上海金桥现代产业服务园（Ⅱ期）地铁板块项目后补埋件锚板计算模拟分析

1 引言

《混凝土结构后锚固技术规程》中对锚栓的受力计算有着详尽的规定，但是对于后补埋件的锚板厚度问题规定甚少，其中对锚栓计算的假定条件就是要保证锚板平面外的刚度足够大，使其与混凝土结合面受力变形之后仍保持平面，即其弯曲变形可以忽略不计。基于以上要求，规范中对于锚板厚度做出了相应要求，锚板厚度应按照现行国家标准GB 50017《钢结构设计标准》进行设计，且不应小于锚栓直径的0.6倍；受拉和受弯锚板的厚度尚宜大于锚栓间距的1/8[1]。根据以上要求，对于普通的玻璃幕墙铝板幕墙等常规重量幕墙系统，锚板受力一般是可以满足其强度及刚度要求的，但是对于一些大跨度和类似石材幕墙等自重面荷载较大的幕墙系统，尤其当幕墙结构支撑外挑较大的情况下，仅仅满足规范的构造要求，是存在一定安全隐患的，需要结构工程师的计算校核。

2 工程概况

图1 幕墙后补埋件

上海金桥现代产业服务园（Ⅱ期）地铁板块项目（简称金桥现代产业园）位于浦东金海路南侧，幕墙面积约为4.3万平方米，主要包括玻璃幕墙、石材幕墙和铝板幕墙等系统，建筑幕墙体量较大，埋件个数约为1.1万个，前期混凝土施工时已配合放置预埋件。但因施工过程中的结构偏差、工人操作不当、幕墙方案调整等原因，造成了很多位置预埋件无法正常使用，只能后期埋设后补埋件。因埋件类型较多，本文无法一一列出，此处我们仅对本工程中用量较多的玻璃幕墙系统和石材幕墙系统的标准位置的埋件进行分析，玻璃幕墙埋件和石材幕墙埋件形式如图1所示。

3 计算模拟分析

3.1 计算条件

金桥现代产业园项目计算条件：基本风压0.55kPa，地面粗糙度B类，抗震设防烈度7度，地震加速度0.1g，建筑标高73m。玻璃幕墙和石材幕墙标准位置与结构连接节点如图2和图3所示，自重荷载偏心分别为83mm和200mm。玻璃幕墙立柱分格宽度1.5m，立柱跨度4.5m。石材幕墙立柱分格宽度1.2m，立柱跨度5.6m。

图2 标准玻璃幕墙与结构连接节点

图3 标准石材幕墙与结构连接节点

幕墙荷载传力路径：面板→横梁→立柱→钢转接件→埋件→主体结构。

3.2 埋件受力计算

本工程荷载考虑水平风荷载，地震作用及自重荷载共同作用[2]。通过计算，玻璃幕墙自重面荷载设计值为0.84kN/m2,水平荷载组合设计值3.29kN/m2。石材幕墙自重面荷载设计值为1.4kN/m2，水平荷载组合设计值3.29kN/m2。立柱计算模型为简支梁，则幕墙上墙连接点位置支反力值计算如表1所示。

表1

3.3 计算边界条件

锚板模拟计算时，连同与锚板焊接的角钢转接件一同建模分析，方便对锚板荷载进行施加，荷载施加于外挑角钢端部。混凝土结构和锚板分别采用实体建模模拟，锚板与锚栓连接开孔位置（6个锚孔）分别施加三向约束，混凝土结构施加三向约束。为了考虑混凝土结构与锚板之间能够相互传递法向压力和切向摩擦力，同时不传递法向拉力，锚板与混凝土接触面定义一组接触单元，进行接触分析。可把它们看作一组刚体—柔体的接触，这是为了反映锚板的受力情况，故目标面（混凝土结构面）为刚性面，接触面（锚板面）为柔体面。

