上海金橋現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)服務園（Ⅱ期）地鐵板塊項目后補埋件錨板計算模擬分析

1 引言

《混凝土結構后錨固技術規(guī)程》中對錨栓的受力計算有著詳盡的規(guī)定，但是對于后補埋件的錨板厚度問題規(guī)定甚少，其中對錨栓計算的假定條件就是要保證錨板平面外的剛度足夠大，使其與混凝土結合面受力變形之后仍保持平面，即其彎曲變形可以忽略不計?；谝陨弦?，規(guī)范中對于錨板厚度做出了相應要求，錨板厚度應按照現(xiàn)行國家標準GB 50017《鋼結構設計標準》進行設計，且不應小于錨栓直徑的0.6倍；受拉和受彎錨板的厚度尚宜大于錨栓間距的1/8[1]。根據(jù)以上要求，對于普通的玻璃幕墻鋁板幕墻等常規(guī)重量幕墻系統(tǒng)，錨板受力一般是可以滿足其強度及剛度要求的，但是對于一些大跨度和類似石材幕墻等自重面荷載較大的幕墻系統(tǒng)，尤其當幕墻結構支撐外挑較大的情況下，僅僅滿足規(guī)范的構造要求，是存在一定安全隱患的，需要結構工程師的計算校核。

2 工程概況

圖1 幕墻后補埋件

上海金橋現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)服務園（Ⅱ期）地鐵板塊項目（簡稱金橋現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)園）位于浦東金海路南側，幕墻面積約為4.3萬平方米，主要包括玻璃幕墻、石材幕墻和鋁板幕墻等系統(tǒng)，建筑幕墻體量較大，埋件個數(shù)約為1.1萬個，前期混凝土施工時已配合放置預埋件。但因施工過程中的結構偏差、工人操作不當、幕墻方案調(diào)整等原因，造成了很多位置預埋件無法正常使用，只能后期埋設后補埋件。因埋件類型較多，本文無法一一列出，此處我們僅對本工程中用量較多的玻璃幕墻系統(tǒng)和石材幕墻系統(tǒng)的標準位置的埋件進行分析，玻璃幕墻埋件和石材幕墻埋件形式如圖1所示。

3 計算模擬分析

3.1 計算條件

金橋現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)園項目計算條件：基本風壓0.55kPa，地面粗糙度B類，抗震設防烈度7度，地震加速度0.1g，建筑標高73m。玻璃幕墻和石材幕墻標準位置與結構連接節(jié)點如圖2和圖3所示，自重荷載偏心分別為83mm和200mm。玻璃幕墻立柱分格寬度1.5m，立柱跨度4.5m。石材幕墻立柱分格寬度1.2m，立柱跨度5.6m。

圖2 標準玻璃幕墻與結構連接節(jié)點

圖3 標準石材幕墻與結構連接節(jié)點

幕墻荷載傳力路徑：面板→橫梁→立柱→鋼轉(zhuǎn)接件→埋件→主體結構。

3.2 埋件受力計算

本工程荷載考慮水平風荷載，地震作用及自重荷載共同作用[2]。通過計算，玻璃幕墻自重面荷載設計值為0.84kN/m2,水平荷載組合設計值3.29kN/m2。石材幕墻自重面荷載設計值為1.4kN/m2，水平荷載組合設計值3.29kN/m2。立柱計算模型為簡支梁，則幕墻上墻連接點位置支反力值計算如表1所示。

表1

3.3 計算邊界條件

錨板模擬計算時，連同與錨板焊接的角鋼轉(zhuǎn)接件一同建模分析，方便對錨板荷載進行施加，荷載施加于外挑角鋼端部。混凝土結構和錨板分別采用實體建模模擬，錨板與錨栓連接開孔位置（6個錨孔）分別施加三向約束，混凝土結構施加三向約束。為了考慮混凝土結構與錨板之間能夠相互傳遞法向壓力和切向摩擦力，同時不傳遞法向拉力，錨板與混凝土接觸面定義一組接觸單元，進行接觸分析?？砂阉鼈兛醋饕唤M剛體—柔體的接觸，這是為了反映錨板的受力情況，故目標面（混凝土結構面）為剛性面，接觸面（錨板面）為柔體面。

