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摘要：高層建筑幕墻的外觀造型設(shè)計(jì)，一般比較復(fù)雜而獨(dú)特，幕墻前置預(yù)錨板往往有偏差或有漏埋，那么就必須根據(jù)幕墻板塊所受的荷載，采用有限元重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以便補(bǔ)充后置錨板。
關(guān)鍵詞：后置錨板荷載 有限元 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
1、引言
高層建筑（詞條“高層建筑”由行業(yè)大百科提供）幕墻的外觀造型設(shè)計(jì)，由于比較復(fù)雜而獨(dú)特，一般采用金屬構(gòu)件作為支承結(jié)構(gòu)，再通過鋼制轉(zhuǎn)接件和預(yù)埋錨板與建筑主體結(jié)構(gòu)連接組成幕墻支承體系。但是幕墻前置預(yù)錨板往往有偏差或有漏埋，那么就必須根據(jù)幕墻板塊所受的荷載，采用SAP2000有限元重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以便補(bǔ)充后置錨板，特別是更復(fù)雜的轉(zhuǎn)角類錨板。
2、工程設(shè)計(jì)條件
南京濱江某超高層建筑幕墻工程，建筑物地區(qū)類別：A類；抗震設(shè)防烈度:7度(0.1g)；基本風(fēng)壓:0.40KN/m2；鋼結(jié)構(gòu)造型幕墻計(jì)算標(biāo)高:149.8m，補(bǔ)充計(jì)算幕墻后置錨板參數(shù)。
2.1 錨板材料參數(shù)
選擇錨板尺寸基本參數(shù)：300×200×10、材質(zhì)為Q235B；
2.2 ； 錨板計(jì)算參數(shù)
根據(jù)幕墻結(jié)構(gòu)的受力計(jì)算，得到錨板荷載基本參數(shù)(按包絡(luò)取值)為：
錨板總剪力(Z向)為：V=2070N；
錨板總軸力(Y向)為：F=4420N；
那么，轉(zhuǎn)接件按工程實(shí)際尺寸為324×100×8mm，計(jì)算等效模型則可以把鋼制轉(zhuǎn)接件設(shè)為L型：L100×324×8，建立計(jì)算模型。
3、建立分析模型
按工程實(shí)際錨板尺寸300×200×10與兩個(gè)間距85mm的轉(zhuǎn)接件規(guī)格L100×324×8繪制。此例模型較為簡單，可以直接在SAP2000中的新模板方式建立幕墻后置錨板分析模型。
3.1 創(chuàng)建模型
本例我們可以先定義軸網(wǎng)數(shù)據(jù)的命令方式建立模型，具體操作如下：
(1)初始化設(shè)置
啟動(dòng)SAP2000軟件，顯示程序界面進(jìn)行初始化設(shè)置：
命令路徑：點(diǎn)擊界面左上角工具條中【文件F】➩【新模型】彈出對話框，在“初始化選項(xiàng)”界面中點(diǎn)擊【默認(rèn)設(shè)置初始化模型】(initialize Model from Default Settings)，選擇【默認(rèn)單位】(Default Units)單位始化制為“N, mm,C”；選擇【默認(rèn)材料】(Default Materials)在【保存默認(rèn)選項(xiàng)】上打鉤þ ；此時(shí)也可以點(diǎn)擊【修改/顯示信息】按鈕，用于以后方便制作報(bào)告封面。
(2)定義軸網(wǎng)數(shù)據(jù)
軸網(wǎng)由坐標(biāo)系組成，通過添加附加笛卡爾坐標(biāo)系就能生成我們所需要的軸網(wǎng)系統(tǒng)。
