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T颖而出!玻璃幕墙栓接“T型钢梁”全解析

  本文介绍了北京首都国际机场专机与公务机楼玻璃幕墙工程栓接T型钢梁的结构设计,分析了栓接T型钢梁结构受力特点,采用了非线性有限元计算方法,并通过结构实验进行了验证。

  北京首都国际机场专机与公务机楼玻璃幕墙工程幕墙面积约为28000平方米,主要由石材幕墙、铝合金玻璃幕墙、玻璃采光顶等组成。其中铝合金玻璃幕墙部分支撑结构采用了栓接T型钢梁结构(如图2)。

  专机与公务机楼玻璃幕墙工程采用T型钢梁作为主要承力体系。施工图深化设计初始采用焊接T型梁,并要求在加工完成后将焊缝刨平,以保持外观简洁,美观。这种做法,对焊缝的要求很高,必须全熔透,否则会因为焊缝高度降低而对结构的受力产生不利影响。所以这种设计必然导致工艺复杂,施工周期长。为了保证进度,同时又不影响外观。将焊接T型梁改为栓接T型梁。T型梁翼缘和腹板采用大六角头8.8级M8高强螺栓连接,间距300mm,加劲板兼平面外栓接T型横梁的连接板每1200mm一块(具体布置参见图3)。这样变更后,T型钢梁加工速度快,外观更简洁。但其受力性能需要经过试验和理论分析验证。

  栓接T型梁的主体结构采用Q235钢,其材料的本构关系曲线高强螺栓,有效截面直径6.827mm。有效截面面积S=36.587mm2。该类螺栓的抗拉,抗剪强度检测值分别为:Ft=32.67KN;Fv=25.83KN。所以根据《钢结构设计规范(GB50017-2003)》,其屈服强度为:fu=32.67/36.587×1000=892.94Mpa;抗拉强度设计值ft=fu/2=446Mpa;抗剪强度设计值fv=Fv/s/2.5=282Mpa。该螺栓经测试满足规范规定的抗拉强度设计值ftb=400n/mm2;抗剪强度设计值fvb=250N/mm2的要求。螺栓由于是高强钢,其本构关系采用双折线(b),曲线E。结构计算采用美国CSI公司的结构设计软件Sap2000进行结构的初步分析。采用美国ANSYS公司著名的通用有限元分析软件ANSYS进行详细的三维结构有限元分析。

  北京地区基本风压:0.45KN/m2;抗震设防烈度:8度(0.20g);地面粗超度:B类;风荷载体型系数:1.2;玻璃横向网格为1.548米, 设计标高10.6米。T型钢为连续梁,总长10.04米,一层跨度5.17米,二层跨度4.89米。幕墙构件自重标准值:Gks=0.8 KN/m2

  式中:Wk---作用在幕墙上的风荷载标准值(kN/m2),方向垂直于板面;

  根据实际结构布置,我们进行结构的初步分析,采用SAP2000结构计算软件,结构的翼缘和腹板采用实体单元,在栓钉位置采用普通梁元模拟,为了分析螺栓的连接性能,我们设定翼缘和腹板之间2mm间隙(实际结构远没有这么大),初步分析结构模型中不考虑实际结构中连接耳板的作用。结构的分析模型如图5。经过分析后得到结果如表1。

  根据结构的初步分析可以得出,栓接T型钢在5.7米标高有面内支承,形成连续梁结构,结构的刚度能够满足要求规范要求,因为未考虑材料塑性,所以栓钉的剪力值只是理想弹性状态下的结果,但大体反应了栓钉群受力状态。对我们的试验方案有参考价值。

  与一般组合梁一样,在结构整体计算通过的情况下,结构的薄弱环节就是连接部分了。栓接T型钢的栓钉承载力对整个结构的耐久性至关重要。因此我们决定对T型钢进行静力和10万次疲劳测试,以确保结构安全。试验目的:a.考察栓钉连接方式的T型钢在静力和动力作用下的结构性能。B.验证理论分析的是否正确。我们委托东南大学工程结构与材料试验中心进行该项试验。为了真实的模拟T型钢梁的实际可能的荷载状态,本次采用高频疲劳和低周频劳满负荷试验,试验要求T梁的下弦最大应力幅达到150Mpa左右,另外由于疲劳机吨位较大,结构的刚度不能太小,否则无法成功循环加载。由于T型钢总长10米,采用1:1模型试验有困难,根据栓接T型钢的初步分析中栓钉的剪力分布情况,依据栓钉剪力和弯矩等效原则,考虑结构疲劳试验要求,我们分别采用2.1米跨度梁承受高频4KN~26KN正弦波循环荷载,4.2米跨度梁承受低周4KN~14KN正弦波循环荷载。这样既接近实际钢梁尺寸,又能够有足够的刚度使疲劳机加载能够得以顺利进行。两种跨度梁均采用试验室易于实现的简支条件,相对于实际结构的连续梁体系,该边界条件对T型钢梁的承载更不利。两种跨度梁的初步计算结果如表2所示:

  为了更准确的分析结构的真实受力状态,我们又采用ANSYS软件进行精细模型分析,栓接T型钢的有限元精细模型见图 6,上翼缘和腹板以及栓钉均采用SOLID92单元,该单元为带边中点的四面体单元,10个节点,每个节点3个自由度,能够适用于弹塑性,几何非线性等结构分析中。由于在螺栓拧紧后,螺帽与翼缘板焊牢,所以在建模时省却螺帽,仅仅建立螺杆模型。翼缘与腹板之间采用面面接触单元,接触算法选用Augment-Lagrange乘子算法。栓钉连接施工时,没有进行严格的扭力测试,预紧力无法估出,故在精细模型中不计螺栓预紧力。在该模型中还将T型钢梁平面外连接板作用考虑在内,经计算分析连接板对栓接T型钢梁的作用不可忽略。

