CN107506537B - 外装饰立柱套管连接节点半刚性性能的力学分析方法 - Google Patents

外装饰立柱套管连接节点半刚性性能的力学分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种外装饰立柱套管连接节点半刚性性能的力学分析方法，包括如下步骤：建立多跨梁的有限元模型，对多跨梁刚接、半刚接和铰接的有限元理论分析，对立柱套管的连接节点进行耦合分析，按照弯矩‑转角的对应关系来计算连续梁的变形和弯矩，最后对比计算结果，得出结论，并根据对比分析结果进行优化。通过上述方式，本发明外装饰立柱套管连接节点半刚性性能的力学分析方法能够根据半刚性更好地利用立柱的强度和刚度潜能，将极大的减小立柱用材的大小，节点套管连接设计的进一步细化将节省大量材料，带来可观的经济效益和社会效益，达到更准确更经济的设计效果。

Description

外装饰立柱套管连接节点半刚性性能的力学分析方法
技术领域
本发明涉及建筑幕墙技术领域，特别是涉及一种外装饰立柱套管连接节点半刚性性能的力学分析方法。
背景技术
建筑幕墙规范要求立柱设计的套芯连接按铰接计算，但实际情况套芯连接具有较强的半刚性连接特征。
我们对于节点模型的定义有两种：铰接和刚接，其中不能承受和传递弯矩作用的为铰接，能够承受和传递弯矩作用的是刚接。实际上这是为了便于理论分析，是对节点的理想化，工程实际上不存在理想的铰接和刚接节点。
如图1所示，现在外装饰立柱常采用套管连接， 现在业界普遍采用铰接来简化计算，实际上套管能承受和传递弯矩作用，这是典型的半刚性节点。现有的规范立柱套芯连接没有考虑其半刚性特征，计算时没有充分利用立柱材料的强度和刚度，使设计计算时往往偏保守，较大地浪费材料。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是提供一种外装饰立柱套管连接节点半刚性性能的力学分析方法，能够根据半刚性更好地利用立柱的强度和刚度潜能，将极大的减小立柱用材的大小，节点套管连接设计的进一步细化将节省大量材料，带来可观的经济效益和社会效益，达到更准确更经济的设计效果。
为解决上述技术问题，本发明采用的一个技术方案是：提供一种外装饰立柱套管连接节点半刚性性能的力学分析方法，包括如下步骤：
a、建立多跨梁的有限元模型：
将至少四个立柱套管进行组装，每一层的立柱套管与建筑幕墙的主体结构进行连接，其中立柱套管包括作为支撑梁的铝方管以及插接在铝方管内部的铝套管；
b、对多跨梁刚接、半刚接和铰接的有限元理论分析：
多跨梁的有限元模型中，铝方管作为支撑梁承受横向均布荷载，模型中上下两端为铰接，中间三个立柱套管的连接节点考虑刚接、铰接和半刚接三种情况，
其中半刚性节点刚度即节点的转动刚度采用节点的弯矩－转角(M-φ)关系曲线，通常它们是非线性关系，单位是N·mm/r，并采用有限元分析软件对节点刚度进行有限元分析；
c、对立柱套管的连接节点进行耦合分析：
建立立柱套管连接的模型，立柱套管连接的模型中包括作为支撑梁的铝方管以及插接在铝方管内部的铝套管：
对铝方管施加水平载荷，并对立柱套管的连接节点进行单元划分，对划分的立柱套管连接模型施加约束，然后进行变形分析；
d、按照弯矩-转角的对应关系来计算连续梁的变形和弯矩：
立柱最大变形要求为跨度的1/180，均布荷载作用下简支梁的最大变形
fmax=5qL4/384EI=L/180-----(L—跨度)
则节点最大转角θ=qL3/24EI=384/(180×5×24)=0.01778 r=17.78×10-3 r
然后将上述节点转角-弯矩关系(包括考虑间隙的倾斜角)比较，知节点的半刚度将被充分利用，形成多跨半刚接连续梁；
e、对比计算结果，得出结论，并根据对比分析结果进行优化。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（b）中作为支撑梁的铝方管的尺寸为140x60x4，铝方管承受横向均布载荷2.0KN/m的作用。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（b）中有限元分析软件为SAP2000。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（c）中采用solid45划分立柱套管连接的模型。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（c）中铝方管与铝套管的连接节点处有间隙倾斜角。
