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        石材幕墻連接計算對比分析

        2020-10-29 07:12:10
        中國建材科技 2020年3期
        關(guān)鍵詞:掛件槽口剪應(yīng)力

        (上海富藝幕墻工程有限公司,上海 201617)

        0 引言

        石材作為外墻和裝飾材料歷史悠久,以其獨(dú)特的紋理和質(zhì)感備受青睞。尤其是當(dāng)代石材幕墻發(fā)展迅猛,應(yīng)用范圍十分廣泛,建成了各類特色建筑?;谏鐣l(fā)展需求,近年來石材幕墻高度已突破規(guī)范要求用于高層建筑,過程中也出現(xiàn)不少安全問題,石材面板墜落事件時有發(fā)生,故其安全可靠性受到廣泛關(guān)注。石材密度大板塊重,掛點承受自重大。基于天然材料的特性,材質(zhì)離散型較大[1]且細(xì)微裂紋難以發(fā)現(xiàn)。另外,石材屬于脆性材料,掛件處局部強(qiáng)度是石材防墜落安全保證的基礎(chǔ)。

        本文針對石材幕墻的以上特點及現(xiàn)狀,結(jié)合規(guī)范、材料力學(xué)公式和ANSYS WORKBENCH有限元對石材幕墻槽口連接進(jìn)行對比分析[2],確定設(shè)計中的薄弱環(huán)節(jié),指導(dǎo)工程實踐,保證設(shè)計的合理、安全。分析研究的切入點是,按石材幕墻傳力方式,對石材槽口、金屬掛件兩個部位進(jìn)行局部強(qiáng)度分析,采用公式計算和有限元兩種方法對比,分析其結(jié)果差異性并提出合理化建議。

        1 石材槽口強(qiáng)度分析

        目前石材幕墻掛件連接主要分為鋁合金短槽與背栓。早期的鋼銷及蝴蝶碼連接方式已被淘汰,而通槽系統(tǒng)在工程中使用極少。背栓系統(tǒng)可靠度高,但由于造價偏高,只能根據(jù)市場情況綜合考慮采用。故工程中廣泛采用的是鋁合金短槽系統(tǒng)。

        一般面板采用上下短槽連接,共4個連接點(即4個短槽)。由于不像玻璃、鋁板等面板四邊支撐,石材幕墻面板屬于點支撐,支撐連接部位搭接面積小,局部應(yīng)力集中明顯,尤其是開槽后受力更為復(fù)雜,導(dǎo)致短槽石材掛件部位強(qiáng)度是石材幕墻最薄弱處,是石材幕墻安全最關(guān)鍵的控制點。

        按照規(guī)范要求,石材槽口部位僅需要驗算剪應(yīng)力,而掛件并非直接作用于槽口根部,即掛件作用點到計算截面有偏心,故槽口部位必然產(chǎn)生彎矩,彎曲應(yīng)力也應(yīng)予以校核,脆性材料按第一強(qiáng)度理論控制第一主應(yīng)力。

        現(xiàn)以上海某項目為例,對石材槽口部位抗剪、抗彎進(jìn)行對比。風(fēng)荷載地面粗糙度取B類,高度25m,角部區(qū)域風(fēng)荷載體型系數(shù)us=1.6,花崗石厚度30mm,板塊分格寬×高為1.0m×0.6m,掛件系統(tǒng)如圖1(豎剖)、圖2(橫剖),開槽方式見圖3,槽口布置見圖4。

        圖1 豎剖節(jié)點

        圖2 橫剖節(jié)點

        圖3 開槽方式

        圖4 槽口布置

        1.1 公式計算

        圖5 槽口局部尺寸

        根據(jù)初步定性分析,槽口內(nèi)側(cè)根部受力最為不利。金屬掛件厚度導(dǎo)致槽口內(nèi)側(cè)受剪面積比外側(cè)小。另外,常規(guī)情況下計算負(fù)風(fēng)壓大于正風(fēng)壓,負(fù)風(fēng)壓通過填充膠傳遞給槽口內(nèi)側(cè)石材,并由該計算截面全部承擔(dān),而正風(fēng)壓大部分傳遞給石材背面橡膠墊片與金屬掛件,為承壓受力方式,而石材的抗壓承載力大于100MPa。根據(jù)規(guī)范計算寬度取總厚度減去開槽寬度,鑒于一般項目現(xiàn)場施工情況,槽口內(nèi)填充膠體不密實,且AB膠抗拉強(qiáng)度不明確,故本計算只考慮受壓側(cè)面槽口有效厚度,即按最不利受力方式取11.5mm,見圖5。有限元模型中計算厚度也按照11.5mm,外側(cè)石材與填充膠之間按“Rough”接觸類型,接觸面之間無拉應(yīng)力,從而確保負(fù)風(fēng)壓在掛件處壓力全部傳遞給內(nèi)側(cè)石材。

