璃 需要对其进行载荷分配 分配方法如下 第 一片 3 小 O 8 9 1 k P a I t g E l 口一 t I P s 0 0 8 2 k P a 第二片 3 8 l k P a g 也 一 卢 E P 0 0 8 2 k P a 作用在外片玻璃上的荷载 标准值 I 0 8 9 1 k P a 设计值 1 4 1 3 x0 5 X q E I 1 3 k P a 作用在内片玻璃上的荷载 标准值 0 8 1 k P a 设计值 1 4 1 3 0 5 g 髓 1 1 8 7 k P a 因为中空玻璃的两片玻璃相 同 所 以取外片玻璃做代 表性验算 进行载荷的约束与施加