仿真案例 | 复合搪瓷板幕墙CAE计算报告

二、设计载荷

01 风载荷标准值的计算方法

幕墙属于外围护构件，按《建筑结构荷载规范》(GB50009-2012)计算：

w_k=β_gzμ_s1μ_zw₀

……8.1.1-2[GB50009-2012]

w_k：作用在幕墙上的风荷载标准值(MPa)；

z：计算点标高：2.400m；

     

     

 βgz：高度z处的阵风系数

根据不同场地类型,按以下公式计算：

β_gz=1+2gI₁₀(z/10)^-α   

……条文说明部分8.6.1[GB50009-2012]

其中A、B、C、D四类地貌类别截断高度分别为：5m、10m、15m、30m；

A、B、C、D四类地貌类别梯度高度分别为：300m、350m、450m、550m；

也就是：

• 对A类场地：当z>300m时，取z=300m，当z<5m时，取z=5m；

• 对B类场地：当z>350m时，取z=350m，当z<10m时，取z=10m；

• 对C类场地：当z>450m时，取z=450m，当z<15m时，取z=15m；

• 对D类场地：当z>550m时，取z=550m，当z<30m时，取z=30m；

g：峰值因子，取2.5；

I₁₀：10m高名义湍流度，对应A、B、C、D地面粗糙度，可分别取0.12、0.14、0.23和0.39；

α：地面粗糙度指数，对应A、B、C、D地面粗糙度，可分别取0.12、0.15、0.22和0.30；

对于B类地形，3.550m高度处的阵风系数为β_gz=1+2×2.5×0.14×(10/10)-0.15=1.7

     

     

μ_z：风压高度变化系数

根据不同场地类型,按《建筑结构荷载规范》条文说明部分8.2.1提供的公式计算：

A类场地：μ_z^A=1.284×(z/10)^0.24

B类场地：μ_z^B=1.000×(z/10)^0.30

C类场地：μ_z^C=0.544×(z/10)^0.44

D类场地：μ_z^D=0.262×(z/10)^0.60

公式中的截断高度和梯度高度与计算阵风系数时相同，也就是：

• 对A类场地：当z>300m时，取z=300m，当z<5m时，取z=5m；

• 对B类场地：当z>350m时，取z=350m，当z<10m时，取z=10m；

• 对C类场地：当z>450m时，取z=450m，当z<15m时，取z=15m；

• 对D类场地：当z>550m时，取z=550m，当z<30m时，取z=30m；

对于B类地形，3.550m高度处风压高度变化系数：μ_z=1.000×(10/10)0.30=1。

     

     

μ_s1：局部风压体型系数

1.按《建筑结构荷载规范》GB50009-2012第8.3.3条：计算围护结构及其连接的风荷载时，可按下列规定采用局部体型系数μ_s1：

• 封闭矩形平面房屋的墙面及屋面可按表8.3.3-1的规定采用；

• 檐口、雨篷、遮阳板、边棱处的装饰条等突出构件，取-2.0；

• 其它房屋和构筑物可按本规范第8.3.1条规定体型系数的1.25倍取值。

本计算点为墙面大面位置，按如上说明，查表得：

μ_s1(1)=1

2.《建筑结构荷载规范》GB50009-2012第8.3.4条：计算非直接承受风荷载的围护构件风荷载时，局部体型系数可按构件的从属面积折减，折减系数按下列规定采用：

• 当从属面积不大于1m2时，折减系数取1.0；

• 当从属面积大于或等于25m2时，对墙面折减系数取0.8，对局部体型系数绝对值大于1.0的屋面区域折减系数取0.6，对其它屋面区域折减系数取1.0；

• 当从属面积大于1m2且小于25m2时，墙面和绝对值大于1.0的屋面局部体型系数可采用对数插值，即按下式计算局部体型系数：

μs1(A)=μs1(1)+[μs1(25)-μs1(1)]logA/1.4

……8.3.4[GB50009-2012]

