幕墻工程中常見加工類型的T型鋼梁承載性能模擬分析

逄增偉，王萬釗，裴興華，張舒雅，劉旭康，申曉兵

摘 要：利用Ansys Workbench軟件對(duì)幕墻工程中常見的4種不同加工類型的T型鋼梁進(jìn)行了承載性能的有限元模擬計(jì)算，得到了4種不同加工類型T型鋼梁的強(qiáng)度變化及撓度變化情況，并通過進(jìn)一步分析常見“栓接”T型鋼梁的螺釘受力及分布情況，提出了一種改進(jìn)型“栓接”T型鋼梁做法。

關(guān)鍵詞：幕墻；Ansys Workbench；T型鋼；有限元分析

中圖分類號(hào)：TU398.9? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：2096-6903（2024）02-0125-04

0引言

隨著對(duì)建筑幕墻效果的要求越來越高，簡潔、輕盈且通透成為玻璃幕墻的主流設(shè)計(jì)理念。近年來，一種“窄翼緣高腹板”的非常規(guī)熱軋T型鋼梁在玻璃幕墻中的應(yīng)用也越來越多。該鋼材一般沒有成品型鋼供應(yīng)，為了滿足項(xiàng)目生產(chǎn)建設(shè)需要通常采用鋼材加工件代替，主要加工方式為定制熱軋、全段焊接、間斷焊接以及栓接，其主要優(yōu)缺點(diǎn)見表1、表2。

合理選擇T型鋼的加工方式逐漸成為行業(yè)內(nèi)的一大難題。Ansys Workbench作為一款通用有限元軟件，具備強(qiáng)大的模擬分析能力。為此本文借助精細(xì)有限元計(jì)算模型，分析上述T型鋼梁的性能關(guān)系，期望能夠?yàn)檫@一難題提供些許資料和便利。

1鋼梁有限元模擬

1.1 模擬假定初設(shè)

假定計(jì)算模型為簡支梁，T型鋼加工形式如圖1所示。其型號(hào)規(guī)格為TN115 mm×75 mm×15 mm×15 mm，跨度為4 200 mm。鋼梁材料牌號(hào)為Q235，其材料強(qiáng)度設(shè)計(jì)值為215 MPa。對(duì)T型鋼翼緣區(qū)域施加均布荷載q（kN/m）使鋼梁處于純彎曲狀態(tài)[1]。由于焊縫和螺栓的材料屬性與鋼梁材料屬性近似，故在本文模擬中未單獨(dú)設(shè)置，材料物理性能見表3。

1.2 建模過程

利用ANSYS WORKBENCH軟件建立實(shí)體模型。定制熱軋鋼梁采用一體成型實(shí)體單元模擬。全段焊接鋼梁通過K型剖口焊（全熔透）將翼緣與腹板進(jìn)行焊接，其中翼緣、腹板、焊縫采用實(shí)體單元模擬，焊縫與翼緣和腹板之間接觸類型為Bonded連接，其余無接觸面。間斷焊接鋼梁采用尺寸為10 mm×100 mm塞焊孔，將腹板與翼緣焊接。翼緣、腹板、焊縫均采用實(shí)體單元模擬，焊縫與翼緣和腹板之間接觸類型為Bonded連接，其余接觸類型為Frictionless（無摩擦）。

全栓接鋼梁采用8.8級(jí)M8螺釘按間距200 mm布置，鋼梁與螺釘采用實(shí)體單元進(jìn)行模擬，螺釘與翼緣和腹板之間接觸類型為Bonded連接，其余接觸類型為Frictionless （無摩擦）[2]。兩端邊界按照簡支梁進(jìn)行約束，有限元網(wǎng)格劃分模型如圖2所示。

1.3 有限元分析結(jié)果

1.3.1鋼梁在均布荷載作用下的強(qiáng)度與剛度分析

利用ANSYS對(duì)4種類型的T型鋼梁在純彎曲加載狀態(tài)下分別施加遞增荷載，其分析結(jié)果中鋼梁的強(qiáng)度應(yīng)力圖，如圖3所示。