在本发明一个较佳实施例中，步骤（d）中的具体计算步骤为：
第一步 转角达到间隙倾斜角时按简支梁计算：
θ=qL3/24EI=2.4958×10-3 r
此时的均布载荷q=2.4958×10-3×24EI/L3
=2.4958×10-3×24×70000×3753472/38003
=0.2868N/mm
最大变形 f 1max=5qL4/384EI
=5×0.2868×38004/384/70000/3753472
=2.964mm
最大弯矩 M=qL2/8=0.2868×38002/8=517674N· mm；
第二步 按照半刚接sap2000计算：
此时的均布载荷为2.0-0.2868=1.7132 N/mm
节点刚度 2.5KN.m/2.652×10-3 r=9.427×108N·mm/r
Sap2000计算结果如下：
中间两跨对应的最大变形(mm)：3.6727
中间两跨对应的跨中最大弯矩N·mm)：1023605.35
中间点对应的杆件最大弯矩(N·mm)：1731096.81；
第三步 结果复合：
最大变形fmax=2.964+3.6727=6.6367mm
中间两跨对应的跨中最大弯矩:1023605.35+517674=1541279 N·mm
中间跨最大弯矩:1731096.81 N·mm。
本发明的有益效果是：本发明外装饰立柱套管连接节点半刚性性能的力学分析方法根据半刚性更好地利用立柱的强度和刚度潜能，将极大的减小立柱用材的大小，节点套管连接设计的进一步细化将节省大量材料，带来可观的经济效益和社会效益，达到更准确更经济的设计效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1是本发明的外装饰立柱常用套管连接节点一较佳实施例的结构示意图；
图2是图1的A-A向视图；
图3是本发明的多跨梁模型图；
图4是本发明多跨梁模型的节点变形图；
图5是本发明多跨梁模型的杆件弯矩图；
图6是本发明的多跨梁模型中节点刚度与变形对应关系图；
图7是本发明的立柱套管连接的模型图；
图8是本发明的套管连接节点单元划分图；
图9是本发明的弯矩-转角关系曲线图；
图10是本发明中对梁施加水平载荷为222.2N时对应的变形图；
图11是本发明中对梁施加水平载荷为666.6N时对应的变形图；
图12是本发明中对梁施加水平载荷为1111.1N时对应的变形图；
图13是本发明中对梁施加水平载荷为1777.8N时对应的变形图；
图14是本发明中对梁施加水平载荷为2222.2N时对应的变形图；
图15是本发明中对梁施加水平载荷为3333.3N时对应的变形图；
图16是本发明中对梁施加水平载荷为4444.4N时对应的变形图；
图17是本发明中对梁施加水平载荷为5555.6N时对应的变形图。
附图中各部件的标记如下：100、立柱套管，101、铝方管，102、铝套管。
具体实施方式
下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1至图17，本发明实施例包括：
一般对于节点模型的定义有两种：铰接和刚接，其中不能承受和传递弯矩作用的为铰接，能够承受和传递弯矩作用的是刚接。
实际上这是为了便于理论分析，是对节点的理想化，工程实际上不存在理想的铰接和刚接节点。如附图1和图2，外装饰立柱常采用套管连接，现在业界普遍采用铰接简化计算，实际上套管能承受和传递弯矩作用，这是典型的半刚性节点。
一种外装饰立柱套管连接节点半刚性性能的力学分析方法，包括如下步骤：
一、建立多跨梁的有限元模型，如图3；
将至少四个立柱套管100进行组装，每一层的立柱套管100与建筑幕墙的主体结构进行连接，其中立柱套管100包括作为支撑梁的铝方管101以及插接在铝方管101内部的铝套管102。
二、对多跨梁刚接、半刚接和铰接的有限元理论分析：
多跨梁的有限元模型中，梁为140x60x4的铝方管101，承受横向均布载荷2.0KN/m的作用；
