上海远大铝业工程有限公司 201816
摘要：大型通用有限元软件ANSYS由于具有方便的建模功能，快速的求解能力及强大的后处理能力，可以方便的、比较准确的对结构及其构件进行计算分析。由于幕墙相应的规范中很少介绍ANSYS在幕墙体系中的应用，所以本文尝试利用有限元计算程序ANSYS对幕墙规范中没有规定或者按照规定条款计算非常复杂的情况进行数值模拟计算，通过模拟分析，可以验证公式并弥补幕墙规范中理论公式的不足，同时提高幕墙产品的设计速度及精度，为非标准及非常规幕墙的计算提供了新的思路和设计依据。
关键词：ANSYS；幕墙；数值模拟；理论验证
1．引言
建筑幕墙是一种外围护结构，是现代时尚建筑的重要标志，幕墙行业在我国经过几十年的跨越发展，幕墙的材料及构造均不断推陈出新，尤其是幕墙结构形式日新月异，现行《玻璃幕墙工程技术规范》很难对所有结构计算都提供理论公式，所以急需相应的计算方法对规范提供一定的补充。ANSYS是一种结合结构、热、流体、电磁和声学于一体的大型通用有限元分析软件，它不断吸收当今世界最新的计算方法和计算机技术，可广泛应用于土木、航空航天、机械、汽车交通、电子等工程的分析和科学研究，已逐渐成为工程师实现工程创新和产品创新的得力助手和有效工具，因此本文将通过ANSYS软件，对幕墙工程中的几个案例分别进行数值模拟，为非常规幕墙的计算提供了新的算法，通过计算分析，即保证了幕墙的安全性及使用性能，同时又为幕墙设计及施工提供计算依据。
2．ANSYS在冷弯玻璃中的应用
玻璃冷弯技术是实现曲面建筑外饰效果采用的主要方法，在幕墙设计时，现行规范中没有相应的计算依据及方法，只能通过实验和数值模拟来检验是否可行，本文通过在ANSYS中对玻璃一个角点施加位移荷载，使四点不共面，进行计算分析，根据计算结果得到冷弯玻璃应力分布基本规律，为实际工程提供参考依据。
2.1基本概况
玻璃面板信息如下：
玻璃最大宽度：L=1.25m
玻璃最大高度：H=3.0m
玻璃配置：6+12A+6钢化玻璃
玻璃约束型式：四边简支
2.2模拟计算
表1.1玻璃在位移荷载下的结果分析
通过表1.1的数据表格可以发现，玻璃的内应力随着翘曲荷载的增加而不断增长，当位移荷载为玻璃短跨的1/20时，玻璃的应力值为13.4Mpa，仍在允许安全范围内。从图1-7可以看出，玻璃冷弯模拟过程的最大应力点基本发生在玻璃的边角部区域，这是应力集中的一种表现，所以在实际工程中应注意大尺度冷弯玻璃的磨边处理工艺，适当提高打磨精度，以减少玻璃使用过程中的破损率。同时还应注意冷弯玻璃在风荷载作用下的应力分布规律，适当的提高安全储备。
2.3结构胶计算结果分析
中空玻璃一般由玻璃原片、中间气体间隔层、槽边缘密封系统组成，而边缘密封系统在玻璃冷弯后，玻璃原片发生应力变形，对边缘密封材料产生的影响会关系到中间气体间隔层的密封问题，如果发生胶体破坏，中空玻璃的将丧失保温作用，对工程保温性能会产生较大的影响，因些本节通过数值模拟来验证以上结果。
由于结构胶在角部位移荷载最大处相对位移最大，模拟中取该处结构胶（10mmx10mmx12mm立方体）来计算分析其最大剪切位移时的应力。根据玻璃角部位移量的几种不同情况，分别计算结构胶的应力值。计算中结构胶弹性模量取1.2e6Pa，泊松比0.5，计算时模型单元设为solid45。
图9 结构胶受力模型 图10 L/120位移荷载时结构胶应力值
通过计算模拟可以发现，无论哪种情况结构胶的最大应力值均产生在角点位移最大处。当玻璃单角位移下压到玻璃短边的L/30时，结构胶的应力值超过规范要求。当玻璃单角位移下压到玻璃短边的L/60时，结构胶的强度可以满足规范要求，计算结果表明：玻璃角点位移不超过规范规定的玻璃挠度限值的要求时，结构胶完全可以克服冷弯时产生的的微小内外片玻璃位移，在周圈结构胶未失效的情况下，冷弯玻璃也不会出现中空层失效的情况，应用冷弯技术的工程无需担心中空层由于冷弯原因造成失效的情况。
3．ANSYS在穿孔铝板中的应用
穿孔铝板作为普通铝板的变异形式，在幕墙中的应用越来越广泛，但是《金属与石材幕墙工程技术规范》只有对标准铝板的计算相关公式，而没有穿孔铝板的相关要求，由于穿孔铝板开了很多孔洞，削弱了面板的强度，这就给穿孔铝板的设计和计算带来比较大的难度，本文尝试利用ANSYSY中的布尔运算功能来实现这一工况，并选取同样规格的普通铝板进行对比，得出相应的结论。
图20 普通铝板应力云图 图21 普通铝板变形云图
表1.2穿孔铝板与普通铝板对比结果