①點(diǎn)擊【軸網(wǎng)】按鈕，顯示“快速繪制軸網(wǎng)線”界面，設(shè)置軸網(wǎng)參數(shù)見圖1定義軸網(wǎng)參數(shù)所示。
②軸線X、Y、Z向數(shù)量分別設(shè)置為2、2、2數(shù)量的軸網(wǎng)線。
③根據(jù)錨板規(guī)格，設(shè)置軸網(wǎng)間距，在X、Y、Z向軸線間距分別為300mm(寬度)、10mm(或默認(rèn))、200mm(高度)，起始位置X、Y、Z均選擇為“0”。
④點(diǎn)擊【確定】按鈕,程序自動(dòng)生成軸網(wǎng)圖，為方便后續(xù)操作，可根據(jù)需要選擇關(guān)閉X-Y Plane視圖，并在視圖窗口中顯示為生成3-D View軸網(wǎng)見圖2生成軸網(wǎng)圖所示。
(3)繪制模型圖
①命令路徑：點(diǎn)擊界面上工具條中【繪制R】下拉列表，選【多邊形面】項(xiàng)彈出“對象屬性”對話框，選擇“面屬性”為“空”、繪圖控制“無”，然后將軸網(wǎng)模型的上下左右邊分別連接起來即可。
②命令路徑：點(diǎn)擊界面上工點(diǎn)擊界面上工具條中【繪制R】下拉列表，選【特殊點(diǎn)】項(xiàng)彈出“對象屬性”對話框，繪制定位4個(gè)錨栓點(diǎn)(假定邊距各為50mm)，選擇“X=50，Z=50”，點(diǎn)擊節(jié)點(diǎn)“2”(原點(diǎn))得到節(jié)點(diǎn)“5”，同樣方法，分別得到節(jié)點(diǎn)“7”、“8”、“9”，完成繪制4個(gè)錨栓點(diǎn)位置。
③命令路徑：點(diǎn)擊界面上工點(diǎn)擊界面上工具條中【繪制R】下拉列表，選【特殊點(diǎn)】項(xiàng)彈出“對象屬性”對話框，繪制100mm高轉(zhuǎn)接件(假定布置在錨板中間位置)，選擇“X=(300-85)/2=107.5，Z=50”點(diǎn)擊節(jié)點(diǎn)“2”(原點(diǎn))得到節(jié)點(diǎn)“10”，同樣方法，分別得到節(jié)點(diǎn)“11”、“12”、“13”，完成繪制兩個(gè)轉(zhuǎn)接件點(diǎn)定位。
④點(diǎn)擊界面上工點(diǎn)擊界面上工具條中【繪制R】下拉列表，選【特殊點(diǎn)】項(xiàng)彈出“對象屬性”對話框，繪制324mm長轉(zhuǎn)接件，選擇“Y=-324”，依次點(diǎn)擊節(jié)點(diǎn)“10”、“11”、“12”、“13”得到節(jié)點(diǎn)“10”，同樣方法，分別得到節(jié)點(diǎn)“15”、“14”、“17”、“16”，然后用“直框架”“空”分別連接起來即可，完成繪制兩個(gè)轉(zhuǎn)接件。
⑤ 命令路徑：點(diǎn)擊界面上工具條中【繪制R】下拉列表，選【多邊形面】項(xiàng)彈出“對象屬性”對話框(或直接選擇界面左邊 條)，選擇繪圖控制為“無”、截面屬性為“空”然后依次連接兩個(gè)轉(zhuǎn)接件各節(jié)點(diǎn)繪制成“虛面”。
在此基本上完成了模型圖創(chuàng)建，見圖3錨板與轉(zhuǎn)接件計(jì)算等效模型圖所示。
3.2 定義材料參數(shù)
錨板與轉(zhuǎn)接件均為鋼材（詞條“鋼材”由行業(yè)大百科提供）Q235材質(zhì)。
按《玻璃幕墻技術(shù)規(guī)范》(JGJ102-2003)“第5.2條”“材料力學(xué)性能”查得：鋼材Q235材質(zhì)彈性模量（詞條“彈性模量”由行業(yè)大百科提供）E=2.06×105(N/mm2)、泊松比υ=0.3 、膨脹系數(shù)α=1.2×10-5(1/℃)、重力密度γg=78.5(KN/m3)。強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（詞條“強(qiáng)度設(shè)計(jì)值”由行業(yè)大百科提供）： 抗拉、抗壓、抗彎fg≤215(N/mm2)、抗剪設(shè)計(jì)值 fv≤125(N/mm2)。