        為方便與有限元計算結(jié)果對比,應(yīng)力調(diào)整系數(shù)β不予以考慮,由于該系數(shù)為線性值,計算結(jié)果可直接乘上該值而不影響對比結(jié)果。

        1)槽口截面抗剪計算

        風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值(wk≥1.0kN/m)[2-3]:1.87kN/m2

        石材計算厚度t:30mm

        30mm厚花崗石重力面密度Gk:0.85kN/m2

        水平地震作用標(biāo)準(zhǔn)值qEk=βEαmaxGk[4]:0.353kN/m

        水平荷載設(shè)計值qh=γωΨωwk+γEΨEqEk:3.06kN/m2

        石材分格寬度W:1000mm

        石材分格高度H:600mm

        石材抗彎承載力設(shè)計值fs(MU110等級):3.7N/mm2

        石材抗剪承載力設(shè)計值fsv:1.9N/mm2

        單個板塊掛件數(shù)量n:4

        槽口計算寬度b:11.5mm

        單個槽底總長度s:133.8mm

        石材槽口最大剪應(yīng)力τ[3-4]:

        τ==0.30MPa<1.9MPa

        滿足抗剪要求。

        2)槽口截面抗彎計算

        計算截面寬度:133.8mm

        計算截面厚度:11.5mm

        單個槽口反力設(shè)計值:460N

        單個槽口彎矩設(shè)計值:18860Nmm(集中荷載簡化作用于掛件與石材接觸面中點)

        槽口彎曲正應(yīng)力設(shè)計值:6.39MPa>3.7MPa

        超過石材抗彎強(qiáng)度設(shè)計值,需與有限元計算結(jié)果進(jìn)行對比。

        1.2 有限元計算

        圖6 整體模型

        石材面板與掛件采用實體建模,采用ANSYS WORKBENCH平臺進(jìn)行模擬。計算模型采用整體模型和局部模型。由于石材重量采用下支撐,受力復(fù)雜,故對下部槽口進(jìn)行全比例建模,充分考慮各部分實際剛度與接觸受力,上部槽口采用簡化滑動鉸接支座。整體模型見圖6(石材背面視圖),槽口細(xì)節(jié)見圖7。為對比整體模型計算結(jié)構(gòu)的可靠性,還考慮局部模型,對局部采用更小單元網(wǎng)格劃分,以直接加載方式進(jìn)行計算。

        規(guī)范要求石材槽口內(nèi)填嵌膠粘劑充盈度應(yīng)不小于80%[5],計算模型中膠粘劑不填滿,僅考慮掛件與石材正對面空間內(nèi)填充。膠粘劑彈性模量取2000MPa,壓剪強(qiáng)度取標(biāo)準(zhǔn)條件下數(shù)值10MPa[6]。橡膠墊片彈性模量取6000MPa。

        圖7 槽口細(xì)節(jié)

        為避免畸變應(yīng)力影響,各計算截面陰角部位均按R=1mm倒圓角。石材槽口內(nèi)側(cè)長邊界單元劃分尺寸7mm,相對短邊部位控制在0.7~3mm之間,其他部位單元劃分尺寸按照默認(rèn)設(shè)置。槽口外側(cè)膠粘劑為Rough接觸,內(nèi)側(cè)為No Separation接觸,膠粘劑、橡膠墊與鋁合金之間為Bond接觸,鋁合金掛件之間、掛件與角鋼橫梁之間為Frictionless接觸,其他根據(jù)受力情況簡化設(shè)置。

        角鋼橫梁兩端為鉸接支座并約束扭轉(zhuǎn),上部掛件為鉸接支座。水平荷載以均布荷載作用于石材外表面,自重按重力加速度考慮,荷載均為設(shè)計值。

        石材最大應(yīng)力發(fā)生在槽口部位,最大主應(yīng)力σ1=6.7642MPa(圖8),最大剪應(yīng)力τ=1.8608MPa(圖9)(剖切面顯示,向上為石材外表面方向)。

        圖8 整體模型主應(yīng)力云圖

        以整體模型為基礎(chǔ)對局部網(wǎng)格細(xì)化,單元尺寸控制3mm,石材周邊為簡支邊,局部施加盒子,重點分析局部應(yīng)力。最大主應(yīng)力σ1=7.315MPa(圖10),最大剪應(yīng)力τ=1.7419MPa(圖11),與整體模型計算結(jié)果基本一致,由此可判斷有限元計算結(jié)果可靠性。最小剪應(yīng)力-10.454位于石材邊緣尖角處,屬于應(yīng)力奇異,非危險部位結(jié)果可忽略。

