上海金橋現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)服務(wù)園Ⅱ期地鐵板塊項(xiàng)目后補(bǔ)埋件錨板計(jì)算模擬分析

薛兵

【摘 要】后補(bǔ)埋件是幕墻結(jié)構(gòu)中常用的埋件形式，其主要是針對(duì)前期結(jié)構(gòu)漏埋和錯(cuò)埋位置的一種補(bǔ)救措施，也是幕墻受力體系中極為重要的環(huán)節(jié)。論文對(duì)上海金橋現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)服務(wù)園（Ⅱ期）地鐵板塊項(xiàng)目中的后補(bǔ)埋件的錨板進(jìn)行受力分析，采用ANSYS有限元軟件對(duì)埋板進(jìn)行實(shí)體建模，通過計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)埋板承受較大荷載時(shí)，僅按規(guī)范中對(duì)錨板構(gòu)造要求配置其厚度是不一定滿足受力要求的，需要對(duì)錨板進(jìn)行具體的受力分析。

【Abstract】 The post-embedded components are the commonly used embedded components in the curtain wall structure. They are mainly used as a remedial measure for the leakage and burying position of the pre-structure， and also an extremely important part of the curtain wall stress system. The paper analyzes the stress of the anchor plate of post-embedding parts for the metro plate project of Shanghai Jinqiao Modern Industrial Service Park （Phase II）， and uses ANSYS finite element software to carry out the solid modeling of embedded plate. Through calculation and analysis， it is found that when the buried slab is subjected to large loads， the thickness of the anchor slab only according to the structural requirements of the code is not necessarily enough to meet the requirements of the force， so it is necessary to carry out specific stress analysis of the anchor slab.

【關(guān)鍵詞】后補(bǔ)埋件;錨板;ANSYS

【Keywords】 post-embedded components; anchor plate; ANSYS

【中圖分類號(hào)】TU3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻(xiàn)標(biāo)志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 【文章編號(hào)】1673-1069（2019）06-0137-03

1 引言

《混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程》中對(duì)錨栓的受力計(jì)算有著詳盡的規(guī)定，但是對(duì)于后補(bǔ)埋件的錨板厚度問題規(guī)定甚少，其中對(duì)錨栓計(jì)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(jié)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(jì)。基于以上要求，規(guī)范中對(duì)于錨板厚度做出了相應(yīng)要求，錨板厚度應(yīng)按照現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》進(jìn)行設(shè)計(jì)，且不應(yīng)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(duì)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(qiáng)度及剛度要求的，但是對(duì)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(dāng)幕墻結(jié)構(gòu)支撐外挑較大的情況下，僅僅滿足規(guī)范的構(gòu)造要求，是存在一定安全隱患的，需要結(jié)構(gòu)工程師的計(jì)算校核。

2 工程概況

上海金橋現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)服務(wù)園（Ⅱ期）地鐵板塊項(xiàng)目（簡稱金橋現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)園）位于浦東金海路南側(cè)，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(gè)數(shù)約為1.1萬個(gè)，前期混凝土施工時(shí)已配合放置預(yù)埋件。但因施工過程中的結(jié)構(gòu)偏差、工人操作不當(dāng)、幕墻方案調(diào)整等原因，造成了很多位置預(yù)埋件無法正常使用，只能后期埋設(shè)后補(bǔ)埋件。因埋件類型較多，本文無法一一列出，此處我們僅對(duì)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(biāo)準(zhǔn)位置的埋件進(jìn)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(jì)算模擬分析

3.1 計(jì)算條件

金橋現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)園項(xiàng)目計(jì)算條件：基本風(fēng)壓0.55kPa，地面粗糙度B類，抗震設(shè)防烈度7度，地震加速度0.1g，建筑標(biāo)高73m。玻璃幕墻和石材幕墻標(biāo)準(zhǔn)位置與結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)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。