(1)定義材料屬性
命令路徑：點(diǎn)擊界面上工具條中【定義D】下拉列表，選【材料】彈出“定義材料”對話框，➩點(diǎn)擊【添加材料...】彈出“添加材料”對話框，見圖2-11添加鋼材料，選“國家/地區(qū)”為“China(中國)”、“材料類型”為“Steel(鋼)”、“標(biāo)準(zhǔn)/規(guī)范”為“GB(國標(biāo))”、“材料等級”為“Q235”、點(diǎn)擊➩【確定】，彈出“材料屬性數(shù)據(jù)”對話框，程序自動(dòng)顯出了Q235材料名稱(顏色可任意)及其相關(guān)數(shù)據(jù)，再點(diǎn)擊➩【確定】完成了鋼型材Q235的定義。
(2)定義鋼板(殼)截面
命令路徑：點(diǎn)擊界面上工具條中【定義D】下拉列表，選【截面屬性】➩【面截面】➩【添加面截面...】彈出“殼截面數(shù)據(jù)”對話框，定義錨板截面名稱可輸入為“M10”(名稱、顏色可任意)；“類型”選“薄殼”；“截面厚度”中的“膜”與“板”均選錨板厚度“10”；“材料名稱”選已定義好的“Q235”；“材料角”選“0”，完成錨板截面定義，圖4定義錨板截面所示。
命令路徑：點(diǎn)擊界面上工具條中【定義D】下拉列表，選【截面屬性】➩【面截面】➩【添加面截面...】彈出“殼截面數(shù)據(jù)”對話框，定義錨板截面名稱可輸入為“M8”(名稱、顏色可任意)；“類型”選“薄殼”；“截面厚度”中的“膜”與“板”均選錨板厚度“8”；“材料名稱”選已定義好的“Q235”；“材料角”選“0”，完成轉(zhuǎn)接件截面定義，見圖5定義轉(zhuǎn)接件截面所示 。
3.3 指定鋼板(殼)截面
完成了截面的定義后，我們可以選擇指定已定義好了的錨板與轉(zhuǎn)接件(殼)截面。
(1)指定錨板截面
命令路徑：用左鍵選擇模型圖中錨板，點(diǎn)擊界面上工具條中的【指定A】下拉列表，選【面/面積】➩【面截面】彈出“指定面截面”對話框，點(diǎn)擊已定義好的“M10”截面，點(diǎn)擊【應(yīng)用】➩【確定】，完成錨板截面的指定。
(2)指定轉(zhuǎn)接件截面
命令路徑：用左鍵選擇模型圖中兩個(gè)轉(zhuǎn)接件，點(diǎn)擊界面上工具條中的【指定A】下拉列表，選【面/面積】➩【面截面】彈出“指定面截面”對話框，點(diǎn)擊已定義好的“M8”截面，點(diǎn)擊【應(yīng)用】➩【確定】，完成轉(zhuǎn)接件截面的指定。
3.4 節(jié)點(diǎn)支座約束
我們可以選擇指定已定義好了的錨板，把繪制定位4個(gè)錨栓點(diǎn)均按鉸接形式考慮。
命令路徑：首先用鼠標(biāo)左鍵，選擇模型定位4個(gè)錨栓點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)“5”、“7”、“8”、“9”)，再點(diǎn)擊界面上工具條中的【指定A】下拉列表，選【節(jié)點(diǎn)】➩點(diǎn)擊【支座】彈出“指定節(jié)點(diǎn)支座”對話框，點(diǎn)擊“鉸接支座”按鈕，這樣就約完成了錨板鉸接約束。
3.5 定義荷載模式與工況
幕墻錨板所承受力的主要荷載模式，通過幕墻受力(風(fēng)荷載設(shè)計(jì)值、組合荷載、地震作用等)均轉(zhuǎn)換為：恒載DL、錨板總剪力(Z向)V、及錨板總軸力(Y向)F來計(jì)算。
(1)定義恒載與工況