上下两端为铰接，中间三个立柱套管100的连接节点考虑刚接、铰接和半刚接三种情况，其中半刚性节点刚度即节点的转动刚度采用节点的弯矩－转角(M-φ)关系曲线，通常它们是非线性关系，单位是N·mm/r。
刚接、铰接和半刚性这三种连接形式的主要区别在于节点的M－φ关系曲线，理论上刚接节点能传递弯矩，但是无相对转动能力；铰接节点不传递弯矩，但是具有很大的转动能力；而半刚性节点介于两者之间，既能传递弯矩，又具有一定的转动能力。
然后采用有限元分析软件SAP2000对节点刚度进行有限元分析，节点刚度及计算结果见附图4、5及表1：
表1
Figure 563687DEST_PATH_IMAGE001
计算结果表明：
当考虑节点刚度为1×1010（N·mm/r）时，与刚接结果基本相同；
当考虑节点刚度为刚接的1/100（与1×1010比较）时，变形相比铰接已大为减小；
当考虑节点刚度为刚接的1/20（与1×1010比较）时，变形相比铰接已是1/3强，同时杆件内里分布趋向均匀，材料受理更加合理。
上述两点将极大的减小立柱用材的大小，节点套管连接设计的进一步细化将节省大量材料，带来可观的经济效益和社会效益。
三、对立柱套管的连接节点进行耦合分析：
建立立柱套管连接的模型，如图7：立柱套管连接的模型中包括作为支撑梁的铝方管101以及插接在铝方管101内部的铝套管102：对铝方管101施加水平载荷， 施加载荷如表2：
表2
Figure DEST_PATH_IMAGE002
采用单元solid45对立柱套管的连接节点进行单元划分，套管连接节点的单元划分图为图8，对划分的立柱套管连接模型施加约束，然后进行变形分析：
施加荷载计算结果表如下表3：
表3
Figure 11985DEST_PATH_IMAGE003
总结弯矩-转角对应关系表如下表4：
表4
弯矩(KN·mm) 0 100 300 500 800 1000 1500 2000 2500
转角(×10<sup>-3</sup>r) 2.4958 2.5958 2.7878 3.0248 3.3328 3.5528 4.0818 4.6108 5.1478
最后得出弯矩-转角的关系曲线图，如附图9。
四、按照弯矩-转角的对应关系计算连续梁的变形和弯矩：
根据《玻璃幕墙工程技术规范》(JGJ 102-2003)知外装饰铝立柱最大变形要求为跨度的1/180，均布荷载作用下简支梁的最大变形
fmax=5qL4/384EI=L/180-----(L—跨度)
则节点最大转角θ=qL3/24EI=384/(180×5×24)=0.01778 r=17.78×10-3 r
然后将上述节点转角-弯矩关系(包括考虑间隙的倾斜角)比较，知节点的半刚度将被充分利用，形成多跨半刚接连续梁。
具体计算步骤为：
第一步 转角达到间隙倾斜角时按简支梁计算：
θ=qL3/24EI=2.4958×10-3 r
此时的均布载荷q=2.4958×10-3×24EI/L3
=2.4958×10-3×24×70000×3753472/38003
=0.2868N/mm
最大变形 f 1max=5qL4/384EI
=5×0.2868×38004/384/70000/3753472
=2.964mm
最大弯矩 M=qL2/8=0.2868×38002/8=517674N· mm；
第二步 按照半刚接sap2000计算：
此时的均布载荷为2.0-0.2868=1.7132 N/mm
节点刚度 2.5KN.m/2.652×10-3 r=9.427×108N·mm/r
Sap2000计算结果如下：
中间两跨对应的最大变形(mm)：3.6727
中间两跨对应的跨中最大弯矩N·mm)：1023605.35
中间点对应的杆件最大弯矩(N·mm)：1731096.81；
第三步 结果复合：
最大变形fmax=2.964+3.6727=6.6367mm
中间两跨对应的跨中最大弯矩:1023605.35+517674=1541279 N·mm
中间跨最大弯矩:1731096.81 N·mm。
五、对比计算结果，得出下列结论，并根据对比分析结果进行优化：
a、变形较铰接小许多；b、材料最大弯矩也减小很多，表明型材受力更加均匀；c、由于节点刚度分析时考虑因素有限，存在刚度效果偏理想的假设，因此需要试验验证。
