论复杂工程中有限元整体建模结果与试验数据差别的探析

林云

摘要：幕墙工程是高层，超高层建筑外观主要选择形式，其系统选择上主要以单元式为主，而且建筑外观和建筑主体的变化性对幕墙结构计算有了更高的要求，传统计算方式在此已经不太适用，基于问题本文对单元式幕墙有限元整体建模计算结果与试验数据差别的探析。

关键词：单元式幕墙，结构计算问题

1.引言

对于在面内有倾角，面外也有倾角的复杂空间体系的计算，经典计算公式对实际工程实践意义不大，将规范计算公式应用于工程实践但应用范围有限，因此针对复杂的高层建筑采用有限元整体建模会相对适用一些。本文用工程实例对某项目PMU采用国际计算软件SAP2000 V20进行整体建模，并与四性试验数据作对比来，探析两者之间的差别并验证计算的准确性

2.项目特点及技术难点

2.1项目特点

（1）项目塔楼大部分幕墙龙骨为折线形式且跨度大。

（2）主龙骨含有悬挑300mm和750mm的装饰条。

（3）项目转角板块也带有大装饰条。

2.2技术难点与解决方法

原方案采用的是斜向龙骨通常（约40m）作为一个主受力构件，上下立柱通过螺钉与锌套连接并固定在主龙骨上。主龙骨的连接只能跟随着相对应的楼板与结构柱，通过计算发现单个连接件最大的受力部分已经达到300KN，其结果超过结构设计院提供的允许设计值。通过计算得出主龙骨截面高度为350 mm。将此截面在BIM模型中进行放样模拟,发现已经严重影响了建筑的内外效果。经过多次论证，并与设计院、业主沟通，最终决定简化受力模型，采用常规单元式幕墙做法将立柱做通常，横梁连接到立柱侧边，但是对连接位置做特殊加强处理。但是对于这种复杂的幕墙体系，其龙骨本身是折线且外侧装有大小装饰条，龙骨同时受到了正向风荷载、侧向风荷载、自重荷载等荷载作用。此时龙骨受力形式已经从二维受力变为空间三维受力体系。所以只用1.1和1.2的方法已经不能很准确的得出杆件的实际受力情况。经沟通最终选用SAP2000 V20进行整体建模计算，以模拟达到真实的受力结果，再通过结果来优化节点，并与试验数据做对比，对两者不同点进行探析，设计出比较完美的幕墙。

3.幕墙龙骨建模思路及主龙骨受力分析

对于本项目计算位置的的选取主要是考虑折线最大处，重点是考虑龙骨的强度以及龙骨的位移，强度保证幕墙的安全。

	龙骨建模按双支座考虑，上下层立柱连接考虑铰接，不传递弯矩，建模的时候将此处弯矩释放。
	大小装饰条位置立柱之间放置铝合金连接件L= 108mm，@812.5mm，起稳定作用。

由于龙骨布置比较复杂，如果直接从CAD或者计算软件里面进行建模，其效率和精度很难保证，所以采用BIM软件先建立表皮，然后通过GH得出杆件龙骨，并转化为CAD线条再导入到SAP2000 V20（图1）软件里对龙骨承载力及变形进行有限元分析。

SAP2000模型(图1)

由于进出位的限制和受力情况的复杂性，本项目最终采用双支座，下支座做竖向荷载释放。在不改变型材的基础上即增加了幕墙龙骨的安全性又提高了整体稳定性，模型中对横梁梁端做铰接处理，释放弯矩。（图2）

杆件释放（图2）

玻璃的重量通过集中力施加到横梁上（图3），横梁两端释放弯矩按铰接考虑。正向风荷载采用梯形和三角形荷载施加到主龙骨上，侧向风荷载按线荷载施加到装饰条龙骨上（图4），型材自重软件自动考虑，铝板自重按线荷载施加在悬挑装饰条骨上。

自重荷载分布图（图3）

WLX风荷载分布图 （图4-1） WLY风荷载分布图（图4-2）

3.1模型考虑的荷载组合及结果分析如（图5）所示。

(图5)