命令路徑：點(diǎn)擊界面上工具條中【定義D】下拉列表，選【荷載模式】彈出“定義荷載式”對話框，設(shè)置如下：在本例“定義荷載模式”對話框中，“名稱”欄輸入“DL”，“類型”欄選“Dead”，“自重乘數(shù)選”欄選“1”，“自動(dòng)側(cè)向荷載”欄為“灰”色，再點(diǎn)擊【添加荷載模式】。
(2)定義剪力荷載與工況
同樣，在本例“定義荷載模式”對話框中，“名稱”欄輸入“V”，由于總剪力均已先計(jì)算出來了，無須再由程序計(jì)算，因此“類型”欄選“Other(其他)”，“自重乘數(shù)選”欄選“0”，由于本例錨板總剪力為已知(見本例第“2.2”條)，再點(diǎn)擊【添加荷載模式】。
(3)定義軸力荷載與工況
同樣，在本例“定義荷載模式”對話框中，“名稱”欄輸入“F”)，由于總軸力均已先計(jì)算出來了，無須再由程序計(jì)算，因此“類型”欄選“Other(其他)”，“自重乘數(shù)選”欄選“0”，由于本例錨板總軸力為已知(見本例第“2.2”條)，再點(diǎn)擊【添加荷載模式】。
以上選項(xiàng)完成之后，如果需要修改模式可點(diǎn)擊【修改荷載模式】，然后再按【確定】按鈕就完成了整個(gè)荷載模式的定義，見圖6定義荷載模式。
3.6 施加荷載
定義的荷載模式，并且在已指定的荷載模式中再定義了荷載工況下，還必須對荷載進(jìn)行指定施加，程序才真正真作用于結(jié)構(gòu)產(chǎn)生靜力或動(dòng)力響應(yīng)，才能對模型進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)行分析與計(jì)算。
(1)施加重力荷載
命令路徑：點(diǎn)擊界面上工具條中【指定A】➩【面荷載】➩【重力荷載】彈出“指定重力荷載”對話框中，“荷載模式”選定重力荷載DL、“坐標(biāo)系”選定GLOBAL、“重力乘數(shù)”選定“Z”與“1”，選項(xiàng)“替換現(xiàn)有荷載”，點(diǎn)擊【應(yīng)用】➩【確定】完成重力荷載施加，見圖7施加DL重力荷載所示。
(2)施加剪力節(jié)點(diǎn)荷載
命令路徑：首先用鼠標(biāo)左鍵選擇界面上模型中轉(zhuǎn)接件截面外端部中間節(jié)點(diǎn)(“18”與“19”)，再點(diǎn)擊界面上工具條中【指定A】➩【節(jié)點(diǎn)荷載】➩【集中荷載】彈出“指定集中荷載”對話框中，“荷載模式”選定剪力荷載V、“坐標(biāo)系”選定GLOBAL、“集中力Z”，填剪力V=2070/2=1035N(分成兩個(gè)節(jié)點(diǎn)施加)，“-1035”(-Z向)，選項(xiàng)“替換現(xiàn)有荷載”，點(diǎn)擊【應(yīng)用】➩【確定】完成剪力節(jié)點(diǎn)荷載施加，見圖8施加V剪力節(jié)點(diǎn)荷載所示。
(3)施加軸力節(jié)點(diǎn)荷載
命令路徑：首先用鼠標(biāo)左鍵選擇界面上模型中轉(zhuǎn)接件截面外端部中間節(jié)點(diǎn)(“18”與“19”)，再點(diǎn)擊界面上工具條中【指定A】➩【節(jié)點(diǎn)荷載】➩【集中荷載】彈出“指定集中荷載”對話框中，“荷載模式”選定軸力荷載F、“坐標(biāo)系”選定GLOBAL、“集中力Y”，填軸力V=4420/2=2210N(分成兩個(gè)節(jié)點(diǎn)施加)，“2210”(Y向)，選項(xiàng)“替換現(xiàn)有荷載”，點(diǎn)擊【應(yīng)用】➩【確定】完成剪力節(jié)點(diǎn)荷載施加，見圖9施加F軸力節(jié)點(diǎn)荷載所示。
(4)顯示施加荷載
通過以上操作，完成了錨板與轉(zhuǎn)接件荷載的施加，但是完成了荷載施加還需在視圖中用查看荷載施加正確與否。
