幕墙预埋件承载力非线性有限元分析

　　玻璃幕墙脱落造成的安全事故近年来频频发生，幕墙预埋件作为承受幕墙荷载的主要受力构件，其承载力水平显得尤为重要｡利用大型通用有限元程序LS-DYNA对幕墙预埋件进行了数值模拟分析，并通过试验进行了验证，预埋件详细尺寸如图1所示｡

　　试验混凝土试块尺寸为800×300×300，混凝土采用C45｡预埋件槽身和槽脚的钢材型号不同，槽身采用Q235､槽脚采用Q345级钢材｡预埋件置于混凝土块中央，平混凝土面，混凝土养护28d后，对预埋件进行了抗拉和抗剪承载力试验｡

　　利用Hypermesh软件进行建模，单元类型为六面体实体单元，为了控制沙漏能的影响，对局部单元图2预埋件抗拉承载力模型采用全积分｡模型材料为混凝土和钢材，模型大体由三部分组成：由钢材组成的预埋件､传力装置及混凝土组成的外部结构｡试验中，传力装置的刚度比较大，变形很小，因此数值分析中把传力装置模拟成刚体，这样也可以减少计算时间｡模型如图2所示｡图3为预埋件的有限元模型及网格划分｡

　　混凝土裂缝的模拟需要划分较细的网格，为了节省计算时间，对局部区域采用质量放大技术，根据线弹性分析结果考察应力状态和混凝土可能的破坏形式，最终对钢材选用第3号材料模型*MAT_PLASTIC_KINEMATI

C，对混凝土材料选用第84号材料模型*MAT_WINFRIT

H_CONCRETE和*MAT_ADD_EROSION进行模拟｡

　　试验中，模型是平放在地面上，采用自平衡的方式均匀加载，有限元分析采用把地面做成刚性板的方法，这样边界条件就和试验完全一致｡

　　在LS-DYNA程序中，可以在分析中通过质量缩放来调整最小时间步长，即如果程序计算出的时间步长太小，则可通过调整单元密度（质量缩放）以达到一个合理的时间步长｡本文所做的分析中通过对密度适当放大以增大最小时间步长，从而提高计算效率，质量缩放对惯性力的影响不大，基本不影响计算精度｡

　　文中的加载数据来源于试验，与试验加载过程严格一致｡采用缓慢､准静力加载方法以控制动能，减小惯性力影响，加载时间为5s｡

　　单点积分的实体单元容易形成零能模式，主要表现为产生一种自然振荡并且比所有结构响应的周期要短得多，网格变形呈锯齿形，被称为沙漏变形｡

　　沙漏变形有变形但不消耗能量，是一种在理论上存在而实际中不存在的变形模式，若不加以控制，将出现严重的沙漏变形，此时沙漏能量异常，将会严重影响计算结果的精度，但是沙漏能的控制问题一直是数值模拟的难题｡有限单元单点积分可以大幅降低计算成本，但是由此产生的沙漏问题如果不能得到有效控制，将使得计算结果完全不可信｡在D3PLOT中可以查看沙漏能(HourglassEnery)与总能量(TotalEnergy)随时间变化的输出值，一般情况下，如果沙漏能超过总能量的10%，那么就需要调整沙漏控制，以保证计算结果的精度｡文中采取了以下几种方法有效地控制了整体模型的沙漏能：1)添加沙漏控制选项*CONTROL_HOURGLASS；2)定义体积粘性*CONTROL_BULK_VISCOSITY；3)对局部单元采用全积分；4)对局部单元进行网格细化｡结果表明，沙漏能占的比例极小，满足工程中的要求，可以保证计算精度｡

　　文中分析没有考虑混凝土与钢材之间的粘结应力，不同部件之间接触类型选用*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE｡