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

3.2 埋件受力計(jì)算

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

3.3 計(jì)算邊界條件

錨板模擬計(jì)算時(shí)，連同與錨板焊接的角鋼轉(zhuǎn)接件一同建模分析，方便對(duì)錨板荷載進(jìn)行施加，荷載施加于外挑角鋼端部?；炷两Y(jié)構(gòu)和錨板分別采用實(shí)體建模模擬，錨板與錨栓連接開孔位置（6個(gè)錨孔）分別施加三向約束，混凝土結(jié)構(gòu)施加三向約束。為了考慮混凝土結(jié)構(gòu)與錨板之間能夠相互傳遞法向壓力和切向摩擦力，同時(shí)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(jìn)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(biāo)面（混凝土結(jié)構(gòu)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(jìn)行建模模擬計(jì)算的，ANSYS軟件是一款大型通用有限元分析軟件，被廣泛地應(yīng)用于工程技術(shù)領(lǐng)域。通常情況下，很多設(shè)計(jì)人員對(duì)于此類錨板受力分析時(shí)，僅對(duì)錨板進(jìn)行建模分析，不考慮混凝土對(duì)其產(chǎn)生的法向壓力支撐和切向摩擦作用，同時(shí)也未考慮埋件上焊接轉(zhuǎn)接件對(duì)錨板應(yīng)力分布的影響，荷載施加時(shí)直接將錨板受力值施加于錨板節(jié)點(diǎn)上，計(jì)算出來的結(jié)果偏于保守，與實(shí)際受力情況偏差較大，而且極其容易產(chǎn)生應(yīng)力集中的結(jié)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(fèi)了材料，此種計(jì)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(zhǔn)確地模擬錨板的受力情況，分別對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)和錨板結(jié)構(gòu)進(jìn)行實(shí)體建模，混凝土結(jié)構(gòu)梁及錨板單元類型均采用SOLID45單元，接觸單元類型目標(biāo)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(jì)算模型比較簡單，很顯然只有結(jié)構(gòu)梁外側(cè)表面和錨板內(nèi)側(cè)表面這兩個(gè)面存在接觸關(guān)系，我們定義這兩個(gè)面為一組接觸對(duì)。網(wǎng)格劃分時(shí)，對(duì)于包含接觸面實(shí)體（即錨板）要進(jìn)行細(xì)致的網(wǎng)格劃分，對(duì)于包含目標(biāo)面的實(shí)體（即混凝土結(jié)構(gòu)）進(jìn)行較粗的網(wǎng)格劃分。并通過參數(shù)設(shè)置，接觸單元被限制不得穿透目標(biāo)面，但是目標(biāo)面是可以穿透接觸面，因?yàn)槟繕?biāo)面被定義剛體表面。模型建好后，分別對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)施加UX、UY、UZ三個(gè)方向約束，對(duì)錨板開孔同樣施加UX、UY、UZ三個(gè)方向約束。模型圖詳見圖4、圖5。

3.5 錨板內(nèi)力分析結(jié)果

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

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

根據(jù)ANSYS有限元軟件導(dǎo)出的計(jì)算結(jié)果可知，玻璃幕墻位置后補(bǔ)埋件錨板最大應(yīng)力值為74.3MPa<215MPa，其強(qiáng)度利用率為35%。石材幕墻位置后補(bǔ)埋件錨板最大應(yīng)力值為171MPa<215MPa，其強(qiáng)度利用率為80%，兩塊錨板強(qiáng)度均滿足規(guī)范要求。石材幕墻位置錨板應(yīng)力利用率偏大，主要是因?yàn)槭哪粔Ρ旧碜灾睾奢d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(dǎo)致。根據(jù)圖10石材幕墻錨板應(yīng)力云圖二可以看出，錨板最大應(yīng)力位置出現(xiàn)在中間錨栓固定位置，和實(shí)際情況相符合，工程實(shí)際中也是此點(diǎn)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(jì)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(jì)算的基本假定，即被連接件與基材結(jié)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(jì)。

4 結(jié)語

本文通過采用ANSYS有限元軟件對(duì)上海金橋現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)服務(wù)園（Ⅱ期）地鐵板塊項(xiàng)目中的后補(bǔ)埋件的錨板進(jìn)行受力模擬分析，并對(duì)后補(bǔ)埋件的內(nèi)力分布特點(diǎn)和錨栓計(jì)算的假定條件進(jìn)行了初步探討，主要結(jié)論有：①首先根據(jù)規(guī)范中相關(guān)條文規(guī)定，對(duì)金橋現(xiàn)代產(chǎn)業(yè)園后補(bǔ)埋件的錨板尺寸及厚度進(jìn)行了初步定義，滿足規(guī)范構(gòu)造要求的前提下，對(duì)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(jì)算分析結(jié)果，驗(yàn)證了錨板及錨栓受力的最不利位置，可以指導(dǎo)我們明確實(shí)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(duì)石材幕墻后補(bǔ)埋件分析結(jié)果可知（應(yīng)力利用率80%），當(dāng)埋件承受較大荷載時(shí)，在滿足規(guī)范對(duì)錨板厚度構(gòu)造要求的同時(shí)，還應(yīng)對(duì)其進(jìn)行實(shí)體建模分析，根據(jù)計(jì)算結(jié)果確定實(shí)際工程中的錨板厚度。

【參考文獻(xiàn)】

【1】GJ 145—2004混凝土結(jié)構(gòu)后錨固技術(shù)規(guī)程[S].

【2】DGJ08562012 建筑幕墻工程技術(shù)規(guī)范[S].

【3】王新敏.ANSYS工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析[M].北京：人民交通出版社，2007.