命令路徑：點(diǎn)擊界面上工具條中【顯示P】➩【對象荷載】➩【荷載模式】彈出“基于荷載模式顯示荷載”對話框，點(diǎn)擊【節(jié)點(diǎn)】，“荷載類型”選“集中荷載”，勾選“顯示節(jié)點(diǎn)荷載數(shù)值”，點(diǎn)擊【應(yīng)用】➩【確定】完成顯示F軸力節(jié)點(diǎn)荷載載，見圖10顯示F軸力節(jié)點(diǎn)荷載所示(顯示V剪力方法相同，略)。
3.7 指定截面的分割與自動(dòng)剖分
在運(yùn)行結(jié)構(gòu)分析之前，為了保證轉(zhuǎn)接件與錨板的模型穩(wěn)定，需要對模型面板進(jìn)行指定分割與剖分。
(1)面板的分割
命令路徑：首先用鼠標(biāo)左鍵將界面上模型圖形全選中，再點(diǎn)擊界面上工具條中【編輯E】➩【編輯面】➩【分割面】彈出“分割面”對話框，在“分割選項(xiàng)”中，選“根據(jù)選擇的點(diǎn)進(jìn)行分割”，其他默認(rèn)，再點(diǎn)擊【應(yīng)用】➩【確定】，即完成了指定面的分割，見圖11指定面的分割所示。
(2)面板的剖分
命令路徑：首先用鼠標(biāo)左鍵將界面上模型圖形全選中，再點(diǎn)擊界面上工具條中【指定A】➩【面積】➩【自動(dòng)剖分選項(xiàng)】彈出“指定面的自動(dòng)剖分選項(xiàng)”對話框，“最大的單元尺寸”“邊1-2”與“邊1-3”，選填“20mm”(經(jīng)驗(yàn)參考值)，再點(diǎn)擊【應(yīng)用】➩【確定】，即完成了指定面的自動(dòng)剖分，見圖12指定面的自動(dòng)剖分所示。
4、結(jié)構(gòu)分析
當(dāng)模型的幾何信息、荷載信息、面板分割與剖分等設(shè)置完成并檢查無誤后，就可以進(jìn)行分析選項(xiàng)進(jìn)行設(shè)置與運(yùn)行分析，對所建立的模型求解。
4.1 自由度分析選項(xiàng)
在運(yùn)行分析之前，還需要對所建模型進(jìn)行分析選項(xiàng)設(shè)置，然后才可以有選擇行地運(yùn)行荷載工況。
命令路徑：點(diǎn)擊界面上工具條中【分析N】➩【設(shè)置分析選項(xiàng)】彈出“分析選項(xiàng)”，對話框，通過勾選“有效自由度”勾選“UX、UY、UZ、RX、RY、RZ”6個(gè)自由度，或點(diǎn)擊“快速選擇”欄中的“空間框架”圖形按鈕選取自由度，點(diǎn)擊➩【確定】按鈕完成自由度分析選項(xiàng)。
4.2 運(yùn)行分析
命令路徑：點(diǎn)擊界面上工具條中【分析N】➩【運(yùn)行分析】彈出“設(shè)置分析工況”選項(xiàng)對話框，再點(diǎn)擊【運(yùn)行分析】按鈕，程序自動(dòng)進(jìn)行模型在荷載工況下的F、V的分析計(jì)算。另外“MODAL”可以選擇點(diǎn)擊“運(yùn)行/取消運(yùn)行”按鈕，再點(diǎn)擊➩【運(yùn)行分析】按鈕完成運(yùn)行工況分析。
模型通過以上的運(yùn)行工況分析，程序已對建立的模型進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析與計(jì)算，得到了模型結(jié)構(gòu)的相關(guān)內(nèi)力與剛度結(jié)果。
(1)顯示錨板最大剛度結(jié)果
命令路徑：點(diǎn)擊界面上工具條中【顯示P】➩【變形圖】彈出“顯示變形圖”(或直接點(diǎn)擊界面上工具條中按鈕)對話框，在“工況/組合”名稱欄中，分別選擇已定義好了的F與V和下查看最大剛度。另在“縮放比例”欄選擇自動(dòng)計(jì)算；在“云圖選項(xiàng)”選擇“顯示位移云圖”、“云圖分量”分別選擇UY向；再選擇打鉤“三次曲線”，其他默認(rèn)；點(diǎn)擊【應(yīng)用】➩【確定】按鈕，經(jīng)SAP2000進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、計(jì)算、比較得到在剪力與軸力下最大剛度分別為：
