某弧形觀光電梯點支玻璃懸臂鋼管應力分析

鄒萬年

0 引言

點式玻璃幕墻具有獨立的支承體系,其玻璃面板間只有防水耐候膠,沒有鋁合金等框架,因此結構簡潔明快,具有良好的建筑效果,達到了建筑物內外交融的美感,使建筑物內外空間融為一體,擴大了建筑物內部的空間感,也從外立面效果顯示了建筑的結構美[1]。點式玻璃幕墻應用出臺了相關規范,目前在觀光電梯中的應用已經很多,由于點式玻璃幕墻良好的通透效果,能夠使得乘客在乘電梯的同時欣賞著窗外的景色,當采用弧形玻璃時,幕墻顯得更具流線形,富有現代感。

為滿足結構形式簡單要求,內部支撐骨架采用懸臂管結構是一個比較理想的選擇。由于鋼管弧形懸臂,同時承受著水平方向的風載作用和豎直方向的玻璃重量,受力較為復雜,而且與駁接爪連接件焊接部位還存在較大的應力集中現象,在做桿系結構計算時沒辦法考慮,本文以某弧形觀光電梯點支玻璃幕墻的支撐鋼管為研究對象,利用有限元分析鋼管的應力情況,為相關工程提供參考。

1 工程概況

工程位于西安市某中心區,觀光電梯洞口高 22.05 m,寬3 m,為滿足觀光電梯通透明快的建筑效果,設計方案采用了點支式弧形玻璃幕墻,由三片12 mm厚弧形鋼化玻璃組成,玻璃由洞口兩邊伸出懸臂圓鋼管承受,鋼管規格φ 133 mm×5.0 mm,玻璃與鋼管通過250系列駁接件連接,外爪離鋼管最端部距離為2倍的駁接件座頭直徑,內爪離鋼管根部為2倍的駁接件座頭直徑,觀光電梯具體尺寸及構造如圖1所示。

2 有限元計算模型

工程中鋼管壁厚遠小于構件尺寸,比較適合采用板殼單元模擬,本文采用四節點殼單元進行分析,采用理想彈塑性模型和Von Mises屈服準則來模擬鋼管材料。駁接爪考慮傳力的座頭[2],鋼管材料為Q235鋼材,初始彈性模量E=2.06×105MPa,fy=235 MPa,屈服后彈性模量Et=2.06×104MPa,泊松比υ=0.3,鋼材密度ρ=7 850 kg/m3。有限元計算加載根據西安地區風壓按規范要求取50年一遇最不利荷載考慮,邊界條件為懸臂鋼管根部端約束所有位移,另一端為自由端,有限元計算模型如圖2所示。

3 計算結果及分析

圖3為有限元計算的鋼管應力及駁接爪連接部位應力局部放大圖,從圖3a)可以看出,鋼管都處于彈性工作范圍,駁接爪與鋼管焊接部位出現明顯應力集中現象,鋼管根部最大von-mises等效應力為20.8 MPa;從圖3b)可以看出,外駁接爪與鋼管焊接部位出現鋼管的最大von-mises等效應力101 MPa,同時可以看出,鋼管局部應力基本處于焊縫附近,設計時外爪離鋼管最端部距離為2倍的駁接件座頭直徑,從應力分布角度來看,2倍的駁接件座頭直徑距離并不合適,可以適當減小距離。

4 結語

本文對支撐點式玻璃幕墻的懸臂鋼管進行了有限元分析,結果表明駁接爪與鋼管連接部位是結構的薄弱部位,設計時不但要考慮鋼管結構的整體受力和變形情況,尚應重點考慮連接部位的應力集中現象。

[1] 朱杰克.點式玻璃幕墻弧面玻璃板承載性能研究[D].北京:北京林業大學碩士學位論文,2007.

[2] 石永久,程 明,鄒 宇,等.點式支承玻璃建筑中金屬連接件的簡化設計方法[J].工業建筑,2005,35(2):16-19.