淺談ANSYS計算四邊支承玻璃

邱 科

（南京廣博裝飾股份有限公司 江蘇南京 210000）

玻璃幕墻是當代的一種新型墻體，它賦予建筑的最大特點是將建筑美學、建筑功能、建筑節(jié)能和建筑結(jié)構(gòu)等因素有機地統(tǒng)一起來，配合光照等使建筑物與自然融為一體。玻璃幕墻，顧名思義，是面板材料為玻璃的建筑幕墻。作為直接承受風荷載的構(gòu)件，面板的計算至關(guān)重要，而采用規(guī)范公式計算僅應用于受均布荷載的四邊支承和對邊支承的情況，十分有限。此時，有限元計算便顯得十分重要。

我們分別選用尺寸為 1.5m×1.5m、1.5m×3.0m、1.5m×4.5m、1.5m×6m的8mm（TP）+12A+8mm（TP）的中空玻璃（注：此處玻璃配置僅用于研究計算，并不一定滿足安全玻璃的最大使用面積的要求），風荷載標準值取WK=2.0kN/m2，抗震設(shè)防烈度?、龋?.10g），αmax=0.8。

1 荷載計算

剛度計算時：

荷載標準值為：SK=WK=2.0kN/m2；

強度計算時：

作用于中空玻璃上的風荷載標準值分配到單片玻璃上：

因外片所受荷載較大，僅驗算外片強度即可：

外片玻璃的自重荷載標準值為：GK=8×25.6=0.205kN/m2；

外片玻璃的水平地震作用標準值為：qEK=βEαmaxGK=5×0.08×0.205=0.082kN/m2；

荷載設(shè)計值為：S=ψWγWWK1+ψEγEqEK=1.4×1.0×1.1+1.3×0.5×0.082=1.593kN/m2。

2 按規(guī)范公式計算的結(jié)果

（1）1.5m×1.5m 玻璃

變形：6.99mm；強度：13.73MPa。

（2）1.5m×3.0m 玻璃

變形：17.44mm；強度：31.06MPa。

（3）1.5m×4.5m 玻璃

變形：20.99mm；強度：36.56MPa。

（4）1.5m×6.0m 玻璃

變形：22.07mm；強度：38.21MPa。

目前國內(nèi)涉及玻璃強度、撓度計算的規(guī)范或標準有《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（JGJ102-2003）、《建筑玻璃應用技術(shù)規(guī)程》（JGJ113-2015）、《上海市建筑幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（DGJ108-56-2012）。以上數(shù)據(jù)為根據(jù)《玻璃幕墻工程技術(shù)規(guī)范》（JGJ102-2003）計算的結(jié)果，由大量的實驗加推導并乘了很多的經(jīng)驗系數(shù)所得。

3 按ANSYS計算的結(jié)果

將玻璃面板的四條邊編號如下：

圖1

情況一：四邊鉸接，即四邊都約束x、y、z三個方向的平動約束（按小變形理論）：

（1）1.5m×1.5m 玻璃

變形：7.496mm；強度：20.9MPa。

（2）1.5m×3.0m 玻璃

變形：18.66mm；強度：29.8MPa。

（3）1.5m×4.5m 玻璃

變形：22.515mm；強度：35.8MPa。

（4）1.5m×6.0m 玻璃

變形：23.585mm；強度：37.7MPa。

情況二：四邊鉸接，即四邊都約束x、y、z三個方向的平動約束（按大變形理論）：

（1）1.5m×1.5m 玻璃

變形：5.275mm；強度：13.2MPa。

（2）1.5m×3.0m 玻璃

變形：7.809mm；強度：13.6MPa。

（3）1.5m×4.5m 玻璃

變形：7.858mm；強度：13.7MPa。

（4）1.5m×6.0m 玻璃

變形：7.855mm；強度：13.8MPa。

由于玻璃厚度t遠小于長度和寬度，應用薄板理論進行計算。根據(jù)理論，板發(fā)生彎曲變形時如果撓度與厚度之比小于或等于1/5，可認為屬于小撓度問題，若超過這個限值，則可歸屬于大撓度問題。研究發(fā)現(xiàn)，當玻璃的變形小于自身厚度時，可采取小變形理論進行計算；但當玻璃的變形大于自身厚度時，需要考慮力隨著物體變形而重新分布的幾何非線性，此時小變形理論不再適用，應采取大變形理論進行計算。

從上面的結(jié)果可以看出，按大變形理論計算時，玻璃的長寬比越大，ANSYS計算結(jié)果比規(guī)范計算結(jié)果小越多，差值越明顯。這時候，我們就要思考模型本身的正確性，是否要改變計算時的邊界約束條件，使之更符合實際情況?，F(xiàn)修改玻璃的邊界條件為

情況三：四邊抗風約束，第4邊兩點承重，第1邊兩點側(cè)向約束

（1）1.5m×1.5m 玻璃

變形：6.833mm；強度：19.1MPa。

圖2

圖3

（2）1.5m×3.0m 玻璃

變形：15.955mm；強度：27.9MPa。

圖4

圖5

（3）1.5m×4.5m 玻璃

變形：21.261mm；強度：32.4MPa。

圖6

圖7

（4）1.5m×6.0m 玻璃

變形：23.562mm；強度：37.5MPa。

圖8

圖9

上述計算結(jié)果對比說明，當長寬比大于1時，采用ANSYS有限元計算的變形值和應力值與規(guī)范計算結(jié)果比較接近，可以認為計算模型合理正確；當長寬比接近1時，應力結(jié)果偏大，存在誤差。按大變形理論進行計算時，四邊抗風、第4邊兩點承重、第1邊兩點側(cè)向約束模型的計算結(jié)果不敢說能適用于所有長寬比計算，是完全準確的，但卻是比較接近實際情況的。

4 結(jié)論

采用有限元計算時，情況三的邊界約束條件更符合實際，計算模型合理、可行。