幕墻預(yù)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(yù)埋件作為承受幕墻荷載的主要受力構(gòu)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(duì)幕墻預(yù)埋件進(jìn)行了數(shù)值模擬分析，并通過試驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證，預(yù)埋件詳細(xì)尺寸如圖1所示｡

　　試驗(yàn)混凝土試塊尺寸為800×300×300，混凝土采用C45｡預(yù)埋件槽身和槽腳的鋼材型號(hào)不同，槽身采用Q235､槽腳采用Q345級(jí)鋼材｡預(yù)埋件置于混凝土塊中央，平混凝土面，混凝土養(yǎng)護(hù)28d后，對(duì)預(yù)埋件進(jìn)行了抗拉和抗剪承載力試驗(yàn)｡

　　利用Hypermesh軟件進(jìn)行建模，單元類型為六面體實(shí)體單元，為了控制沙漏能的影響，對(duì)局部單元圖2預(yù)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(yù)埋件､傳力裝置及混凝土組成的外部結(jié)構(gòu)｡試驗(yàn)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(jì)算時(shí)間｡模型如圖2所示｡圖3為預(yù)埋件的有限元模型及網(wǎng)格劃分｡

　　混凝土裂縫的模擬需要?jiǎng)澐州^細(xì)的網(wǎng)格，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，對(duì)局部區(qū)域采用質(zhì)量放大技術(shù)，根據(jù)線彈性分析結(jié)果考察應(yīng)力狀態(tài)和混凝土可能的破壞形式，最終對(duì)鋼材選用第3號(hào)材料模型*MAT_PLASTIC_KINEMATI

C，對(duì)混凝土材料選用第84號(hào)材料模型*MAT_WINFRIT

H_CONCRETE和*MAT_ADD_EROSION進(jìn)行模擬｡

　　試驗(yàn)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(yàn)完全一致｡

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

　　文中的加載數(shù)據(jù)來源于試驗(yàn)，與試驗(yàn)加載過程嚴(yán)格一致｡采用緩慢､準(zhǔn)靜力加載方法以控制動(dòng)能，減小慣性力影響，加載時(shí)間為5s｡

　　單點(diǎn)積分的實(shí)體單元容易形成零能模式，主要表現(xiàn)為產(chǎn)生一種自然振蕩并且比所有結(jié)構(gòu)響應(yīng)的周期要短得多，網(wǎng)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(shí)際中不存在的變形模式，若不加以控制，將出現(xiàn)嚴(yán)重的沙漏變形，此時(shí)沙漏能量異常，將會(huì)嚴(yán)重影響計(jì)算結(jié)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(diǎn)積分可以大幅降低計(jì)算成本，但是由此產(chǎn)生的沙漏問題如果不能得到有效控制，將使得計(jì)算結(jié)果完全不可信｡在D3PLOT中可以查看沙漏能(HourglassEnery)與總能量(TotalEnergy)隨時(shí)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(diào)整沙漏控制，以保證計(jì)算結(jié)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(xiàng)*CONTROL_HOURGLASS；2)定義體積粘性*CONTROL_BULK_VISCOSITY；3)對(duì)局部單元采用全積分；4)對(duì)局部單元進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化｡結(jié)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(jì)算精度｡

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

　　計(jì)算時(shí)間和網(wǎng)格數(shù)量等有密切關(guān)系，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，對(duì)重點(diǎn)考察區(qū)域網(wǎng)格劃分較密，邊緣的區(qū)域網(wǎng)格劃分相對(duì)較粗，有限元模型網(wǎng)格劃分如圖2（a）所示｡圖4為預(yù)埋件在拉力作用下的變形情況，可以看出有限元結(jié)果與試驗(yàn)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(shí)，混凝土在荷載作用下類似于“掰”的作用，當(dāng)達(dá)到抗拉極限承載力時(shí)會(huì)產(chǎn)生豎向裂縫，同時(shí)由于受到豎向荷載作用會(huì)產(chǎn)生橫向裂縫，從圖5可以看到，有限元計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)裂縫的分布基本上是一致的，但試驗(yàn)中由于很多隨機(jī)因素的影響難免會(huì)產(chǎn)生一些誤差，造成模型的不對(duì)稱進(jìn)而導(dǎo)致裂縫分布也不對(duì)稱，而數(shù)值模擬就會(huì)好得多｡圖6為鋼材的Mises應(yīng)力分布情況，可以看到鋼材局部進(jìn)入塑性｡圖7為鋼材在拉力作用下的應(yīng)變情況，可以看到最大應(yīng)變?yōu)?.033，遠(yuǎn)小于鋼材的破壞應(yīng)變｡