3.4 模型建立

锚板是采用ANSYS有限元软件进行建模模拟计算的，ANSYS软件是一款大型通用有限元分析软件，被广泛地应用于工程技术领域。通常情况下，很多设计人员对于此类锚板受力分析时，仅对锚板进行建模分析，不考虑混凝土对其产生的法向压力支撑和切向摩擦作用，同时也未考虑埋件上焊接转接件对锚板应力分布的影响，荷载施加时直接将锚板受力值施加于锚板节点上，计算出来的结果偏于保守，与实际受力情况偏差较大，而且极其容易产生应力集中的结果，普通幕墙类型的锚板需要做到非常厚才可以满足其受力要求，极大地浪费了材料，此种计算方法是不合理的，本人也是不建议采用的。本工程为了更好更准确地模拟锚板的受力情况，分别对混凝土结构和锚板结构进行实体建模，混凝土结构梁及锚板单元类型均采用SOLID45单元，接触单元类型目标面采用TARGE170来模拟，接触单元类型接触面采用CONTA173来模拟[3]。因本工程中锚板模拟计算模型比较简单，很显然只有结构梁外侧表面和锚板内侧表面这两个面存在接触关系，我们定义这两个面为一组接触对。网格划分时，对于包含接触面实体（即锚板）要进行细致的网格划分，对于包含目标面的实体（即混凝土结构）进行较粗的网格划分。并通过参数设置，接触单元被限制不得穿透目标面，但是目标面是可以穿透接触面，因为目标面被定义刚体表面。模型建好后，分别对混凝土结构施加UX、UY、UZ三个方向约束，对锚板开孔同样施加UX、UY、UZ三个方向约束。模型图详见图4、图5。

3.5 锚板内力分析结果

图6和图7为玻璃幕墙位置后补埋件锚板应力云图，图8为玻璃幕墙位置后补埋件锚板变形云图。

图4 玻璃幕墙后补埋件模型图

图5 石材幕墙后补埋件模型图

图6 玻璃幕墙锚板应力云图一（单位 N/m2）

图7 玻璃幕墙锚板应力云图二 （单位 N/m2）

图8 玻璃幕墙锚板变形云图（单位m）

图9和图10为石材幕墙位置后补埋件锚板应力云图，图11为石材幕墙位置后补埋件锚板变形云图。

图9 石材幕墙锚板应力云图一（单位N/m2）

图10 石材幕墙锚板应力云图二 （单位N/m2）

图11 石材幕墙锚板变形云图 （单位m）

根据ANSYS有限元软件导出的计算结果可知，玻璃幕墙位置后补埋件锚板最大应力值为74.3MPa＜215MPa，其强度利用率为35%。石材幕墙位置后补埋件锚板最大应力值为171MPa＜215MPa，其强度利用率为80%，两块锚板强度均满足规范要求。石材幕墙位置锚板应力利用率偏大，主要是因为石材幕墙本身自重荷载偏大，并且钢转接件外挑尺寸较大，自重荷载引起的偏心弯矩导致。根据图10石材幕墙锚板应力云图二可以看出，锚板最大应力位置出现在中间锚栓固定位置，和实际情况相符合，工程实际中也是此点比较容易出现破坏的情况。根据图8和图10可以看出，玻璃幕墙位置锚板和石材幕墙位置锚板变形最大值分别为0.0105mm和0.0254mm。锚板两颗锚栓之间距离为110mm，可以计算出锚板变形值/锚板跨度=0.0254/110=1/4490，可以得出，此锚板满足锚栓内力计算的基本假定，即被连接件与基材结合面受力变形后仍保持为平面，锚板平面外弯曲变形可忽略不计。

4 结语

本文通过采用ANSYS有限元软件对上海金桥现代产业服务园（Ⅱ期）地铁板块项目中的后补埋件的锚板进行受力模拟分析，并对后补埋件的内力分布特点和锚栓计算的假定条件进行了初步探讨，主要结论有：①首先根据规范中相关条文规定，对金桥现代产业园后补埋件的锚板尺寸及厚度进行了初步定义，满足规范构造要求的前提下，对于一般幕墙体系，锚板受力是满足其工程使用要求的。②根据计算分析结果，验证了锚板及锚栓受力的最不利位置，可以指导我们明确实际施工过程中的薄弱环节，更方便地控制此处的施工质量。③通过文中对石材幕墙后补埋件分析结果可知（应力利用率80%），当埋件承受较大荷载时，在满足规范对锚板厚度构造要求的同时，还应对其进行实体建模分析，根据计算结果确定实际工程中的锚板厚度。