長寬比對玻璃幕墻承載性能和變形影響研究*

劉 飛，張建營，夏青森

(1.宿州學院 資源與土木工程學院，安徽宿州 234000；2.中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇徐州 221008)

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長寬比對玻璃幕墻承載性能和變形影響研究*

劉 飛1，張建營2，夏青森1

(1.宿州學院 資源與土木工程學院，安徽宿州 234000；2.中國礦業(yè)大學 深部巖土力學與地下工程國家重點實驗室，江蘇徐州 221008)

大量現(xiàn)代化的建筑工程隨著中國經濟的快速發(fā)展出現(xiàn)在我們的生活中.由于低碳、環(huán)保、舒適、美觀等優(yōu)點，玻璃幕墻作為當代的一種新型墻體越來越廣泛地應用于各種地標性建筑.點支式玻璃幕墻由玻璃面板、點支撐裝置和支撐結構組成，是近年來迅速發(fā)展的一種新的幕墻型式.本文通過有限元軟件ANSYS solid 45單元建立點支式玻璃面板的力學模型，研究了均布風荷載作用下不同長寬比對點支式玻璃板的承載能力和變形影響.研究結果表明：隨著長寬比的逐漸增大，四點點支式玻璃面板的最大撓度值、等效應力、水平應力和垂直應力逐漸降低；四點點支式玻璃面板的撓度值和應力值由玻璃面板中心向四周逐漸減小.

長寬比;點支式玻璃幕墻; ANSYS;承載能力;變形

引言

隨著中國經濟的快速發(fā)展，城市化進程的不斷加快，大量現(xiàn)代化的建筑工程不斷出現(xiàn)在我們的生活中，各種新興材料逐漸代替過去的建筑材料進入各種建筑工程.2002年我國把“可持續(xù)發(fā)展能力不斷增強”作為全面建設小康社會的目標之一.目前，建筑材料以及建筑設計逐漸向著低碳環(huán)保、節(jié)約能源的方向發(fā)展.由于具有低碳、環(huán)保、舒適、美觀、輕盈、透明等優(yōu)點[1～3]，玻璃幕墻廣泛用于圖書館、機場客運站、會展中心、體育館和酒店大廳等地標性建筑.在全球各地的大型城市都建有美麗壯觀的玻璃幕墻建筑，如西爾斯大廈、北京長城飯店、世界貿易中心都采用了玻璃幕墻.

對于點支式玻璃幕墻這種新型墻體建筑結構，無論對于歐美國家還是世界上的其他國家來說，目前都是一個全新的研究課題，沒有形成相對成熟的理論基礎.意大利學者Chiara Bedon 和Claudio Amadio運用彈性力學理論研究了平面夾層玻璃板在平面壓縮[4]或剪切下的彎曲變形性能；清華大學馬贏、王元清、石永久等應用大型有限元軟件ANSYS中的Shell單元[5]分析了四點支承條件下異形中空玻璃面板的抗彎性能；同濟大學殷永煒、張其林、黃慶文運用試驗的手段分別研究了點支式中空以及夾層玻璃面板[6]的承載性能.本文通過有限元軟件ANSYS solid 45單元[7]建立點支式玻璃面板的力學模型，研究均布風荷載作用下不同長寬比對點支式玻璃板的承載能力和變形影響.

圖1 點支式玻璃幕墻實體安裝圖

圖2 點支式玻璃幕墻安裝圖

1 數(shù)值模型的建立

分析點支式玻璃面板，玻璃面板的厚度遠遠小于長度，可以把點支式玻璃板看作薄板[8,9].故用solid 45單元建立均布風荷載作用下點支式玻璃面板的力學模型，邊界條件采用四點簡支，在圓孔四周約束X、Y、Z軸.對影響點支式玻璃面板承載性能的參數(shù)進行了分析，得出長寬比b/a對夾層玻璃板承載能力和變形性能的影響規(guī)律.

圖3 玻璃面板CAD平面圖

圖4 變形平視圖

玻璃面板幾何參數(shù)：a-玻璃板短邊長；b-玻璃板長邊長;σmax-玻璃板內最大應力；D-玻璃板內最大撓度；σx-水平應力；σz-垂直應力；σeqv-等效應力；

2 長寬比b/a對玻璃面板承載性能及變形性能的影響

模型的厚度t=6 mm+1.14 mm+6 mm ,孔徑大小R=30 mm，孔邊距C=100 mm，邊界條件為四點在X、Y、Z方向上均施加位移約束，荷載σ=1kN/m2；共六組,長寬比大小分別為2/1、5/3、10/7、5/4、10/9、1/1；分析的主要目的是:

1)考查在孔邊距、厚度、孔徑相同的情況下，隨著長寬比大小的變化玻璃面板內力及變形的變化情況，并畫出關系圖.

