幕墻預埋件承載力非線性有限元分析

　　玻璃幕墻脫落造成的安全事故近年來頻頻發(fā)生，幕墻預埋件作為承受幕墻荷載的主要受力構件，其承載力水平顯得尤為重要｡利用大型通用有限元程序LS-DYNA對幕墻預埋件進行了數(shù)值模擬分析，并通過試驗進行了驗證，預埋件詳細尺寸如圖1所示｡

　　試驗混凝土試塊尺寸為800×300×300，混凝土采用C45｡預埋件槽身和槽腳的鋼材型號不同，槽身采用Q235､槽腳采用Q345級鋼材｡預埋件置于混凝土塊中央，平混凝土面，混凝土養(yǎng)護28d后，對預埋件進行了抗拉和抗剪承載力試驗｡

　　利用Hypermesh軟件進行建模，單元類型為六面體實體單元，為了控制沙漏能的影響，對局部單元圖2預埋件抗拉承載力模型采用全積分｡模型材料為混凝土和鋼材，模型大體由三部分組成：由鋼材組成的預埋件､傳力裝置及混凝土組成的外部結構｡試驗中，傳力裝置的剛度比較大，變形很小，因此數(shù)值分析中把傳力裝置模擬成剛體，這樣也可以減少計算時間｡模型如圖2所示｡圖3為預埋件的有限元模型及網格劃分｡

　　混凝土裂縫的模擬需要劃分較細的網格，為了節(jié)省計算時間，對局部區(qū)域采用質量放大技術，根據(jù)線彈性分析結果考察應力狀態(tài)和混凝土可能的破壞形式，最終對鋼材選用第3號材料模型*MAT_PLASTIC_KINEMATI

C，對混凝土材料選用第84號材料模型*MAT_WINFRIT

H_CONCRETE和*MAT_ADD_EROSION進行模擬｡

　　試驗中，模型是平放在地面上，采用自平衡的方式均勻加載，有限元分析采用把地面做成剛性板的方法，這樣邊界條件就和試驗完全一致｡

　　在LS-DYNA程序中，可以在分析中通過質量縮放來調整最小時間步長，即如果程序計算出的時間步長太小，則可通過調整單元密度（質量縮放）以達到一個合理的時間步長｡本文所做的分析中通過對密度適當放大以增大最小時間步長，從而提高計算效率，質量縮放對慣性力的影響不大，基本不影響計算精度｡

　　文中的加載數(shù)據(jù)來源于試驗，與試驗加載過程嚴格一致｡采用緩慢､準靜力加載方法以控制動能，減小慣性力影響，加載時間為5s｡

　　單點積分的實體單元容易形成零能模式，主要表現(xiàn)為產生一種自然振蕩并且比所有結構響應的周期要短得多，網格變形呈鋸齒形，被稱為沙漏變形｡

　　沙漏變形有變形但不消耗能量，是一種在理論上存在而實際中不存在的變形模式，若不加以控制，將出現(xiàn)嚴重的沙漏變形，此時沙漏能量異常，將會嚴重影響計算結果的精度，但是沙漏能的控制問題一直是數(shù)值模擬的難題｡有限單元單點積分可以大幅降低計算成本，但是由此產生的沙漏問題如果不能得到有效控制，將使得計算結果完全不可信｡在D3PLOT中可以查看沙漏能(HourglassEnery)與總能量(TotalEnergy)隨時間變化的輸出值，一般情況下，如果沙漏能超過總能量的10%，那么就需要調整沙漏控制，以保證計算結果的精度｡文中采取了以下幾種方法有效地控制了整體模型的沙漏能：1)添加沙漏控制選項*CONTROL_HOURGLASS；2)定義體積粘性*CONTROL_BULK_VISCOSITY；3)對局部單元采用全積分；4)對局部單元進行網格細化｡結果表明，沙漏能占的比例極小，滿足工程中的要求，可以保證計算精度｡

　　文中分析沒有考慮混凝土與鋼材之間的粘結應力，不同部件之間接觸類型選用*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE｡