通过ANSYS对不同铝板形式的计算分析，从表1.2可以看出，穿孔铝板在同样条件下，应力值是普通铝板的2倍，并且，在孔间部分有着明显的应力集中，这样就确定了穿孔铝板的薄弱部位，为穿孔铝板选型提供了有力的参考，实际工程中采用铝板评估穿孔板性能，仅通过透风率折减风荷载的计算方法是不可靠的。4．ANSYS在横梁扭转计算中的应用
在工程实践中，角钢常作为石材面板的横梁，由于石材面板的作用力基本不通过角钢截面的剪心，所以，横梁是既弯又扭的结构，《钢结构设计规范》一般通过构造措施来阻止构件扭转，但是对于幕墙中的横向龙骨，构造空间有限，不能保证每个节点都能采取有效的抵抗扭转的构造措施，所以，有必要对没采取措施的角钢横梁进行弯扭组合的分析，避免由于未考虑偏心扭转效应带来的不利影响。
在对这些结构进行的扭转分析中，我们常常需要用到梁截面的几何特性，特别是截面的扭转常数和翘曲常数。过去传统的方法是采用手算的方法进行梁截面几何特性的求解，这样做虽然是最基本的方法，但已与实际工程对速度和精度的要求不相适应。为寻求一种既准确又省时的计算方法，本文采用ANSYS软件实现了对角钢横梁的弯扭计算分析。
角钢横梁的截面形式为开口截面，抗扭刚度很差，从图24、图25可以看出，考虑扭转效应的应力值是不考虑扭转效应应力值的2倍，这是因为扭矩作用下杆件各截面的翘曲不相同，杆件的纵向纤维将发生拉伸或压缩变形。因此角钢截面不仅有很大的剪应力，同时还有约束扭转正应力，并且约束扭转正应力与弯曲正应力叠加。通过数值模拟，方便的解决了偏心荷载作用下开口截面的弯扭计算分析，计算结果更接近实际受力状态。
5．ANSY在钢板肋稳定计算中的应用
系统结构在丧失其直线形状的平衡而过度为曲线平衡，称为丧失稳定，简称失稳，也称屈曲。屈曲表现为强度失效完全不同的性质。系统失效后，微小的外界扰动的增加，其变形将显著的增加，所以研究系统结构稳定性在工程中显的尤为重要。在幕墙工程中，很多结构需评定其稳定性，但实际幕墙工程，为了满足建筑效果，受力构件所选的截面均较小或者不是很常规，很难从规范中找到设计依据，给计算带来了相当大的麻烦，本文通
过ANSYS中的屈曲分析技术，对实际工程中的“钢板肋”系统进行屈曲分析，为实现建筑效果，满足结构受力性能的要求，提供了思路。
在确定临界荷载时,我们用的是ANSYS的特征值屈曲分析中的凝聚法来进行分析,通过扩展解来得到要观察的屈曲模态。由屈曲分析得到的特征值是屈曲荷载系数，即屈曲因子，而屈曲荷载等于该系数乘以所施加的荷载。
模拟中采用的构件为横截面为150mm×18mm的钢板肋，钢板肋是玻璃肋的一种变异，一般限于幕墙构件中使用，现行规范中没有此种截面的稳定性验算，所以通过模拟计算来弥补规范中的未规定的领域。
表1.3屈曲模态及屈曲因子
计算结果中提取前6阶屈曲模态，第一阶模态的屈曲因子为5.7387，根据我国《空间网格结构技术规程》的规定，屈曲荷载系数为4.2，本节计算实例的屈曲荷载系数为5.7387>4.2,大于规范规定值，计算可以满足设计使用要求，并用具有一定的安全储备。通过计算机的模拟，钢肋的设计有了充分的设计依据。
6．结论
随着幕墙结构形式的不断发展，幕墙技术的不断更新，规范中的理论公式很难满足实际工作的需要，本文利用ANSYS对几个工程案例进行计算模拟，得出如下主要结论:
（1）ANSYS强大的建模能力可建立各种复杂的几何模型，如穿孔铝板这样的实体，减少过多的计算假设带来的不确定性影响，可使计算结果更接近实际情况，提高设计的准确性和工作效率。
（2）强大的求解功能，如特征值求解法应用于屈曲计算中，为稳定承载能力的预测提供了简便的方法。
（3）良好的后处理能力，可以获得任何单元的应力值，及时准确的确定应力集中的位置，并对于存在应力集中的构件提供预警，减少由此带来的安全隐患，为保证结构的安全性能提供了理论支撑。
由以上可见，ANSYS有限元分析技术应用在幕墙计算中，可以由计算机模拟来预知产品的受力性能，这将加快产品设计的速度并提高计算精度，为设计人员科学的选择面材、型材、配件提供了准确的理论依据。
参考文献
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论文作者:倪镇国
论文发表刊物:《基层建设》2018年第10期
论文发表时间:2018/6/5
标签：幕墙论文; 应力论文; 屈曲论文; 玻璃论文; 荷载论文; 截面论文; 铝板论文; 《基层建设》2018年第10期论文;