3.2龙骨强度计算

龙骨型材分布图 龙骨强度

3.3龙骨挠度计算

UX方向上立柱的最大位移 Uy方向上立柱的最大位移

Dx=12.639 mm < ( 4300-200-500)/300+5=17mm OK

Dy=16.75 4mm < ( 4300-200-500)/300+5=17mm OK

由上计算结果可以看出，龙骨强度挠度都满足要求。

4.PMU物理性能检测方案

试件尺寸：宽（7435+1990）mm×高12400mm，幕墙最大层高4300mm，立柱支座最大垂直间距3810mm,单元板块最大分格宽度2400mm×3800mm，玻璃最大分格（上宽1530mm,下宽1620mm）×高1900mm,开启上分格宽884mm×高1900mm，可开启部分面积占试件总面积的8.93%，幕墙分格及节点大样详见附图

附图

4.1检测过程中和检测完成后，试件应满足以下要求：

（1）铝合金构件：

L/175（单片玻璃），L/200（L≤3m,双层玻璃），L/300+5mm(3m

钢构件：L/250。

玻璃：L/60或25mm,两者中小值。

（2）锚具、框架、玻璃或板材无破坏；

（3）沿玻璃或者板材边结构无粘结失效；

（4）不允许出现玻璃胶条松动，以及耐候密封条失效现象。

4.2实验数据

主受力构件面法线挠度 测试测点布置示意图试件安装情况

主受力构件面法线挠度与压力差关系曲线

表1 主受力构件在50%Wk和100%Wk作用下的面法线挠度

主受力构件	组合立柱	板块内立柱	板块内立柱	转角立柱	组合立柱	板块内立柱	组合立柱	转角组合立柱
对应测点	1、2、3	4、5、6	7、8、9	10、11、12	13、14、15	16、17、18	19、20、21	22、23、24
杆长（L）	3570	3570	1720	3570	3545	3545	3545	3545
挠度限值	L/300+5	L/300+5	L/200	L/300+5	L/300+5	L/300+5	L/300+5	L/300+5
+2034Pa 下挠度	2.44	0.99	1.05	1.08	1.98	1.25	4.93	1.1
-2159.7Pa 下挠度	-3.96	-1.37	-0.93	-1.36	-2.03	-1.13	-4.64	-1.09
+4082.3Pa 下挠度	5.42	2.27	2.03	2.17	3.75	2.46	9.48	2.21
-4312.7Pa 下挠度	-9.04	-3.28	-2.15	-3.32	-4.34	-2.71	-9.71	-2.57
100%Wk下允许挠度	16.9	16.9	8.6	16.9	16.82	16.82	16.82	16.82

4.3试验结果

先后对试件施加50%Wk(+2035Pa/-2155Pa)、100%Wk(+4070Pa/-4310Pa)的正负压差并持续10秒，试件无损坏发生，各受力构件挠度均小于允许挠度。

4.4结语

从上述结论可以看出模型计算结果和试验结果均能满足结构安全要求，但是从数据上分析可以看出有限元模型结果会比实验数据更加保守，其结果应用到实际工程中更加安全。就此结果进行简单猜想：

（1）实际工程设计放大了安全系数，使其结果偏保守。

（2）因为整体有限元建模的时候对于单元耦合和单元间出现的半刚接情况不能准确的表达，比如当装饰条位置立柱之间放置铝合金连接件，两侧通过螺钉固定到立柱上，设置此型材的作用是增强立柱在侧向风荷载作用下的稳定性，通过将其根部弯矩转化为力偶，从而加强连接件强度与型材局部承压强度。但是理论计算的时候只能选用最不利的情况对杆件端部进行释放并验算，所以计算结果会偏大。而实际试验中此部分连接会和会随着整体的板块的整体位移而相对运动，其相对位移量或者说在风荷载作用下此部分受力会被相邻板块分担，故实际试验结果数据相对偏小。在以后的项目中，进行整体有限元建模应该着重考虑这种特殊部件的耦合效应具体分析，使结果更加趋于实际，并在保证安全的前提下尽量节约型材成本。

参考文献

[1]中华人民共和国行业标准.玻璃幕墙工程技术规范：JGJ102-2003[S].北京：中国建筑工业出版社，2003

[2] 中华人民共和国行业标准.建筑幕墙：GB/T21086-2007[S].北京：中国标准出版社。2008

[3]《建筑结构静力计算手册》.中国建筑工业出版社

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