結(jié)合模擬數(shù)據(jù)，對(duì)比4種類型鋼梁逐一施加遞增荷載下的應(yīng)力及撓度，如表4、表5所示。

由表4可知：全段焊接T型鋼（類型2）與熱軋鋼梁撓度值差值0.02%，基本與熱軋鋼梁保持一致。間斷焊接T型鋼（類型3）與熱軋鋼梁撓度值差值0.90%，相差不大。螺栓栓接T型鋼（類型4）與熱軋鋼梁撓度值差值差距最大，與理論值最大差值為3.65%。綜上所述，全段焊接、間斷焊接和螺栓栓接這3種不同類型T型鋼在撓度方面的減弱是較為明顯的，尤其是撓度理論計(jì)算值基本達(dá)到許用撓度時(shí)，栓接T型鋼實(shí)際撓度已經(jīng)超出許用撓度，建議實(shí)際應(yīng)用時(shí)控制撓度利用率在85%以內(nèi)保證工程安全。

由表5可知：全段焊接T型鋼（類型2）與熱軋鋼梁應(yīng)力值一致，與實(shí)際情況較為符合。間斷焊接T型鋼（類型3）與熱軋鋼梁強(qiáng)度應(yīng)力值差值0.31%，相差不大。螺栓栓接T型鋼（類型4）與熱軋鋼梁強(qiáng)度應(yīng)力差值差距最大，與理論值最大差值為1.48%。綜上所述，全段焊接、間斷焊接和螺栓栓接這三種不同類型T型鋼在強(qiáng)度應(yīng)力方面的減弱基本可以忽略不計(jì)，能夠滿足工程實(shí)際需要。

1.3.2鋼梁在均布荷載作用下受力分析

通過ANSYS分析結(jié)果，可以得到全段焊接、間斷焊接和螺栓栓接3種不同類型T型鋼在不同荷載作用下焊縫及螺栓的應(yīng)力情況。

在均布荷載q=4.2 kN/m作用下，全段焊接T型鋼焊縫應(yīng)力最大值為69.01 MPa，間斷焊接T型鋼焊縫應(yīng)力最大值為90.9 MPa，均未達(dá)到焊縫應(yīng)力極限。證明此兩種類型鋼梁焊接強(qiáng)度足夠滿足T型鋼梁的承載力需求[3]。相關(guān)應(yīng)力結(jié)果如圖4所示。

栓接T型鋼在均布荷載q=4.2 kN/m作用下螺釘受力情況見表6，端部最大受力部位螺釘局部應(yīng)力分布情況見圖5。

由表6可知：螺釘在工作狀態(tài)下主要承受剪力，并且呈現(xiàn)距離支座越近螺釘剪力越大，鋼梁跨中螺釘最小的分布狀況。

由圖5相關(guān)螺釘?shù)木植繎?yīng)力分布情況可知：端部螺釘截面應(yīng)力最大值已超過螺釘承載極限，此時(shí)螺釘和鋼梁同時(shí)失效。這就說明T型鋼在采取栓接進(jìn)行加工時(shí)，鋼梁本身的承載能力受螺釘?shù)摹岸贪逡蛩亍庇绊戇_(dá)不到最佳承載力。

2“栓接”T型鋼梁螺釘受剪分析及改進(jìn)措施

2.1 “栓接”T型鋼梁螺釘受剪分析

從上文中可知4種不同類型T型鋼梁的承載能力基本一致，相對(duì)減弱并不明顯。但由于“栓接”T型鋼是通過螺釘將腹板與翼緣進(jìn)行固定，存在明顯的“短板效應(yīng)”即螺釘提前失效導(dǎo)致鋼梁失效[4]。從理論上對(duì)栓接T型鋼螺釘受剪原因進(jìn)行分析：“栓接”T型鋼梁在均布荷載q作用下產(chǎn)生彎矩M，由于螺釘固定連接作用，翼緣與腹板形成組合截面，從而彎矩M（X）被重新分配為3部分：一對(duì)力偶N1和N2、翼緣和腹板所分配的彎矩M（X）1和M（X）2，受力如圖6所示。