• 其中：

• μ_s1(25)=0.8μ_s1(1)=0.8×1=0.8

• 计算支撑结构时的构件从属面积：

• A=1.21×1.2=1.452m2

• 当A>25时取a=25，当A小于1时取A=1；

• LogA=0.162

• 则：

• μ_s1(A)=μ_s1(1)+[μ_s1(25)-μ_s1(1)]logA/1.4

• =1+[0.8-1]×0.162/1.4

• =0.977

3.按《建筑结构荷载规范》GB50009-2012第8.3.5条：计算围护结构风荷载时，建筑物内部压力的局部体型系数可按下列规定采用：

（1）封闭式建筑物，按其外表面风压的正负情况取-0.2或0.2；

（2）仅一面墙有主导洞口的建筑物：

• 当开洞率大于0.02且小于或等于0.10时，取0.4μ_s1；

• 当开洞率大于0.10且小于或等于0.30时，取0.6μ_s1；

• 当开洞率大于0.30时，取0.8μ_s1；

（3）其它情况，应按开放式建筑物的μ_s1取值；

注：

主导洞口的开洞率是指单个主导洞口与该墙面全部面积之比；

μ_s1应取主导洞口对应位置的值；

本计算中建筑物内部压力的局部体型系数为0.2(封闭式建筑内表面)。因此，计算非直接承受风荷载的支撑结构时的局部风压体型系数为：

μ_s1=0.977+0.2=1.177

而对直接承受风压的面板结构来说，其局部风压体型系数为：

μ_s1=1+0.2=1.2

w₀：基本风压值(MPa)

根据现行《建筑结构荷载规范》GB50009-2012附表E.5中数值采用，但不小于0.3KN/m2，按重现期50年，福州地区取0.0007Mpa。

02 计算面板材料时的风荷载标准值

w_k=β_gzμ_zμ_s1w₀=1.7×1×1.2×0.0007=0.001428MPa

03 平行于幕墙平面的集中水平地震作用标准值

P_Ek=β_Eα_maxG_k

……5.3.5[JGJ102-2003]

P_Ek：平行于幕墙平面的集中水平地震作用标准值(N)；

β_E：动力放大系数,取5.0；

α_max：水平地震影响系数最大值，取0.08；

G_k：幕墙构件的重力荷载标准值(N)；

按照JGJ102规范5.4节条文说明部分的规定，对于竖向幕墙和与水平面夹角大于75度、小于90度的斜玻璃幕墙，可不考虑竖向地震作用效应的计算和组合。

04 作用在板块上的风荷载及地震作用荷载组合

用于强度计算时，采用Sw+0.5SE设计值组合：

……5.4.1[JGJ102-2003]

q=1.4w_k+0.5×1.3qEAk=1.4×0.001428+0.5×1.3×0.00017=0.00211MPa

本文在分析时，采用上述组合载荷的设计值0.00211MPa作为分析载荷，并考虑相应的重力问题。

三、有限元模型

将CAD模型导入CAE软件中进行模型处理，处理好的模型如图1所示。

图1 处理后的CAD模型

将图1中的模型导入CAE分析环境，赋予材料属性，定义接触连接，并网格划分，如图2所示。

图2 结构的有限元模型

组合载荷的设计值0.00211MPa作为分析载荷，得到整体的位移云图和各个零部件的应力分布云图。

图3 结构的位移云图

图4 挂钩1的应力云图

图5 挂钩2的应力云图

图6 遮挡的应力云图

图7 C型镀锌龙骨的应力云图

图8 角码的应力云图

图9 膨胀螺栓的应力云图

上述计算所使用的载荷0.00211Mpa为正压载荷，如果将0.00211Mpa转化为正拉载荷时，则底部膨胀螺栓所承受的抗拔拉力计算如下图所示：

图10 膨胀螺栓的抗拔拉力