①錨板在剪力V下的剛度：
錨板(不考慮轉(zhuǎn)接件)在剪力V下的剛度為：U2(UY)=0.194(mm)
那么，錨板最大變形為：Uymax=0.194
故：在不考慮混凝土粘接及夸中錨栓作用下，見圖13錨板在剪力V下的剛度圖所示，錨板剛度滿足要求！
②錨板在軸力F下的剛度：
錨板(不考慮轉(zhuǎn)接件)在軸力F下的剛度為：U2(UY)=0.162(mm)
那么，錨板最大變形為：Uymax=0.162
故：在不考慮混凝土粘接及夸中錨栓作用下，見圖14錨板在軸力F下的剛度圖所示，錨板剛度滿足要求！
(2)顯示錨板最大應(yīng)力結(jié)果
①錨板在剪力V下的應(yīng)力
命令路徑：點(diǎn)擊界面上工具條中【顯示P】➩【內(nèi)力/應(yīng)力】彈出“顯示殼單元（詞條“殼單元”由行業(yè)大百科提供）內(nèi)力/應(yīng)力”對話框，在“工況/組合”名稱欄中，分別選擇已定義好了的剪力V下查看最大應(yīng)力。在“分量類型”選擇“應(yīng)力”；在“輸出類型”選擇“最大絕對值”；“分量”分別選擇“SMax”、“SMin”與“SMaxV”；“其他選項(xiàng)”勾選“變形圖”，其他默認(rèn)；點(diǎn)擊【應(yīng)用】➩【確定】按鈕，經(jīng)SAP2000進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、計(jì)算比較得到在剪力V下最大應(yīng)力為：
StressSMax=|-94.114|= 94.114(N/mm2)；
錨板最大應(yīng)力為：94.114(N/mm2)
錨板在剪力V下最大剪力“SMaxV”為：8.35(N/mm2)
②錨板在軸力F下的應(yīng)力
命令路徑：點(diǎn)擊界面上工具條中【顯示P】➩【內(nèi)力/應(yīng)力】彈出“顯示殼單元內(nèi)力/應(yīng)力”對話框，在“工況/組合”名稱欄中，分別選擇已定義好了的軸力F下查看最大應(yīng)力。在“分量類型”選擇“應(yīng)力”；在“輸出類型”選擇“最大絕對值”；“分量”分別選擇“SMax”、“SMin”與“SMaxV”；“其他選項(xiàng)”勾選“變形圖”，其他默認(rèn)；點(diǎn)擊【應(yīng)用】➩【確定】按鈕，經(jīng)SAP2000進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析、計(jì)算、比較得到在軸力F下最大應(yīng)力為：
StressSMax=|-43.244|= 43.244(N/mm2)；
錨板最大應(yīng)力為：43.244(N/mm2)
錨板在軸力F下最大剪力“SMaxV”為：3.078(N/mm2)
5、結(jié)語
在高層建筑幕墻前置預(yù)錨板有偏差或者有漏埋的情況下，工程師根據(jù)幕墻板塊所受的荷載，采用SAP2000有限元重新進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以更方便地補(bǔ)充后置錨板，特別是更復(fù)雜的轉(zhuǎn)角類錨板。
參考文獻(xiàn)：
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[3].《SAP2000在建筑異形幕墻工程的設(shè)計(jì)實(shí)例解析》(屈 錚 編著 中南大學(xué)出版社)
作者單位：港湘建設(shè)有限公司