　　計算時間和網格數(shù)量等有密切關系，為了節(jié)省計算時間，對重點考察區(qū)域網格劃分較密，邊緣的區(qū)域網格劃分相對較粗，有限元模型網格劃分如圖2（a）所示｡圖4為預埋件在拉力作用下的變形情況，可以看出有限元結果與試驗的變形情況是相符的｡圖5為混凝土裂縫分布情況，在用自平衡的方法加載時，混凝土在荷載作用下類似于“掰”的作用，當達到抗拉極限承載力時會產生豎向裂縫，同時由于受到豎向荷載作用會產生橫向裂縫，從圖5可以看到，有限元計算結果與試驗裂縫的分布基本上是一致的，但試驗中由于很多隨機因素的影響難免會產生一些誤差，造成模型的不對稱進而導致裂縫分布也不對稱，而數(shù)值模擬就會好得多｡圖6為鋼材的Mises應力分布情況，可以看到鋼材局部進入塑性｡圖7為鋼材在拉力作用下的應變情況，可以看到最大應變?yōu)?.033，遠小于鋼材的破壞應變｡

　　圖8為有限元分析和試驗測得的力-位移曲線對比，虛線為數(shù)值模擬曲線，實線為幾組試驗結果，可見有限元結果與試驗結果非常接近｡

　　模型大體由四部分組成：由鋼材組成的預埋件､傳力裝置､固定裝置以及混凝土組成的外部結構｡試驗中傳力裝置和固定裝置剛度比較大，變形很小，因此把傳力裝置和固定裝置模擬成剛體，這樣也可以減少計算時間｡模型如圖9所示｡

　　試驗中模型放在一固定裝置上，固定裝置由鋼板和底部支承的鋼塊組成，鋼板用來夾住混凝土試塊以固定｡為保持和試驗的一致性，把固定裝置底部固接｡

　　同抗拉承載力分析一樣，抗剪承載力分析也是準靜態(tài)分析｡試驗中荷載通過傳力板傳遞到螺栓再傳到預埋件，為保持和試驗的一致性，有限元分析中荷載加在傳力板中間的節(jié)點組上｡通過對密度適當放大以增大最小時間步長，從而提高計算效率，質量縮放對慣性力的影響不大，動能很小，這說明5s的加載時間是合理的｡

　　沒有考慮混凝土與鋼材之間的粘結應力，不同部件之間定義為面面接觸，接觸類型選用*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE｡

　　在有限元分析中，計算所需時間和網格數(shù)量､網格尺寸等有密切關系，為了節(jié)省計算時間，對重點考察區(qū)域網格劃分較密，邊緣的區(qū)域網格劃分相對較粗，模型網格劃分如圖9(a)所示｡圖10為整體結構的變形情況，可以看出在水平剪力作用下，傳力板并不是沿荷載方向平動，而是出現(xiàn)了一個轉角，這是其在水平荷載作用下相對于螺栓產生了一個彎矩導致｡圖11為鋼材的Mises應力分布情況，可以看到鋼材局部進入塑性｡圖12為鋼材在剪切力作用下的應變分布情況，可以看到遠沒有達到鋼材的破壞應變｡圖13為混凝土達到極限壓應變的區(qū)域示意圖，可以看到直接受壓的混凝土局部發(fā)生了破壞｡圖14為混凝土達到極限拉應變的區(qū)域示意圖，可以看到只有極少的混凝土單元受拉破壞｡圖15為有限元分析和試驗測得的力-位移曲線對比，虛線為數(shù)值模擬曲線，實線為幾組試驗結果，可以看到有限元結果與試驗結果很接近｡

　　根據(jù)試驗提供的條件建立有限元模型，利用LS-DYNA對預埋件的抗拉和抗剪承載力進行了分析｡在抗拉承載力的分析中發(fā)現(xiàn)，在受力過程中主要是預埋件的槽身發(fā)生很大變形，這和槽身的鋼材材料強度較低有關，在整個受力過程中槽桿和混凝土變形很��；預埋件的變形和試驗一致，鋼材在給定的荷載作用下會局部進入塑性，但不會發(fā)生破壞；混凝土在拉應力作用下會出現(xiàn)縱向和橫向裂縫，裂縫分布區(qū)域與試驗基本一致；通過對比力-位移曲線發(fā)現(xiàn)有限元分析和試驗的結論是一致的｡

　　在抗剪承載力的分析中發(fā)現(xiàn)，傳力板在水平荷載作用下會發(fā)生旋轉，主要是由荷載相對于螺栓形成偏心而產生的彎矩引起的，同時這個彎矩也使螺栓發(fā)生彎曲變形；鋼材在給定的水平荷載作用下會局部進入塑性，但不會發(fā)生破壞；混凝土也有局部區(qū)域會發(fā)生拉壓破壞，但破壞的區(qū)域很小，對整體結構的影響可忽略不計；通過對比力-位移曲線發(fā)現(xiàn)有限元分析和試驗的結論是一致的｡