通過ANSYS模擬計(jì)算，對(duì)相同尺寸相同間隔的“栓接”T型鋼梁施加不同的荷載得到端部螺栓的剪力值及鋼梁跨中應(yīng)力值，如表7所示。在均布荷載q=2.4 kN/m作用下，其分析結(jié)果中的鋼梁強(qiáng)度應(yīng)力圖見圖7所示。

查詢相關(guān)規(guī)范手冊(cè)，可以大致計(jì)算出8.8級(jí)M8螺釘?shù)睦碚摽辜舫休d力為11.7 kN。由表7可知：該T型鋼梁在2.4 kN/m的均布荷載作用下，端部螺栓最大剪力達(dá)到11.15 kN ，已達(dá)到螺栓抗剪承載極限，此時(shí)鋼梁跨中應(yīng)力值為117.81 MPa，強(qiáng)度利用率為55%，達(dá)到了該鋼梁的使用極限。

2.2 對(duì)“栓接”T型鋼梁的改進(jìn)措施

由于“栓接”T型鋼梁在加工過程中不存在焊接應(yīng)力和變形，相較其余3種鋼梁在加工便利性和時(shí)效性方面是相當(dāng)不錯(cuò)的。因此可以對(duì)傳統(tǒng)的栓接“T型鋼”進(jìn)行改進(jìn)，在“栓接”T型鋼基礎(chǔ)上，在其端部新增一段穿孔塞焊做法，如圖8所示。

對(duì)改進(jìn)后的“栓接”T型鋼梁施加不同的荷載得到端部螺栓的剪力值、梁跨中應(yīng)力值以及新增焊縫應(yīng)力值，如表8所示。

由表8可知：改進(jìn)后的T型鋼梁在2.4kN/m的均布荷載作用下，端部螺栓最大剪力為5.2 kN，相比于改進(jìn)前降低了53.4%，說明此改進(jìn)方法能夠有效降低端部螺釘?shù)募袅?。T型鋼梁的承載能力有了大幅度的提升，相較“栓接”T型鋼梁承載能力提升了50%以上，基本達(dá)到與焊接T型鋼和間斷焊接T型鋼承載性能相同的水平。

3結(jié)束語

通過對(duì)4種不同加工類型的T型鋼梁進(jìn)行有限元模擬以及對(duì)“栓接”T型鋼螺釘受剪狀態(tài)的有限元模擬，得到以下3點(diǎn)結(jié)論：①全段焊接和間斷焊接T型鋼梁在強(qiáng)度應(yīng)力方面的減弱基本可以忽略不計(jì)，能夠滿足工程實(shí)際需要，可根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際情況選用合適的加工方法。②“栓接”T型鋼梁螺釘在工作狀態(tài)下主要承受剪力，且呈現(xiàn)距離支座越近螺釘剪力越大，鋼梁跨中螺釘剪力為零的分布狀況。③“栓接”T型鋼梁受限于端部螺釘抗剪承載力，導(dǎo)致鋼材使用率不理想，采用改進(jìn)型“栓接”T型鋼梁的做法能夠有效降低端部螺釘剪力值，建議工程應(yīng)用中盡量不采用純“栓接”形式。

參考文獻(xiàn)

[1] 白英博，姚遠(yuǎn)，姚思羽.栓釘對(duì)組合鋼梁承載力的影響研究[J].建筑結(jié)構(gòu)，2021，51（S1）：1598-1601.

[2] 徐明，肖亞明.組合梁栓釘連接件的抗剪性能分析[J].安徽水利水電職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，9（04）：18-19+22.

[3] GB50017-2017.結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2017.

[4] 姚諫.建筑結(jié)構(gòu)靜力計(jì)算實(shí)用手冊(cè)（第二版）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2014.