本发明外装饰立柱套管连接节点半刚性性能的力学分析方法的有益效果是：
通过更好地局部设计，根据半刚性更好地利用立柱的强度和刚度潜能，将极大的减小立柱用材的大小，节点套管连接设计的进一步细化将节省大量材料，带来可观的经济效益和社会效益，达到更准确更经济的设计效果。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (4)

1.一种外装饰立柱套管连接节点半刚性性能的力学分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
a、建立多跨梁的有限元模型：
将至少四个立柱套管进行组装，每一层的立柱套管与建筑幕墙的主体结构进行连接，其中立柱套管包括作为支撑梁的铝方管以及插接在铝方管内部的铝套管；
b、对多跨梁刚接、半刚接和铰接的有限元理论分析：
多跨梁的有限元模型中，铝方管作为支撑梁承受横向均布荷载，模型中上下两端为铰接，中间三个立柱套管的连接节点考虑刚接、铰接和半刚接三种情况，
其中半刚性节点刚度即节点的转动刚度采用节点的弯矩－转角(M-φ)关系曲线，单位是N·mm/r，并采用有限元分析软件对节点刚度进行有限元分析；
c、对立柱套管的连接节点进行耦合分析：
建立立柱套管连接的模型，立柱套管连接的模型中包括作为支撑梁的铝方管以及插接在铝方管内部的铝套管：
对铝方管施加水平载荷，并对立柱套管的连接节点进行单元划分，对划分的立柱套管连接模型施加约束，然后进行变形分析；
d、按照弯矩-转角的对应关系来计算连续梁的变形和弯矩：
立柱最大变形要求为跨度的1/180，均布荷载作用下简支梁的最大变形
fmax=5qL4/384EI=L/180，其中L表示跨度，
则节点最大转角θ=qL3/24EI=384/(180×5×24)=0.01778 r=17.78×10-3 r
然后将上述节点弯矩－转角(M-φ)关系比较，节点的半刚度将被充分利用，形成多跨半刚接连续梁，具体计算步骤为：
第一步 转角达到间隙倾斜角时按简支梁计算：
θ=qL3/24EI=2.4958×10-3 r
此时的均布载荷q=2.4958×10-3×24EI/L3
=2.4958×10-3×24×70000×3753472/38003
=0.2868N/mm
按简支梁计算得到的最大变形 f max=5qL4/384EI
=5×0.2868×38004/384/70000/3753472
=2.964mm
最大弯矩 M=qL2/8=0.2868×38002/8=517674N· mm；
第二步 按照半刚接sap2000计算：
此时的均布载荷为2.0-0.2868=1.7132 N/mm
节点刚度 2.5KN.m/2.652×10-3 r=9.427×108N·mm/r
Sap2000计算结果如下：
中间两跨对应的最大变形：3.6727 mm
中间两跨对应的跨中最大弯矩：1023605.35N·mm
中间点对应的杆件最大弯矩：1731096.81 N·mm；
第三步 结果复合：
最大变形fmax=2.964+3.6727=6.6367mm
中间两跨对应的跨中最大弯矩:1023605.35+517674=1541279 N·mm
中间跨最大弯矩:1731096.81 N·mm；
e、对比计算结果，得出结论，并根据对比分析结果进行优化。
2.根据权利要求1所述的外装饰立柱套管连接节点半刚性性能的力学分析方法，其特征在于，步骤b中作为支撑梁的铝方管的尺寸为140x60x4，铝方管承受横向均布载荷2.0KN/m的作用。
3.根据权利要求1所述的外装饰立柱套管连接节点半刚性性能的力学分析方法，其特征在于，步骤c中采用solid45划分立柱套管连接的模型。
4.根据权利要求1所述的外装饰立柱套管连接节点半刚性性能的力学分析方法，其特征在于，步骤c中铝方管与铝套管的连接节点处有间隙倾斜角。
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《幕墙立柱连接处的接触力学分析》;李绍朗 等;《贵州大学学报( 自然科学版)》;20160229;第33卷(第1期);第117-121页 *

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