基于ANSYSWorkbench幕墙单元体挂码强度分析

基于ANSYSWorkbench幕墙单元体挂码强度分析

陈莹

深圳市三鑫科技发展有限公司广东深圳518000

摘要：建筑幕墙以其整体美观、结构轻、采光好的特点，在建筑工程项目建设中得到了广泛应用。近年来，在科学技术创新发展与应用的推动下，建筑幕墙技术得到了进一步提升，越来越多地借助有限元软件得到更为真实的模拟分析进而得到优化设计[1]。文中通过CAD建立单元体挂码的三维模型，应用AnsysWorkbench软件进行有限元分析，得出应力、变形的分布情况，然后根据分析的结果在AnsysWorkbench下进行优化设计，得到了最优方案，为其设计提供了依据。

关键词：玻璃幕墙；挂码；AnsysWorkbench；有限元；模拟；计算

前言：

建筑幕墙广泛应用于高层建筑和大型公共类建筑上，作为建筑的外围护结构，幕墙的安全性也是最重要的部分。单元体挂码作为幕墙的一个关键部件，其产品的强度和寿命对整幅幕墙的可靠性和安全性影响很大，所以对挂码进行有限元分析和优化设计有着重大意义。本文通过实验对比发现，幕墙挂码接触受力最不利位置往往会被遗漏，而软件能很好地把挂码整体受力分析出来，也就能很好地补充理论计算不够全面的情况进而进行优化设计。

正文：

幕墙结构是建筑物外观结构的一部分，它必须在满足美观和实用功能的同时，根据幕墙结构的功能需求，对其构件的设计充分考虑使用要求和足够的强度、刚度[2]。设计过程中要考虑幕墙所可能承受的各种载荷。

由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。有限元分析（FEA）的基本概念是用较简单的问题代替复杂问题后再求解，用有限元法分析静动态强度和结构刚度，是现代设计的必要手段。采用现代有限元结构分析技术，使单元体挂码结构分析不再仅凭经验进行，并且可以获得设计的参变量（如结构形式、构件的几何尺寸等）与结构响应（如输出的应力和位移）之间的某种关系，还可以利用软件提供的可视化技术实时地观察计算分析的结果，而利用这些信息就可以对结构进行优化[3]。

本文以实际工程为例，对挂码进行优先于计算分析。武汉某工程，地面粗糙度：C类，基本风压0.35kPa；抗震设防烈度：6度。塔楼采用单元式幕墙，塔楼建筑标高为243m，玻璃面板采用中空夹胶玻璃8mm+12A+8mm+1.52PVB+8mm，标准板块尺寸1500mm（宽），4500mm（高），该工程取风洞试验报告风荷载作用标准值Wk=2.3KPa。得到支座连接处的反力值为Fx=23.48KN，Fz=7.76KN。

此处取单边挂码进行有限元分析，首先确定分析类型为静力结构分析。利用Workbench进行静力结构分析，一般包括以下基本步骤：①建立模型和划分网络。本文利用AutoCAD软件建立单元体挂码三维装配体，并将其保存为AnsysWorkbench支持的sat格式，再导入到软件中进行网格划分。②加载求解。为了准确模拟挂码的试验状态，本文是将挂码的两个部分一同导入，所以在确定约束和边界条件前需要先定义接触。在充分了解传力路径的基础上，对该挂码施加如下约束和边界条件。本文模型在挂码与主体结构连接处施加载荷，在挂码与立柱相互连接的面上进行约束位移（也可以通过在模型上新建螺栓孔印记面进行约束位移），得到前处理的AnsysWorkbench模型如图1所示。③后处理。在定义好约束和边界条件后，根据上述工况、载荷和约束条件，分别建立模型并进行计算，得出挂码的最大等效应力云图、最大位移云图及力作用云图。

VonMises等效应力σr可以表示为：σr＝[1/2（σ1－σ2）^2+1/2（σ2－σ3）^2＋1/2（σ3－σ1）^2]^0.5。零部件材料强度需要具备的条件为：σr≤［σ］。其中，［σ］为材料许用应力极限值；σ1、σ2、σ3为某一个点的3个主应力[4]。由图3和图4可知：最大应力值发生在挂码连接位置，由于采用平埋连接方式，原设计方案该位置位置铣掉了一段，只留宽10mm高78mm，在理论计算的时候荷载偏心产生的扭转效应往往被人们所忽略，通过Workbench模拟后发现该截面过于薄弱，修改方案将该处由78mm往上拉伸了35mm。调整后的模型最大应力为150.54MPa，由于该材料为6061-T6的最大屈服应力为240MPa，因此在该工况下挂码的等效应力小于材料的最大屈服应力。可见，该挂码结构满足设计要求。

注意事项：1、在AnsysWorkbench中进行网格划分选用合适的网格对计算的精准度有很大帮助；2、定义连接件的接触分析时，要确定接触类型，才能得到实际更为真实的受力情况。

结语：

随着经济技术的不断发展，新型建筑幕墙的材料逐渐得到推广和使用，人们改变了以往的传统思想，开始更加注重建筑幕墙结构安全问题。单元体挂码由于主体结构与幕墙面空间位置的不同，造型和连接方式也越来越多样，在进行理论计算的时候计算人员往往凭借主观意识选择最不利截面，这样容易造成误算或漏算，而这很可能直接导致挂码连接失效或者整体安全性得不到保障，因此建议在进行挂码连接设计的时候应尽量结合有限元软件分析和理论计算同步进行。

参考文献：

[1]浅谈国内玻璃幕墙工程的质量问题及解决对策[D].大连大学，2013.

[2]杨仟夏.建筑幕墙结构设计与优化[J].贵州大学，2016.

[3]王林.结构有限元分析实用方法及技巧[J].钢铁技术，2008

[4]白春玉，齐骞，牟让科，曹明红.基于经典VonMises应力的多轴等效应力修正方法研究[J].振动与冲击，2015