某弧形观光电梯点支玻璃悬臂钢管应力分析

2010-08-20邹万年

山西建筑 2010年4期

邹万年

0 引言

点式玻璃幕墙具有独立的支承体系,其玻璃面板间只有防水耐候胶,没有铝合金等框架,因此结构简洁明快,具有良好的建筑效果,达到了建筑物内外交融的美感,使建筑物内外空间融为一体,扩大了建筑物内部的空间感,也从外立面效果显示了建筑的结构美[1]。点式玻璃幕墙应用出台了相关规范,目前在观光电梯中的应用已经很多,由于点式玻璃幕墙良好的通透效果,能够使得乘客在乘电梯的同时欣赏着窗外的景色,当采用弧形玻璃时,幕墙显得更具流线形,富有现代感。

为满足结构形式简单要求,内部支撑骨架采用悬臂管结构是一个比较理想的选择。由于钢管弧形悬臂,同时承受着水平方向的风载作用和竖直方向的玻璃重量,受力较为复杂,而且与驳接爪连接件焊接部位还存在较大的应力集中现象,在做杆系结构计算时没办法考虑,本文以某弧形观光电梯点支玻璃幕墙的支撑钢管为研究对象,利用有限元分析钢管的应力情况,为相关工程提供参考。

1 工程概况

工程位于西安市某中心区,观光电梯洞口高 22.05 m,宽3 m,为满足观光电梯通透明快的建筑效果,设计方案采用了点支式弧形玻璃幕墙,由三片12 mm厚弧形钢化玻璃组成,玻璃由洞口两边伸出悬臂圆钢管承受,钢管规格φ 133 mm×5.0 mm,玻璃与钢管通过250系列驳接件连接,外爪离钢管最端部距离为2倍的驳接件座头直径,内爪离钢管根部为2倍的驳接件座头直径,观光电梯具体尺寸及构造如图1所示。

2 有限元计算模型

工程中钢管壁厚远小于构件尺寸,比较适合采用板壳单元模拟,本文采用四节点壳单元进行分析,采用理想弹塑性模型和Von Mises屈服准则来模拟钢管材料。驳接爪考虑传力的座头[2],钢管材料为Q235钢材,初始弹性模量E=2.06×105MPa,fy=235 MPa,屈服后弹性模量Et=2.06×104MPa,泊松比υ=0.3,钢材密度ρ=7 850 kg/m3。有限元计算加载根据西安地区风压按规范要求取50年一遇最不利荷载考虑,边界条件为悬臂钢管根部端约束所有位移,另一端为自由端,有限元计算模型如图2所示。

3 计算结果及分析

图3为有限元计算的钢管应力及驳接爪连接部位应力局部放大图,从图3a)可以看出,钢管都处于弹性工作范围,驳接爪与钢管焊接部位出现明显应力集中现象,钢管根部最大von-mises等效应力为20.8 MPa;从图3b)可以看出,外驳接爪与钢管焊接部位出现钢管的最大von-mises等效应力101 MPa,同时可以看出,钢管局部应力基本处于焊缝附近,设计时外爪离钢管最端部距离为2倍的驳接件座头直径,从应力分布角度来看,2倍的驳接件座头直径距离并不合适,可以适当减小距离。