SAP2000之玻璃幕墻結(jié)構(gòu)分析

玻璃幕墻結(jié)構(gòu)SAP2000可以對索結(jié)構(gòu)及玻璃幕墻進(jìn)行建模和分析,在建模和分析時(shí)有一些需要注意的地方：1.索的模擬實(shí)際的索和SAP2000中的框架單元，在截面屬性上存在一些不同，索是柔性的，不能抵抗彎矩作用，在分析時(shí)忽略其抗彎剛度。因此在建模過程中，我們可以用修正截面屬性的辦法通過框架單元來模擬索，具體做法是將框架截面屬性中的“圍繞2軸的慣性矩”和“圍繞3軸的慣性矩”設(shè)為一個(gè)較小值，例如0.1。2.預(yù)應(yīng)力的施加在SAP2000中可以通過施加應(yīng)變荷載或溫度荷載模擬索中的預(yù)拉力。索的彈性模量E和應(yīng)變比ε有如下關(guān)系：N=εXEXA溫度和應(yīng)變比也有如下關(guān)系：ε=αX△T所以：ε=N/(EXA)，△T=N/(αXEXA)，ε為材料的線膨脹系數(shù)在支座固定的情況下降溫或施加收縮應(yīng)變，都將在索中產(chǎn)生拉力。3.非線性分析對于拉索這種柔性體系的分析，需要用到SAP2000的非線性分析功能。在分析時(shí)應(yīng)該選擇“幾何非線性參數(shù)”中的“P-?和大變形”選項(xiàng)，同時(shí)應(yīng)將模擬索的框架單元剖分為足夠小的單元，以保證在每個(gè)單元內(nèi)的相對轉(zhuǎn)動較小。4.荷載和作用根據(jù)《點(diǎn)支式幕墻規(guī)程》（CECS127:2001）5.3.1條規(guī)定，結(jié)構(gòu)需要按下式考慮荷載和作用的效應(yīng)組合：對于非線性分析，分析結(jié)束時(shí)的結(jié)構(gòu)狀態(tài)/剛度矩陣一般不等于結(jié)構(gòu)的初始狀態(tài)/剛度矩陣，所以各非線性分析工況的結(jié)果一般不能疊加。對于荷載和作用的效應(yīng)組合，必須正確安排非線性分析工況的先后次序，后一個(gè)非線性分析工況應(yīng)從前一個(gè)非線性分析工況結(jié)束時(shí)的狀態(tài)/剛度矩陣開始。這樣可以保證后一個(gè)非線性分析工況是在前面的非線性分析工況結(jié)果上疊加，因此最后一個(gè)非線性分析工況里就包含了前面分析的所有結(jié)果，從而得到多個(gè)荷載和作用在非線性分析下的效應(yīng)組合。5.主要控制指標(biāo)和因素根據(jù)《點(diǎn)支式幕墻規(guī)程》5.2.7條規(guī)定，索的撓度應(yīng)控制在l/300以內(nèi)（l為支承結(jié)構(gòu)的跨度），同一塊玻璃面板各支點(diǎn)位移差值和玻璃面板撓度應(yīng)控制在b/100以內(nèi)(b為玻璃面板的長邊長度)，索中拉力不大于最小整索破斷拉力的1/2.5。下邊舉兩個(gè)例子來說明。\o"單拉索點(diǎn)支幕墻"單拉索點(diǎn)支幕墻單拉索點(diǎn)支幕墻索采用圓36（1X91/3.2）不銹鋼索，破斷拉力821.53KN，施加預(yù)拉力300KN。玻璃面板尺寸為1.2X1.5m，厚度15mm，幕墻高度4.8m，可變荷載考慮風(fēng)荷載、地震作用、溫度作用，如下圖所示。索用框架單元模擬，索直徑按照截面積（731.87mm2）折算為30.5mm，同時(shí)將框架截面屬性中的“圍繞2軸的慣性矩”和“圍繞3軸的慣性矩”設(shè)為0.1。爪件用框架單元模擬，與索連接端釋放M2、M3，玻璃面板用殼單元模擬。定義一個(gè)TEMP工況，采用降溫法施加預(yù)拉力，不銹鋼的材料參數(shù)?。害?0.000012/攝氏度，E=135000000KN/m2，所以?T=-253.47攝氏度；定義一個(gè)DELTATEMP工況，考慮索中溫度作用，年度溫差取80攝氏度，本例假設(shè)施工時(shí)環(huán)境溫度處于平均值，僅考慮升溫對結(jié)構(gòu)的影響，故取?T=40攝氏度。指定后的溫度荷載如下圖所示。玻璃面板用殼單元模擬，作用在點(diǎn)支式玻璃幕墻風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：地面粗糙度取B，基本風(fēng)壓取w0=0.45kN/m2，離地面高度4.8米處風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz=1.0，陣風(fēng)系數(shù)βgz=1.88,風(fēng)荷載體型系數(shù)正壓μs=0.8，負(fù)壓μs=-1.0，計(jì)算得到wk=0.846kN/m2，小于1.0kN/m2，故按《點(diǎn)支式幕墻規(guī)程》5.3.6取風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為1.0kN/m2。