　　圖8為有限元分析和試驗(yàn)測(cè)得的力-位移曲線對(duì)比，虛線為數(shù)值模擬曲線，實(shí)線為幾組試驗(yàn)結(jié)果，可見有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果非常接近｡

　　模型大體由四部分組成：由鋼材組成的預(yù)埋件､傳力裝置､固定裝置以及混凝土組成的外部結(jié)構(gòu)｡試驗(yàn)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(jì)算時(shí)間｡模型如圖9所示｡

　　試驗(yàn)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(yàn)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(zhǔn)靜態(tài)分析｡試驗(yàn)中荷載通過傳力板傳遞到螺栓再傳到預(yù)埋件，為保持和試驗(yàn)的一致性，有限元分析中荷載加在傳力板中間的節(jié)點(diǎn)組上｡通過對(duì)密度適當(dāng)放大以增大最小時(shí)間步長(zhǎng)，從而提高計(jì)算效率，質(zhì)量縮放對(duì)慣性力的影響不大，動(dòng)能很小，這說明5s的加載時(shí)間是合理的｡

　　沒有考慮混凝土與鋼材之間的粘結(jié)應(yīng)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(jì)算所需時(shí)間和網(wǎng)格數(shù)量､網(wǎng)格尺寸等有密切關(guān)系，為了節(jié)省計(jì)算時(shí)間，對(duì)重點(diǎn)考察區(qū)域網(wǎng)格劃分較密，邊緣的區(qū)域網(wǎng)格劃分相對(duì)較粗，模型網(wǎng)格劃分如圖9(a)所示｡圖10為整體結(jié)構(gòu)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(dòng)，而是出現(xiàn)了一個(gè)轉(zhuǎn)角，這是其在水平荷載作用下相對(duì)于螺栓產(chǎn)生了一個(gè)彎矩導(dǎo)致｡圖11為鋼材的Mises應(yīng)力分布情況，可以看到鋼材局部進(jìn)入塑性｡圖12為鋼材在剪切力作用下的應(yīng)變分布情況，可以看到遠(yuǎn)沒有達(dá)到鋼材的破壞應(yīng)變｡圖13為混凝土達(dá)到極限壓應(yīng)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(dá)到極限拉應(yīng)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(yàn)測(cè)得的力-位移曲線對(duì)比，虛線為數(shù)值模擬曲線，實(shí)線為幾組試驗(yàn)結(jié)果，可以看到有限元結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果很接近｡

　　根據(jù)試驗(yàn)提供的條件建立有限元模型，利用LS-DYNA對(duì)預(yù)埋件的抗拉和抗剪承載力進(jìn)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(yù)埋件的槽身發(fā)生很大變形，這和槽身的鋼材材料強(qiáng)度較低有關(guān)，在整個(gè)受力過程中槽桿和混凝土變形很小；預(yù)埋件的變形和試驗(yàn)一致，鋼材在給定的荷載作用下會(huì)局部進(jìn)入塑性，但不會(huì)發(fā)生破壞；混凝土在拉應(yīng)力作用下會(huì)出現(xiàn)縱向和橫向裂縫，裂縫分布區(qū)域與試驗(yàn)基本一致；通過對(duì)比力-位移曲線發(fā)現(xiàn)有限元分析和試驗(yàn)的結(jié)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(huì)發(fā)生旋轉(zhuǎn)，主要是由荷載相對(duì)于螺栓形成偏心而產(chǎn)生的彎矩引起的，同時(shí)這個(gè)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(huì)局部進(jìn)入塑性，但不會(huì)發(fā)生破壞；混凝土也有局部區(qū)域會(huì)發(fā)生拉壓破壞，但破壞的區(qū)域很小，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的影響可忽略不計(jì)；通過對(duì)比力-位移曲線發(fā)現(xiàn)有限元分析和試驗(yàn)的結(jié)論是一致的｡