  栓接T型钢与焊接T型钢(未经过焊缝磨平)的承载力和刚度的区别也为我们所关注,所以我们还进行了焊接T型钢的精细模型分析,焊接T型钢的翼缘腹板完全连接,全部采用Solid92单元。为了方便比较对照,焊接T型钢也采用4.2米跨度,简支。下面首先进行的是与实验结构相同T型钢梁的理论分析。由于T梁的几何和受载具有对称性,根据结构对称原理,选取T型钢模型一半进行分析。

  6.1.1工况2(11.7KN)作用下结构变形和应力分布4.2米梁的工况2总水平荷载为11.7KN(后文均在工况名后的括号内给出荷载值)。图8~9给出了在工况2作用下结构的位移和应力分布。

  6.1.2在极限荷载(45KN)条件下结构的变形和应力分布在极限荷载(45KN)条件下结构的变形和应力分布如图10~11。由图11可以看出,在达到最大承载力时,结构跨中截面几乎全部进入塑性,形成塑性铰,结构成为机构,从而丧失承载能力。

  6.2.1工况2(11.7KN)作用下结构变形和应力分布工况2(11.7KN)条件下结构的变形和应力分布如图13~14,工况2(11.7KN)条件下结构中受力最大的栓钉应力分布如图15~16。图12中由于支座附近的应力集中,其发生局部塑性。在跨中,截面未进入塑性。

  通过栓钉的受力可以看出,受力最大的栓钉,部分进入塑性,但没有进入全截面塑性。6.2.2极限荷载条件下(36.8KN)结构变形和应力分布

  极限荷载条件下(36.8KN)结构变形和应力分布如图17~18,极限荷载条件下(36.8KN) 结构中受力最大的栓钉应力分布如图19~20。与焊接T型钢梁类似的是,在极限状态,跨中截面仅有中和轴附近截面而其余大部分截面进入塑性,进而形成塑性铰,结构失去承载能力。

  在极限荷载条件下,栓钉全截面塑性,而且截面大部分到达屈服极限(800Mpa)。

  通过,图20~21可以发现,栓接T型梁的精细模型分析得到的结果与试验值十分接近。其荷载位移曲线在线性段几乎是重合,证明该精细有限元分析模型合理,能够用来准确分析栓接T型钢梁的受力状态。由图20看出,由于1.2米一对连接板存在,增强了栓接T型钢梁的承载力,其最终理论分析极限承载力为36.8KN,试验得出为40KN左右。而焊接T型钢梁的极限承载力为45KN,按照此连接方式(M8@300,连接板@1200)制作的栓接T型钢梁的承载力较焊接T型钢梁的承载力下降了大约18%。

  可以看到在11.7KN荷载(工况2)作用下,4.2米T型钢梁没有发现螺栓进入全截面塑性,在13.5KN荷载作用下,有4根螺栓退出工作,占栓钉总数的26.6%,而这个荷载工况在疲劳试验中得到体现,经过10万次循环,T型钢梁的不可逆变形为1.1mm,主要原因在于有少量栓钉在最大荷载14KN下全截面塑性。当然,随着这个比例的加大,T型钢梁的承载能力也逐渐达到极限。

  按照图3所示实际结构,采用有限元精细模型进行分析,其有限元模型如图23。在工况2作用下,分析结果如图24~28所示。

  根据图23~28可知,在工况2作用下,栓接T型钢的位移最大17mm,对应楼层为一层,跨度5.17米,挠度比值为1/304,满足规范要求。T型钢主体结构的最大米塞斯应力为444Mpa,但该应力出现在螺栓孔周围,翼缘和腹板中米塞斯应力最大为151Mpa。但是,在工况2,3的荷载组合作用下,栓接T型钢中少量栓钉出现了全截面塑性状态,共4根,占栓钉总数的11.7%。如果局部栓钉过早进入全截面塑性状态,对结构的变形和承载力均不利,容易导致结构产生不可逆变形,同时承载力会下降。为了避免在设计荷载(工况2,3)作用下有栓钉进入全截面塑性,在施工图设计当中对原方案进行了整改。

  整改方案是在支座附近进行间断焊加固钢梁,从而减小支座附近的栓钉剪力,以达到避免栓钉进入全截面塑性状态的目的。间断焊接在精细模型中(图29)中得以体现。

  根据整改后,结构的分析结果可知,在设计荷载作用下,结构中没有栓钉进入全截面塑性,结构承载力增加了大约13%。

  a.通过试验和理论分析结果对比,可知我们采用的精细有限元模型能够正确反映栓接T型钢梁的受力状态,分析结果合理可靠;b.经过理论分析可知,本工程中栓接T型钢梁整体的刚度和承载力能够满足规范要求;

  d.在实际结构分析的时候发现,在设计荷载作用下,结构中有少量栓钉进入全截面塑性。鉴于首都机场专机楼幕墙工程的重要性,必须保证结构在设计荷载内绝对安全,根据检测报告和理论分析结果,该幕墙工程栓接T型钢作了适当整改,在确保在设计荷载作用下无栓钉进入全截面塑性的同时,进一步提高栓接T型钢的承载力。

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