　　计算时间和网格数量等有密切关系，为了节省计算时间，对重点考察区域网格划分较密，边缘的区域网格划分相对较粗，有限元模型网格划分如图2（a）所示｡图4为预埋件在拉力作用下的变形情况，可以看出有限元结果与试验的变形情况是相符的｡图5为混凝土裂缝分布情况，在用自平衡的方法加载时，混凝土在荷载作用下类似于“掰”的作用，当达到抗拉极限承载力时会产生竖向裂缝，同时由于受到竖向荷载作用会产生横向裂缝，从图5可以看到，有限元计算结果与试验裂缝的分布基本上是一致的，但试验中由于很多随机因素的影响难免会产生一些误差，造成模型的不对称进而导致裂缝分布也不对称，而数值模拟就会好得多｡图6为钢材的Mises应力分布情况，可以看到钢材局部进入塑性｡图7为钢材在拉力作用下的应变情况，可以看到最大应变为0.033，远小于钢材的破坏应变｡

　　图8为有限元分析和试验测得的力-位移曲线对比，虚线为数值模拟曲线，实线为几组试验结果，可见有限元结果与试验结果非常接近｡

　　模型大体由四部分组成：由钢材组成的预埋件､传力装置､固定装置以及混凝土组成的外部结构｡试验中传力装置和固定装置刚度比较大，变形很小，因此把传力装置和固定装置模拟成刚体，这样也可以减少计算时间｡模型如图9所示｡

　　试验中模型放在一固定装置上，固定装置由钢板和底部支承的钢块组成，钢板用来夹住混凝土试块以固定｡为保持和试验的一致性，把固定装置底部固接｡

　　同抗拉承载力分析一样，抗剪承载力分析也是准静态分析｡试验中荷载通过传力板传递到螺栓再传到预埋件，为保持和试验的一致性，有限元分析中荷载加在传力板中间的节点组上｡通过对密度适当放大以增大最小时间步长，从而提高计算效率，质量缩放对惯性力的影响不大，动能很小，这说明5s的加载时间是合理的｡

　　没有考虑混凝土与钢材之间的粘结应力，不同部件之间定义为面面接触，接触类型选用*CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE｡

　　在有限元分析中，计算所需时间和网格数量､网格尺寸等有密切关系，为了节省计算时间，对重点考察区域网格划分较密，边缘的区域网格划分相对较粗，模型网格划分如图9(a)所示｡图10为整体结构的变形情况，可以看出在水平剪力作用下，传力板并不是沿荷载方向平动，而是出现了一个转角，这是其在水平荷载作用下相对于螺栓产生了一个弯矩导致｡图11为钢材的Mises应力分布情况，可以看到钢材局部进入塑性｡图12为钢材在剪切力作用下的应变分布情况，可以看到远没有达到钢材的破坏应变｡图13为混凝土达到极限压应变的区域示意图，可以看到直接受压的混凝土局部发生了破坏｡图14为混凝土达到极限拉应变的区域示意图，可以看到只有极少的混凝土单元受拉破坏｡图15为有限元分析和试验测得的力-位移曲线对比，虚线为数值模拟曲线，实线为几组试验结果，可以看到有限元结果与试验结果很接近｡

　　根据试验提供的条件建立有限元模型，利用LS-DYNA对预埋件的抗拉和抗剪承载力进行了分析｡在抗拉承载力的分析中发现，在受力过程中主要是预埋件的槽身发生很大变形，这和槽身的钢材材料强度较低有关，在整个受力过程中槽杆和混凝土变形很小；预埋件的变形和试验一致，钢材在给定的荷载作用下会局部进入塑性，但不会发生破坏；混凝土在拉应力作用下会出现纵向和横向裂缝，裂缝分布区域与试验基本一致；通过对比力-位移曲线发现有限元分析和试验的结论是一致的｡

　　在抗剪承载力的分析中发现，传力板在水平荷载作用下会发生旋转，主要是由荷载相对于螺栓形成偏心而产生的弯矩引起的，同时这个弯矩也使螺栓发生弯曲变形；钢材在给定的水平荷载作用下会局部进入塑性，但不会发生破坏；混凝土也有局部区域会发生拉压破坏，但破坏的区域很小，对整体结构的影响可忽略不计；通过对比力-位移曲线发现有限元分析和试验的结论是一致的｡