定義自重工況為DEAD，風(fēng)荷載工況為WIND，地震作用工況為QY，非線性分析工況順序如下圖。施加預(yù)拉力的TEMP工況為初始工況，考慮自重的DEAD工況隨后，這同實(shí)際施工中先張拉索再施加結(jié)構(gòu)自重的順序是符合的。WIND、QY、DELTATEMP工況接在DEAD工況之后，表明這些荷載和作用發(fā)生在使用階段。幕墻第一、二振型如下圖，周期分別為0.138s、0.130s。我們選擇任意一條索來查看它的內(nèi)力，55號索的內(nèi)力圖如下圖所示。按照《點(diǎn)支式幕墻規(guī)程》索撓度控制在l/300以內(nèi)的要求，正常情況下，單層索玻璃幕墻為撓度控制，故此各荷載和作用的荷載系數(shù)均取1，組合系數(shù)風(fēng)荷載取1，地震作用取0.6，溫度作用取0.2。按照非線性分析工況的順序，可知DeltaTemp工況對應(yīng)如下荷載和作用的效應(yīng)組合：因此，15.1mm<4800/300=16mm，索的撓度滿足要求。再查看55號索的軸向受力圖，如下圖所示。圓36（1X91/3.2）不銹鋼索破斷拉力=821.53KN，抗拉承載力設(shè)計(jì)值取破斷拉力的1/2.5，即f=328.61KN。索中最大軸力=303KN<328.61KN，抗拉承載力滿足。\o"魚腹式點(diǎn)支幕墻"魚腹式點(diǎn)支幕墻魚腹式點(diǎn)支幕墻魚腹式索采用圓24（1X61/2.6）不銹鋼索，破斷拉力363.55KN，施加預(yù)拉力100KN，矢高1.2m；承受自重的豎直索和水平穩(wěn)定索采用圓18（1X37/2.6）不銹鋼索，破斷拉力220.39KN，施加預(yù)拉力20KN。撐桿圓50X5，玻璃面板尺寸為2.1X2.4m，厚度15mm。幕墻高度16.8m，可變荷載考慮風(fēng)荷載、地震作用、溫度作用。模型如下圖所示。索用框架單元模擬，索直徑按照截面積（323.65mm2）折算為20.3mm，同時(shí)將框架截面屬性中的“圍繞2軸的慣性矩”和“圍繞3軸的慣性矩”設(shè)為0.1，爪件用框架單元模擬，與索連接端釋放M2、M3，玻璃面板用殼單元模擬。魚腹式索的形狀采用拋物線來模擬，建模結(jié)合EXCEL完成，具體做法如下：在“編輯”菜單中選擇“交互式數(shù)據(jù)庫編輯”命令，得到當(dāng)前模型中所有信息的樹形列表。因?yàn)楝F(xiàn)在需要建立曲線框架的模型，所以如下圖選擇數(shù)據(jù)表。如果模型中沒有點(diǎn)和線對象，則不會有這2張表，因此可以先繪制一個(gè)線對象，讓程序自動生成這2張表；或者勾選“ExposeAllInputTables”讓程序生成空表再做編輯。在InteractiveDatabaseEditing窗口中，JointCoordinates表記錄模型中所有節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)信息，Connectivity–Frame表記錄框架單元對應(yīng)節(jié)點(diǎn)的編號。首先需要在JointCoordinates表中增加節(jié)點(diǎn)，在下拉列表中選擇JointCoordinates，用“到Excel”選項(xiàng)，將JointCoordinates表輸出到Excel中。然后在Excel中通過構(gòu)造相應(yīng)的公式，可以算得全部需要的節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，填寫到JointCoordinates表中。如下圖，圖中選擇區(qū)域?yàn)楦鶕?jù)計(jì)算添加的節(jié)點(diǎn)，Joint對應(yīng)節(jié)點(diǎn)標(biāo)簽，XorR、Y、T、Z對應(yīng)笛卡爾坐標(biāo)系和柱坐標(biāo)系下坐標(biāo)值。添加完數(shù)據(jù)后回到SAP2000在InteractiveDatabaseEditing窗口中使用“從Excel”選項(xiàng)將結(jié)果傳回SAP2000。