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

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

圖1 幕墻后補(bǔ)埋件

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(jiǎn)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。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)玻璃幕墻與結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)

圖3 標(biāo)準(zhǔn)石材幕墻與結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)

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(jiǎn)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。

表1

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。混凝土結(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。可把它們看作一組剛體—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(jiǎn)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4 玻璃幕墻后補(bǔ)埋件模型圖

圖5 石材幕墻后補(bǔ)埋件模型圖

圖6 玻璃幕墻錨板應(yīng)力云圖一（單位 N/m2）

圖7 玻璃幕墻錨板應(yīng)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(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。

圖9 石材幕墻錨板應(yīng)力云圖一（單位N/m2）

圖10 石材幕墻錨板應(yīng)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(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。