        有限元整體模型、局部模型計算結(jié)果趨于一致,數(shù)值相差6%~8%范圍內(nèi)。公式計算最大剪應(yīng)力0.30MPa,與有限元整體模型、局部模型計算結(jié)果平均值差異較大,有限元結(jié)果是公式計算的6.03倍;公式計算最大主應(yīng)力6.39MPa,與有限元計算結(jié)果平均值接近,相差10.2%,兩種計算方法主應(yīng)力超過石材抗彎強(qiáng)度設(shè)計值,但均小于花崗石強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值最小值8MPa。剪應(yīng)力與正應(yīng)力結(jié)果均顯示該局部應(yīng)力水平高、分布復(fù)雜。

        圖9 整體模型剪應(yīng)力云圖

        圖10 細(xì)分模型主應(yīng)力云圖

        圖11 細(xì)分模型剪應(yīng)力云圖

        1.3 小結(jié)

        1)公式與有限元結(jié)果對比:剪應(yīng)力差異大,最大主應(yīng)力比較接近;2)由于槽口抗彎沒有相關(guān)簡化計算方法,且局部應(yīng)力大,有限元結(jié)果提示槽口應(yīng)力分布復(fù)雜,需要深入研究并以試驗來驗證;3)規(guī)范公式考慮槽口內(nèi)外雙層石材共同受力,還有待進(jìn)一步研究;4)本計算未考慮槽口微損傷,石材自身強(qiáng)度特征值安全系數(shù)及質(zhì)量驗收標(biāo)準(zhǔn)來保證。

        2 掛件抗彎強(qiáng)度分析

        鋁合金掛件簡化計算中,掛件與角鋼之間按固接,力的作用點取最不利位置,即自重作用點取石材面板重心、水平荷載作用點取掛件接觸中點,不考慮安裝誤差。

        2.1 公式計算

        水平荷載設(shè)計值qh:3.06kN/m2

        自重均布荷載設(shè)計值qg:1.10kN/m2

        石材單個槽口受水平力設(shè)計值N=qhwh/4:0.46kN/m2

        石材單個槽口受豎向力(自重)設(shè)計值V=qgwh/2:0.33kN

        豎向力偏心L:45mm

        水平力偏心e:46.5mm(見圖12)

        圖12 掛件偏心尺寸

        彎矩設(shè)計值M=VL+Ne:35834.8Nmm

        鋁合金掛件截面寬度b:95mm

        鋁合金掛件截面厚度t:5mm

        抗彎截面模量W=bt2/6:395.8mm3

        鋁合金抗彎強(qiáng)度設(shè)計值(6063-T6):150MPa

        計算截面正應(yīng)力設(shè)計值σ:

        σ=M/W=81.1MPa<150MPa

        鋁合金掛件抗彎滿足強(qiáng)度要求。

        2.2 有限元計算

        圖13 整體模型等效應(yīng)力云圖

        計算模型即槽口計算整體模型。鋁合金掛件之間為橡膠墊片,墊片一側(cè)為Bond接觸,另一側(cè)為Frictionless接觸,保證掛件之間為可自由滑動頂緊連接。由于膠粘劑、橡膠墊片彈性模量相對石材、鋁合金較小,模型中通過模擬軟性材料壓縮及接觸,充分考慮各個材料之間的接觸影響,

        整體模型鋁合金掛件根部最大等效應(yīng)力25.417MPa(圖13),局部模型根部最大應(yīng)力26.089MPa(圖14)。

        圖14 局部模型等效應(yīng)力云圖

        2.3 小結(jié)

        1)公式計算計算結(jié)果比有限元計算結(jié)果偏大,可能由于簡化模型中作用點取最不利值,而有限元計算過程中力矩重分配使得彎矩降低;2)以往幕墻測試結(jié)果也驗證掛件滿足安全要求,故公式計算結(jié)果偏于保守,能夠保證結(jié)構(gòu)安全。

        3 結(jié)語

        1)通過有限元對比計算,負(fù)風(fēng)壓作用下公式計算抗剪強(qiáng)度不夠全面且應(yīng)力偏低,另外石材槽口應(yīng)力分布復(fù)雜,彎曲應(yīng)力大,在工程設(shè)計中需要重點考慮,有待更深入研究,并以試驗來驗證;

        2)金屬掛件強(qiáng)度計算按照材料力學(xué)公式,取最不利力臂,能夠保證結(jié)構(gòu)安全;

        3)局部連接強(qiáng)度應(yīng)同時通過公式計算、有限元對比分析和試驗驗證,才能充分保證石材幕墻掛件連接安全性。

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