現(xiàn)代建筑的單元式幕墻設計要求美觀大方，富于立體感，外立面越來越復雜多變。造成單元板塊種類豐富多樣，其中槽型、轉角型單元鋁板應用較為廣泛[1-3]。其受風荷載作用較為復雜，有單向受正風壓的、也有三向受風荷載的，更有雙向受正風壓、轉角處立面受負風壓作用的情況，其受力和變形較為復雜，引起業(yè)內(nèi)的日益關注[4-7]。同時，由于單元板塊在車間組裝后運至現(xiàn)場吊裝時，少數(shù)加勁肋的連接螺絲由于運輸原因可能產(chǎn)生脫落，由于板塊內(nèi)部空間狹窄，在施工現(xiàn)場板塊內(nèi)部的加勁肋連接螺絲已難以重新補裝，這樣原正常狀態(tài)下的計算模型發(fā)生了改變。因此，計算模型的可靠性也也越來越引起設計人員的重視[8]。本文討論了在正向風壓作用下，槽型鋁板與加勁肋組成的單元式幕墻板塊結構的計算問題，同時考慮了加勁肋與鋁板轉角處局部鉚釘松脫造成的非正常狀態(tài)下的受力與變形計算，并與正常狀態(tài)下的計算結果進行了比較。
1.槽型鋁板與加勁肋正常狀態(tài)受力與變形計算
槽型鋁板單元板塊結構如圖1所示，由槽型鋁板和5條加勁肋組成。槽型鋁板與加勁肋(可看作門式框架)由鉚釘緊固，槽型鋁板與加勁肋在緊密接觸處x、y、z方向線位移和角位移應協(xié)調(diào)一致，加勁肋轉折處采用連接片連接，每側2個螺絲固定，能承擔約束力矩及約束反力，可視為剛結點[9-10]。一般情況下，在風荷載作用下的槽型鋁板與加勁肋的內(nèi)力與變形計算均簡化為平面問題且各自獨立計算。為更好地模擬槽型鋁板和加勁肋之間的空間協(xié)調(diào)變形及承載能力，槽型鋁板可視為空間殼體結構[11]，加勁肋視為空間梁，二者協(xié)同承擔荷載。
圖1 槽型鋁板單元板塊結構示意圖
本文采用ANSYS軟件建立計算模型[12-14]，鋁板板身采用三維殼單元(SHELL63)，該單元為4節(jié)點，可定義厚度。加勁肋采用三維梁單元(BEAM4)，該單元由兩個或三個節(jié)點定義，可定義截面積與截面慣性矩、截面寬和高。鋁板與加勁肋形成的整體兩側受風面均受到均布風荷載作用，其約束條件為對兩側面的邊緣進行鉸接約束。
(1)模型及計算分析：
整體計算模型選取坐標如圖2所示，從中可以看出槽型鋁板及加勁肋各位置及在整體坐標X、Y、Z三向所處的方位。對整體模型進行單元網(wǎng)格劃分后，如圖3所示。
圖2 整體模型構成示意圖
圖3 網(wǎng)格劃分完后的整體模型
本文以澳門威尼斯人酒店T6B標段單元式幕墻為例，添加約束并在兩個側面施加同向的4.43KPa均布面荷載，計算求解該荷載作用下的槽型鋁板及加勁肋的位移及應力如下：
圖4 X方向節(jié)點位移
沿風向(即X方向)的最大位移為0.204313mm，也是整體模型最大變形。最大撓度的位置出現(xiàn)鋁板兩側面加勁肋之間的中部位置。
選擇所有鋁板板體的單元作為研究對象，板體模型的三向單元應力分布情況如圖5、6、7所示：
圖5 板體X方向的單元應力分布圖
X方向的最大應力為3.461MPa，發(fā)生在板體兩個邊緣角點的附近位置，該區(qū)域附近及中板與側板相交邊界的應力水平較高。
圖6 板體Y方向的單元應力分布圖
Y方向的最大應力為7.062MPa，最大應力發(fā)生在加勁肋支撐端所對應的板體的中部位置，該區(qū)域附近的應力水平較高。
圖7 板體Z方向的單元應力分布圖
Z方向的最大應力為7.308MPa，發(fā)生在每塊鋁板兩側板的中部區(qū)域。
計算結果表明：槽型鋁板及加勁肋所組成的單元式幕墻結構的變形及應力均符合設計要求。
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