杨志威 吴 昊 匡友弟 暨南大学力学与建筑工程学院
铝板幕墙广泛应用于高层建筑，尤其是在沿海地区，铝板幕墙的安全性受到了极大的挑战。利用有限元方法对铝板幕墙进行安全性评估是有效的方式之一[1]。中北大学应用力学研究所宋海罡等[2]对金属幕墙中铝单板加强肋布置及受力进行了研究，开展了理论计算与有限元分析。远大铝业工程有限公司的甘旭东[3]采用ANSYS 软件对金属幕墙仿真中的问题进行了探讨。深圳方大装饰工程有限公司的胡轶[4]认为照规范上的“中肋支承线设为固定边”这种假设与真实情况有较大出入。
现有铝板幕墙规范[5]以及文献的有限元仿真中，只评估铝板幕墙板面的应力与变形，忽略了卷边、角码、卷边孔洞以及铆钉的影响，而实际铝板通过铆钉、角码在卷边处与龙骨连接。工程中观察到的破坏形式常为铆钉处铝板撕裂，或者角码开孔处冲剪破坏，受弯破坏的情况极少出现。考虑这些，本文采用铝板幕墙全实体有限元建模，还原实际工程情况，即考虑了卷边、角码、孔洞和铆钉，利用ANSYS 软件进行了风荷载下大变形数值模拟，并对比分析有限元结果与规范公式计算结果，综合评估铝板幕墙的安全性。
2.1 应力计算
考虑风荷载大挠度变形的影响，按下列公式计算：
式中：
σ——风荷载标准值作用下的最大弯曲应力值（N/mm2）；
ω——垂直于面板的风荷载标准值（N/mm2）；
l——金属板区格的短边边长（mm）；
m——板的弯矩系数，可根据其边界条件由规范确定；
E——金属板的弹性模量（N/mm2）；
t——面板厚度（mm）；
θ——无量纲参数；
η——折减系数，由参数θ给出。
2.2 挠度计算
当进行板的挠度计算时，也应考虑大变形的影响，按下列公式计算：
式中：
df——风荷载标准值下的最大挠度值（mm）；
μ——挠度系数，可由区格边长比和其边界条件确定；
D——面板的弯曲刚度（N·mm）；
ν——泊松比。
3.1 模型概述
本文以3mm厚铝板，面板尺寸为1.2m×2.5m的设计为例，建立全实体模型（见图1），按照规范设置4根加筋肋（见图2），加筋肋间距为500mm，其中按照规范，每个长边设置8个角码，每个短边设置5个角码，每个角码上布置两个铆钉（见图3），卷边高度20mm。本文采用绘图软件UG（交互式CAD/CAM 系统）绘制铝板幕墙几何模型，然后将其导入ANSYS 中进行求解分析。
图1 全实体模型
图2 加筋肋截面尺寸图
图3 角码及铆钉尺寸
3.2 单元类型及网格划分
还原实际工程情况，建立由铝板、加筋肋、卷边、铆钉及角码铆钉组成的全实体模型。铝板和加筋肋这种薄壁结构采用壳（Shell）单元[6]。卷边、角码和铆钉采用实体（solid）单元，采用Mapped 方式对各部件进行网格划分，并开启ANSYS的大变形计算功能。
3.3 边界条件与荷载
全实体模型如图4所示，由于角码通过铆钉和龙骨固定，因此角码与龙骨相邻的部分可视为固定端（龙骨作为骨架结构其变形远小于其他构件变形，可简化为完全固定构件），因此，在计算时将龙骨略去，其他部位与铝板卷边相连接可变形，故如图4所示将角码上端面设置固定约束。风荷载垂直均布于板面（正压）。
图4 边界条件
3.4 计算结果与讨论
先采用有限元方法研究了最大变形和应力所在的位置。板面施加1kPa 风荷载情况下，铝板面板的最大挠度值为3.71mm（见图5），出现在板中附近位置。最大应力值为37.65MPa（见图6），出现在靠第一根加筋肋近卷边处；
加筋肋的最大挠度值为2.92mm（见图7），出现在加筋肋中间位置，加筋肋最大应力值为40.3MPa（见图8），出现在中间加筋肋靠近卷边处；
角码上最大应力48.3MPa（见图9），出现在开孔处；
卷边开孔处最大应力为67.9MPa（见图10）。
图5 铝板位移云图
图6 铝板最大应力云图
图7 加筋肋位移云图
图8 加筋肋应力云图
图9 角码应力云图
图10 卷边孔洞应力云图
然后比较了不同风荷载下有限元结果和规范公式结算结果。考虑0.5kPa、1kPa、1.5kPa、2kPa、2.5kPa风荷载值，对铝板的最大挠度和应力，加筋肋最大挠度和应力以及卷边开孔处最大应力分别绘于图11～图14。其中铝板面板变形规范限值B/90=13.33mm，加筋肋变形规范限值B/120=10mm，其中B为铝板宽度。由上图11、图13 和图14 可知：对于铝板面板最大挠度、加筋肋上的最大挠度和应力，规范公式计算结果与有限元模拟结果一致。而图12 表明：铝板面板最大应力有限元结果约为规范公式给出的两倍，铝板卷边孔洞上的最大应力有限元结果约为规范公式给出的四倍。原因在于：规范公式的提出没有考虑卷边、角码、铆钉和孔洞的影响，由于孔洞处的应力集中效应，其附近应力远比铝板面板的应力高。
图11 铝板面板最大挠度
图12 铝板面板和卷边开孔处最大应力
图13 加筋肋最大挠度
图14 加筋肋最大应力
本文采用全实体有限元数值模拟，从应力和变形的角度对铝板幕墙的安全性进行了评估。与规范简化公式对比研究发现：规范简化公式与有限元模拟预测的铝板应力存在显著偏差。本工作可为铝板幕墙设计和安全性评估提供参考。
猜你喜欢 铝板铆钉挠度 压合铆钉碎屑导致内短的改善印制电路信息(2022年9期)2022-11-10重卡用环槽铆钉的性能研究汽车零部件(2022年9期)2022-09-30黑色铆钉小资CHIC！ELEGANCE(2022年3期)2022-01-11基于三维激光扫描大跨径桥梁挠度变形监测方法的探究交通科技与管理(2021年13期)2021-09-10集中载荷作用下大挠度悬臂梁的计算机仿真河北工业大学学报(2021年2期)2021-06-15基于LabVIEW的装配车体挠度无线快速测量系统现代信息科技(2021年14期)2021-01-14锌系磷化应对钢铝混合车身要求浅析汽车实用技术(2020年15期)2020-10-20左固右简箱型梁剪力滞效应的分析科技视界(2020年11期)2020-05-29车用铝合金中铝板冲压的设计及生产的关键技术中国新技术新产品(2019年7期)2019-05-21数学命题时要考虑可操作性小学教学参考(数学)(2019年3期)2019-04-12