接下來需要在Connectivity–Frame表中增加桿件，操作過程同添加節(jié)點(diǎn)類似。當(dāng)2張表的內(nèi)容都添加好并且傳回SAP2000后，點(diǎn)擊“應(yīng)用到模型”，再點(diǎn)擊“完成”關(guān)閉“InteractiveDatabaseEditing”窗口，這時(shí)可以看到，魚腹索已經(jīng)添加到了模型中。這種方法簡單、準(zhǔn)確、快捷，適用于復(fù)雜形狀的構(gòu)件/結(jié)構(gòu)建模。定義一個(gè)TEMP工況，采用降溫法施加預(yù)拉力，不銹鋼的材料參數(shù)?。害?0.000012/攝氏度，E=135000000KN/m2，所以魚腹式索圓24中?T=-190.7C，豎直索和水平穩(wěn)定索圓18中?T=-62.96攝氏度；定義一個(gè)DELTATEMP工況，考慮索中溫度作用，年度溫差取80攝氏度，故?T=40攝氏度。定義好的溫度荷載如下圖所示。玻璃面板用殼單元模擬，作用在點(diǎn)支式玻璃幕墻風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算：地面粗糙度取B，基本風(fēng)壓取w0=0.45kN/m2，離地面高度16.8米處風(fēng)壓高度變化系數(shù)μz=1.18，陣風(fēng)系數(shù)βgz=1.71，風(fēng)荷載體型系數(shù)正壓μs=0.8，負(fù)壓μs=-1.0（按墻面取）。計(jì)算得到wk=0.908kN/m2，小于1.0kN/m2，故按《點(diǎn)支式幕墻規(guī)程》5.3.6取風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值為1.0kN/m2。定義自重工況為DEAD，風(fēng)荷載工況為WIND，地震作用工況為QY，非線性分析工況順序如下圖。施加預(yù)拉力的TEMP工況為初始工況，考慮自重的DEAD工況隨后，這同實(shí)際施工中先張拉索再施加結(jié)構(gòu)自重的順序是符合的。WIND、QY、DELTATEMP工況接在DEAD工況之后，表明這些荷載和作用發(fā)生在使用階段。運(yùn)行分析，查看結(jié)果。幕墻第一振型為側(cè)向擺動，第二、三振型如下圖，周期分別為0.236s、0.232s。按照《點(diǎn)支式幕墻規(guī)程》索撓度控制在l/300以內(nèi)的要求，正常情況下，單層索玻璃幕墻為撓度控制，故此各荷載和作用的荷載系數(shù)均取1，組合系數(shù)風(fēng)荷載取1，地震作用取0.6，溫度作用取0.2。按照非線性分析工況的順序，可知DeltaTemp工況對應(yīng)如下荷載和作用的效應(yīng)組合：為了快速準(zhǔn)確地找到索上發(fā)生最大水平位移的節(jié)點(diǎn)及其位移值，首先點(diǎn)擊選擇>選擇>屬性>框架截面，選擇截面CABLE24、CABLE18，然后點(diǎn)擊視圖或在屏幕空白處按右鍵，點(diǎn)擊只顯示選擇對象，框選屏幕上所有對象，得到了全部索節(jié)點(diǎn)的選擇集。接下來點(diǎn)擊顯示>顯示表格，彈出ChooseTablesforDisplay窗口，選擇ANALYSISRESULTS>節(jié)點(diǎn)輸出>位移>Table:JointDisplacements，在窗口右上選擇分析工況中選擇DELTATEMP工況，點(diǎn)擊完成得到DELTATEMP工況下選擇節(jié)點(diǎn)的位移表，如下圖所示。點(diǎn)擊格式，彈出修改/顯示數(shù)據(jù)庫表格格式窗口，在中間下部表格排序-按這些域排序處，因?yàn)檫@里需要得到的是U2方向最大位移，所以選擇U2按降序排列，如下圖所示。右邊上部的數(shù)據(jù)庫表格域布置和過濾處，可以通過在Operator域選擇合適的操作符、在FilterValue域填寫對應(yīng)的操作值來完成簡單的數(shù)據(jù)過濾操作，域之間的邏輯操作是AND關(guān)系。點(diǎn)擊OK后可以發(fā)現(xiàn)最大U2方向位移發(fā)生在節(jié)點(diǎn)155和節(jié)點(diǎn)89，如下圖所示，42.3mm<16800/300=56mm，豎向受力索撓度滿足要求。選擇所有圓24索，點(diǎn)擊顯示>顯示表格，在ChooseTables