2)得出玻璃面板最適合的長寬比設計值.

圖5 不同長寬比下的撓度云圖

由圖5、6可以得到四點點支式玻璃面板撓度隨長寬比變化的規(guī)律：隨著長寬比的逐漸增大，四點點支式玻璃面板的最大撓度值逐漸降低，且降低的梯度逐漸減小，趨于穩(wěn)定；四點點支式玻璃面板的撓度值由玻璃面板中心向四周逐漸減小.

圖7 不同長寬比下的等效應力云圖

圖8 不同長寬比下的水平應力云圖

圖9 不同長寬比下的垂直應力云圖

圖10 等效應力隨長寬比變化的規(guī)律

圖11 水平應力隨長寬比變化的規(guī)律

圖12 垂直應力隨長寬比變化的規(guī)律

分析圖7～9不同長寬比下的等效應力、水平應力和垂直應力云圖以及圖10～12等效應力、水平應力、垂直應力隨長寬比變化的關系曲線可以得出：隨著長寬比的逐漸增大，四點點支式玻璃面板的等效應力、水平應力和垂直應力逐漸降低，且降低的梯度逐漸減小，趨于穩(wěn)定；四點點支式玻璃面板的等效應力、水平應力和垂直應力由玻璃面板中心向四周逐漸減小.

3 結論

本文通過有限元軟件ANSYS solid 45單元建立點支式玻璃面板的力學模型，研究了均布風荷載作用下不同長寬比對點支式玻璃板的承載能力和變形影響，得出以下結論：

1)隨著長寬比的逐漸增大，四點點支式玻璃面板的最大撓度值、等效應力、水平應力和垂直應力逐漸降低，且降低的梯度逐漸減小，趨于穩(wěn)定.

2)四點點支式玻璃面板的撓度值、等效應力、水平應力和垂直應力由玻璃面板中心向四周逐漸減小.

[1]張宇,霍治澎.點支式玻璃幕墻玻璃面板的受力分析[J].科學技術與工程,2012,12(2):349-352.

[2]X.F.Kong , S.N. Liu, and H.Yang. An experimental study of all-season operation strategy for a respiration-type double-layer glass curtain wall system in cold zone of China. Building and Environment, vol.97,pp. 166-176,2016.

[3]王元清,石永久,李少甫,等.點支式玻璃建筑結構體系及其應用技術研究[J].土木工程學報, 2001(4): 1-8.

[4]Chiara Bedon ,Claudio Amadio.Buckling of flat laminated glass panels under in-plane compression or shell. Engineering Structures, vol.36,pp.185-197,2012.

[5]馬贏, 王元清, 石永久,等.四點支承異形中空玻璃板抗彎性能的有限元分析[J].南京工業(yè)大學學報,2005,27(5):42-45.

[6]殷永煒,張其林,黃慶文.點支式中空和夾層玻璃承載性能的試驗研究[J].建筑結構學報, 2004,25(1):93-98.

[7]張朝暉.Ansys11.0結構分析工程實例解析[M].北京: 機械工業(yè)出版社,2008.

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[9]徐芝綸.彈性力學[M].北京:高等教育出版社,1982.

Effect of Length-width Ratio on Bearing Capacity and Deformation of Glass-curtain Wall

LIU Fei1, ZHANG Jian-ying2, XIA Qing-sen1

(1.School of Resources and Civil Engineering, Suzhou University, Suzhou Anhui 234000, China;2.State Key Laboratory for Geomechanics & Deep Underground Engineering,China University of Mining & Technology, Xuzhou Jiangsu 221008,China)

With the rapid development of China's economy, a large number of modern construction projects appear in our life. Due to the advantages of low carbon, environmental protection, comfort and beauty, the glass curtain wall has become more and more widely used in all kinds of landmark buildings as a new type of wall. Point-supported glass curtain wall made of glass panels, supported devices and support structure is developing rapidly in recent years as a new type of curtain wall. In this paper, the mechanical model of point supported glass panel is established by the finite element software solid ANSYS 45, and the bearing capacity and deformation effect of different length width ratio of point supported glass plate under uniform wind load are studied. The results reveal that as the aspect ratio increases, the maximum deflection value, effective stress, horizontal and vertical stress of four point-supported glass panel decreases, that the deflection and stress gradually reduces from the center to the periphery of the glass panel.

Length-width Ratio; point supported glass curtain wall; ANSYS; bearing capacity; deformation

1673-2103(2016)05-0073-05

2016-05-21

2015年宿州區(qū)域發(fā)展協(xié)同創(chuàng)新中心學生開放課題(2015SZXTXSKF10)

劉飛(1989-)，男，江蘇宿遷人，碩士研究生，研究方向：工程結構穩(wěn)定性.

O343.4

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