1 前 言
點支承玻璃幕墻是用金屬連接件和緊固件將玻璃與支承結(jié)構(gòu)連接成整體的建筑結(jié)構(gòu)形式,玻璃板往往 需要點支承處開孔以安裝連接件。中空玻璃是在兩層鋼化玻璃之間的封閉空間內(nèi)充入惰性氣體[1][2],在國家大劇院等項目中得到了廣泛使用。國內(nèi)外試驗資料表明,開孔玻璃面板的應(yīng)力往往在鉆孔處。同時孔邊緣在切割過程中形成的大量微裂紋,使該處強(qiáng)度有所降低。故開孔周邊是點支式玻璃幕墻的薄弱處[3,4,5]?，F(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程尚未對玻璃孔邊應(yīng)力的計算做出嚴(yán)格、定量的規(guī)定,國內(nèi)外對于點支承單層玻璃板孔邊應(yīng)力的研究較多,而關(guān)于中空玻璃孔邊應(yīng)力的研究還不多 見[5,6]。本文使用有限元方法,對四點支承中空玻璃的孔邊應(yīng)力進(jìn)行計算,分析了孔心邊距、玻璃板、中空層厚度等因素對于孔邊應(yīng)力的影響,提出了必要的設(shè)計建議。
2 孔邊應(yīng)力的有限元分析方法
2.1 點支承中空玻璃基本承載特點
流體靜止時,起作用的只是垂直于各接觸面的力,中空玻璃板中空層中的氣體不具有抗彎剛度,也不能阻止內(nèi)、外片在面內(nèi)的相對滑移。設(shè)中空玻璃承受的總荷載集度為ps;外、內(nèi)片分別承擔(dān)荷載為p0和pi。中空層中氣體的作用,即為在垂直于玻璃板的方向上,將pi從中空層的上表面?zhèn)鬟f至內(nèi)片的上表面,同時中空層內(nèi)壓產(chǎn)生增量:pg=pi。故考慮中空玻璃受彎承載性能,只需考慮中空層在垂直于玻璃板方向上的作用[2,7]。
2.2 點支承中空玻璃有限元計算方法
本文使用綜合有限元程序ANSYS建立模型。為了能夠模擬點支承中空玻璃支承孔邊緣的構(gòu)造,外、內(nèi)片玻璃采用Solid單元建模,并在板面大范圍內(nèi)通過Sweep方式生成規(guī)則分布的單元。
使用ANSYS提供的Combin單元模擬氣體層行為。Combin(彈簧-阻尼組合單元)具備二個節(jié)點,可以計算軸向的壓縮及阻尼行為。本文根據(jù)清華大學(xué)及同濟(jì)大學(xué)完成的點支承中空玻璃試驗建立模型[2,8],幾何參數(shù)如表1。根據(jù)對稱性建立1/4模型,使用Solid單元模擬玻璃板,在外、內(nèi)板之間除點支承外,均勻的設(shè)置n個Combi
單元模擬氣體層的壓縮性能(圖1)。Combin單元的彈性模量由式(1)計算:
其中,K為Combin單元的總彈性模型,k為假設(shè)各處壓縮性一致時每個Combin單元的彈性模量;P0為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1.013×105Pa);A為玻璃板的面積;d0為中空層的初始厚度。
中空玻璃對于連接處的氣密性要求很高,故實際工程中的點支承中空玻璃通常采用圖2所示的浮頭式點支承連接形式[4]。為精確求解開孔處周邊的應(yīng)力,在該處細(xì)分單元(圖1和圖3a)。模仿圖建立浮頭式金屬連接件及塑料墊層(圖3b),將其嵌入開孔處。金屬連接件、塑料墊層及玻璃板之間進(jìn)行“粘結(jié)”,使其互相粘結(jié)處具有一致的位移。
點支承玻璃幕墻是用金屬連接件和緊固件將玻璃與支承結(jié)構(gòu)連接成整體的建筑結(jié)構(gòu)形式,玻璃板往往 需要點支承處開孔以安裝連接件。中空玻璃是在兩層鋼化玻璃之間的封閉空間內(nèi)充入惰性氣體[1][2],在國家大劇院等項目中得到了廣泛使用。國內(nèi)外試驗資料表明,開孔玻璃面板的應(yīng)力往往在鉆孔處。同時孔邊緣在切割過程中形成的大量微裂紋,使該處強(qiáng)度有所降低。故開孔周邊是點支式玻璃幕墻的薄弱處[3,4,5]?，F(xiàn)行規(guī)范、規(guī)程尚未對玻璃孔邊應(yīng)力的計算做出嚴(yán)格、定量的規(guī)定,國內(nèi)外對于點支承單層玻璃板孔邊應(yīng)力的研究較多,而關(guān)于中空玻璃孔邊應(yīng)力的研究還不多 見[5,6]。本文使用有限元方法,對四點支承中空玻璃的孔邊應(yīng)力進(jìn)行計算,分析了孔心邊距、玻璃板、中空層厚度等因素對于孔邊應(yīng)力的影響,提出了必要的設(shè)計建議。
2 孔邊應(yīng)力的有限元分析方法
2.1 點支承中空玻璃基本承載特點
流體靜止時,起作用的只是垂直于各接觸面的力,中空玻璃板中空層中的氣體不具有抗彎剛度,也不能阻止內(nèi)、外片在面內(nèi)的相對滑移。設(shè)中空玻璃承受的總荷載集度為ps;外、內(nèi)片分別承擔(dān)荷載為p0和pi。中空層中氣體的作用,即為在垂直于玻璃板的方向上,將pi從中空層的上表面?zhèn)鬟f至內(nèi)片的上表面,同時中空層內(nèi)壓產(chǎn)生增量:pg=pi。故考慮中空玻璃受彎承載性能,只需考慮中空層在垂直于玻璃板方向上的作用[2,7]。
2.2 點支承中空玻璃有限元計算方法
本文使用綜合有限元程序ANSYS建立模型。為了能夠模擬點支承中空玻璃支承孔邊緣的構(gòu)造,外、內(nèi)片玻璃采用Solid單元建模,并在板面大范圍內(nèi)通過Sweep方式生成規(guī)則分布的單元。
使用ANSYS提供的Combin單元模擬氣體層行為。Combin(彈簧-阻尼組合單元)具備二個節(jié)點,可以計算軸向的壓縮及阻尼行為。本文根據(jù)清華大學(xué)及同濟(jì)大學(xué)完成的點支承中空玻璃試驗建立模型[2,8],幾何參數(shù)如表1。根據(jù)對稱性建立1/4模型,使用Solid單元模擬玻璃板,在外、內(nèi)板之間除點支承外,均勻的設(shè)置n個Combi
單元模擬氣體層的壓縮性能(圖1)。Combin單元的彈性模量由式(1)計算:
其中,K為Combin單元的總彈性模型,k為假設(shè)各處壓縮性一致時每個Combin單元的彈性模量;P0為1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓(1.013×105Pa);A為玻璃板的面積;d0為中空層的初始厚度。
中空玻璃對于連接處的氣密性要求很高,故實際工程中的點支承中空玻璃通常采用圖2所示的浮頭式點支承連接形式[4]。為精確求解開孔處周邊的應(yīng)力,在該處細(xì)分單元(圖1和圖3a)。模仿圖建立浮頭式金屬連接件及塑料墊層(圖3b),將其嵌入開孔處。金屬連接件、塑料墊層及玻璃板之間進(jìn)行“粘結(jié)”,使其互相粘結(jié)處具有一致的位移。