3.4 模型建立

錨板是采用ANSYS有限元軟件進行建模模擬計算的，ANSYS軟件是一款大型通用有限元分析軟件，被廣泛地應用于工程技術領域。通常情況下，很多設計人員對于此類錨板受力分析時，僅對錨板進行建模分析，不考慮混凝土對其產(chǎn)生的法向壓力支撐和切向摩擦作用，同時也未考慮埋件上焊接轉(zhuǎn)接件對錨板應力分布的影響，荷載施加時直接將錨板受力值施加于錨板節(jié)點上，計算出來的結果偏于保守，與實際受力情況偏差較大，而且極其容易產(chǎn)生應力集中的結果，普通幕墻類型的錨板需要做到非常厚才可以滿足其受力要求，極大地浪費了材料，此種計算方法是不合理的，本人也是不建議采用的。本工程為了更好更準確地模擬錨板的受力情況，分別對混凝土結構和錨板結構進行實體建模，混凝土結構梁及錨板單元類型均采用SOLID45單元，接觸單元類型目標面采用TARGE170來模擬，接觸單元類型接觸面采用CONTA173來模擬[3]。因本工程中錨板模擬計算模型比較簡單，很顯然只有結構梁外側表面和錨板內(nèi)側表面這兩個面存在接觸關系，我們定義這兩個面為一組接觸對。網(wǎng)格劃分時，對于包含接觸面實體（即錨板）要進行細致的網(wǎng)格劃分，對于包含目標面的實體（即混凝土結構）進行較粗的網(wǎng)格劃分。并通過參數(shù)設置，接觸單元被限制不得穿透目標面，但是目標面是可以穿透接觸面，因為目標面被定義剛體表面。模型建好后，分別對混凝土結構施加UX、UY、UZ三個方向約束，對錨板開孔同樣施加UX、UY、UZ三個方向約束。模型圖詳見圖4、圖5。

3.5 錨板內(nèi)力分析結果

圖6和圖7為玻璃幕墻位置后補埋件錨板應力云圖，圖8為玻璃幕墻位置后補埋件錨板變形云圖。

圖4 玻璃幕墻后補埋件模型圖

圖5 石材幕墻后補埋件模型圖

圖6 玻璃幕墻錨板應力云圖一（單位 N/m2）

圖7 玻璃幕墻錨板應力云圖二 （單位 N/m2）

圖8 玻璃幕墻錨板變形云圖（單位m）

圖9和圖10為石材幕墻位置后補埋件錨板應力云圖，圖11為石材幕墻位置后補埋件錨板變形云圖。

圖9 石材幕墻錨板應力云圖一（單位N/m2）

圖10 石材幕墻錨板應力云圖二 （單位N/m2）

圖11 石材幕墻錨板變形云圖 （單位m）

根據(jù)ANSYS有限元軟件導出的計算結果可知，玻璃幕墻位置后補埋件錨板最大應力值為74.3MPa＜215MPa，其強度利用率為35%。石材幕墻位置后補埋件錨板最大應力值為171MPa＜215MPa，其強度利用率為80%，兩塊錨板強度均滿足規(guī)范要求。石材幕墻位置錨板應力利用率偏大，主要是因為石材幕墻本身自重荷載偏大，并且鋼轉(zhuǎn)接件外挑尺寸較大，自重荷載引起的偏心彎矩導致。根據(jù)圖10石材幕墻錨板應力云圖二可以看出，錨板最大應力位置出現(xiàn)在中間錨栓固定位置，和實際情況相符合，工程實際中也是此點比較容易出現(xiàn)破壞的情況。根據(jù)圖8和圖10可以看出，玻璃幕墻位置錨板和石材幕墻位置錨板變形最大值分別為0.0105mm和0.0254mm。錨板兩顆錨栓之間距離為110mm，可以計算出錨板變形值/錨板跨度=0.0254/110=1/4490，可以得出，此錨板滿足錨栓內(nèi)力計算的基本假定，即被連接件與基材結合面受力變形后仍保持為平面，錨板平面外彎曲變形可忽略不計。

4 結語

本文通過采用ANSYS有限元軟件對上海金橋現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)服務園（Ⅱ期）地鐵板塊項目中的后補埋件的錨板進行受力模擬分析，并對后補埋件的內(nèi)力分布特點和錨栓計算的假定條件進行了初步探討，主要結論有：①首先根據(jù)規(guī)范中相關條文規(guī)定，對金橋現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)園后補埋件的錨板尺寸及厚度進行了初步定義，滿足規(guī)范構造要求的前提下，對于一般幕墻體系，錨板受力是滿足其工程使用要求的。②根據(jù)計算分析結果，驗證了錨板及錨栓受力的最不利位置，可以指導我們明確實際施工過程中的薄弱環(huán)節(jié)，更方便地控制此處的施工質(zhì)量。③通過文中對石材幕墻后補埋件分析結果可知（應力利用率80%），當埋件承受較大荷載時，在滿足規(guī)范對錨板厚度構造要求的同時，還應對其進行實體建模分析，根據(jù)計算結果確定實際工程中的錨板厚度。