长宽比对玻璃幕墙承载性能和变形影响研究*

刘 飞，张建营，夏青森

(1.宿州学院 资源与土木工程学院，安徽宿州 234000；2.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州 221008)



长宽比对玻璃幕墙承载性能和变形影响研究*

刘 飞1，张建营2，夏青森1

(1.宿州学院 资源与土木工程学院，安徽宿州 234000；2.中国矿业大学 深部岩土力学与地下工程国家重点实验室，江苏徐州 221008)

大量现代化的建筑工程随着中国经济的快速发展出现在我们的生活中.由于低碳、环保、舒适、美观等优点，玻璃幕墙作为当代的一种新型墙体越来越广泛地应用于各种地标性建筑.点支式玻璃幕墙由玻璃面板、点支撑装置和支撑结构组成，是近年来迅速发展的一种新的幕墙型式.本文通过有限元软件ANSYS solid 45单元建立点支式玻璃面板的力学模型，研究了均布风荷载作用下不同长宽比对点支式玻璃板的承载能力和变形影响.研究结果表明：随着长宽比的逐渐增大，四点点支式玻璃面板的最大挠度值、等效应力、水平应力和垂直应力逐渐降低；四点点支式玻璃面板的挠度值和应力值由玻璃面板中心向四周逐渐减小.

长宽比;点支式玻璃幕墙; ANSYS;承载能力;变形

引言

随着中国经济的快速发展，城市化进程的不断加快，大量现代化的建筑工程不断出现在我们的生活中，各种新兴材料逐渐代替过去的建筑材料进入各种建筑工程.2002年我国把“可持续发展能力不断增强”作为全面建设小康社会的目标之一.目前，建筑材料以及建筑设计逐渐向着低碳环保、节约能源的方向发展.由于具有低碳、环保、舒适、美观、轻盈、透明等优点[1～3]，玻璃幕墙广泛用于图书馆、机场客运站、会展中心、体育馆和酒店大厅等地标性建筑.在全球各地的大型城市都建有美丽壮观的玻璃幕墙建筑，如西尔斯大厦、北京长城饭店、世界贸易中心都采用了玻璃幕墙.

对于点支式玻璃幕墙这种新型墙体建筑结构，无论对于欧美国家还是世界上的其他国家来说，目前都是一个全新的研究课题，没有形成相对成熟的理论基础.意大利学者Chiara Bedon 和Claudio Amadio运用弹性力学理论研究了平面夹层玻璃板在平面压缩[4]或剪切下的弯曲变形性能；清华大学马赢、王元清、石永久等应用大型有限元软件ANSYS中的Shell单元[5]分析了四点支承条件下异形中空玻璃面板的抗弯性能；同济大学殷永炜、张其林、黄庆文运用试验的手段分别研究了点支式中空以及夹层玻璃面板[6]的承载性能.本文通过有限元软件ANSYS solid 45单元[7]建立点支式玻璃面板的力学模型，研究均布风荷载作用下不同长宽比对点支式玻璃板的承载能力和变形影响.

图1 点支式玻璃幕墙实体安装图

图2 点支式玻璃幕墙安装图

1 数值模型的建立

分析点支式玻璃面板，玻璃面板的厚度远远小于长度，可以把点支式玻璃板看作薄板[8,9].故用solid 45单元建立均布风荷载作用下点支式玻璃面板的力学模型，边界条件采用四点简支，在圆孔四周约束X、Y、Z轴.对影响点支式玻璃面板承载性能的参数进行了分析，得出长宽比b/a对夹层玻璃板承载能力和变形性能的影响规律.

图3 玻璃面板CAD平面图

图4 变形平视图

玻璃面板几何参数：a-玻璃板短边长；b-玻璃板长边长;σmax-玻璃板内最大应力；D-玻璃板内最大挠度；σx-水平应力；σz-垂直应力；σeqv-等效应力；

2 长宽比b/a对玻璃面板承载性能及变形性能的影响

模型的厚度t=6 mm+1.14 mm+6 mm ,孔径大小R=30 mm，孔边距C=100 mm，边界条件为四点在X、Y、Z方向上均施加位移约束，荷载σ=1kN/m2；共六组,长宽比大小分别为2/1、5/3、10/7、5/4、10/9、1/1；分析的主要目的是:

1)考查在孔边距、厚度、孔径相同的情况下，随着长宽比大小的变化玻璃面板内力及变形的变化情况，并画出关系图.

2)得出玻璃面板最适合的长宽比设计值.

图5 不同长宽比下的挠度云图

由图5、6可以得到四点点支式玻璃面板挠度随长宽比变化的规律：随着长宽比的逐渐增大，四点点支式玻璃面板的最大挠度值逐渐降低，且降低的梯度逐渐减小，趋于稳定；四点点支式玻璃面板的挠度值由玻璃面板中心向四周逐渐减小.

图7 不同长宽比下的等效应力云图

图8 不同长宽比下的水平应力云图

图9 不同长宽比下的垂直应力云图

图10 等效应力随长宽比变化的规律

图11 水平应力随长宽比变化的规律

图12 垂直应力随长宽比变化的规律

分析图7～9不同长宽比下的等效应力、水平应力和垂直应力云图以及图10～12等效应力、水平应力、垂直应力随长宽比变化的关系曲线可以得出：随着长宽比的逐渐增大，四点点支式玻璃面板的等效应力、水平应力和垂直应力逐渐降低，且降低的梯度逐渐减小，趋于稳定；四点点支式玻璃面板的等效应力、水平应力和垂直应力由玻璃面板中心向四周逐渐减小.

3 结论

本文通过有限元软件ANSYS solid 45单元建立点支式玻璃面板的力学模型，研究了均布风荷载作用下不同长宽比对点支式玻璃板的承载能力和变形影响，得出以下结论：

1)随着长宽比的逐渐增大，四点点支式玻璃面板的最大挠度值、等效应力、水平应力和垂直应力逐渐降低，且降低的梯度逐渐减小，趋于稳定.

2)四点点支式玻璃面板的挠度值、等效应力、水平应力和垂直应力由玻璃面板中心向四周逐渐减小.

[1]张宇,霍治澎.点支式玻璃幕墙玻璃面板的受力分析[J].科学技术与工程,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.点支式玻璃建筑结构体系及其应用技术研究[J].土木工程学报, 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]马赢, 王元清, 石永久,等.四点支承异形中空玻璃板抗弯性能的有限元分析[J].南京工业大学学报,2005,27(5):42-45.

[6]殷永炜,张其林,黄庆文.点支式中空和夹层玻璃承载性能的试验研究[J].建筑结构学报, 2004,25(1):93-98.

[7]张朝晖.Ansys11.0结构分析工程实例解析[M].北京: 机械工业出版社,2008.

[8]S.P.Timoshenko,S.W-Krieger. Theory of plants and shells. McGraw-Hill:New York 1977.

[9]徐芝纶.弹性力学[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年宿州区域发展协同创新中心学生开放课题(2015SZXTXSKF10)

刘飞(1989-)，男，江苏宿迁人，硕士研究生，研究方向：工程结构稳定性.

O343.4

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