幕墙工程中常见加工类型的T型钢梁承载性能模拟分析

逄增伟，王万钊，裴兴华，张舒雅，刘旭康，申晓兵

摘 要：利用Ansys Workbench软件对幕墙工程中常见的4种不同加工类型的T型钢梁进行了承载性能的有限元模拟计算，得到了4种不同加工类型T型钢梁的强度变化及挠度变化情况，并通过进一步分析常见“栓接”T型钢梁的螺钉受力及分布情况，提出了一种改进型“栓接”T型钢梁做法。

关键词：幕墙；Ansys Workbench；T型钢；有限元分析

中图分类号：TU398.9                             文献标识码：A                                 文章编号：2096-6903（2024）02-0125-04

0引言

随着对建筑幕墙效果的要求越来越高，简洁、轻盈且通透成为玻璃幕墙的主流设计理念。近年来，一种“窄翼缘高腹板”的非常规热轧T型钢梁在玻璃幕墙中的应用也越来越多。该钢材一般没有成品型钢供应，为了满足项目生产建设需要通常采用钢材加工件代替，主要加工方式为定制热轧、全段焊接、间断焊接以及栓接，其主要优缺点见表1、表2。

合理选择T型钢的加工方式逐渐成为行业内的一大难题。Ansys Workbench作为一款通用有限元软件，具备强大的模拟分析能力。为此本文借助精细有限元计算模型，分析上述T型钢梁的性能关系，期望能够为这一难题提供些许资料和便利。

1钢梁有限元模拟

1.1 模拟假定初设

假定计算模型为简支梁，T型钢加工形式如图1所示。其型号规格为TN115 mm×75 mm×15 mm×15 mm，跨度为4 200 mm。钢梁材料牌号为Q235，其材料强度设计值为215 MPa。对T型钢翼缘区域施加均布荷载q（kN/m）使钢梁处于纯弯曲状态[1]。由于焊缝和螺栓的材料属性与钢梁材料属性近似，故在本文模拟中未单独设置，材料物理性能见表3。

1.2 建模过程

利用ANSYS WORKBENCH软件建立实体模型。定制热轧钢梁采用一体成型实体单元模拟。全段焊接钢梁通过K型剖口焊（全熔透）将翼缘与腹板进行焊接，其中翼缘、腹板、焊缝采用实体单元模拟，焊缝与翼缘和腹板之间接触类型为Bonded连接，其余无接触面。间断焊接钢梁采用尺寸为10 mm×100 mm塞焊孔，将腹板与翼缘焊接。翼缘、腹板、焊缝均采用实体单元模拟，焊缝与翼缘和腹板之间接触类型为Bonded连接，其余接触类型为Frictionless（无摩擦）。

全栓接鋼梁采用8.8级M8螺钉按间距200 mm布置，钢梁与螺钉采用实体单元进行模拟，螺钉与翼缘和腹板之间接触类型为Bonded连接，其余接触类型为Frictionless （无摩擦）[2]。两端边界按照简支梁进行约束，有限元网格划分模型如图2所示。

1.3 有限元分析结果

1.3.1钢梁在均布荷载作用下的强度与刚度分析

利用ANSYS对4种类型的T型钢梁在纯弯曲加载状态下分别施加递增荷载，其分析结果中钢梁的强度应力图，如图3所示。

结合模拟数据，对比4种类型钢梁逐一施加递增荷载下的应力及挠度，如表4、表5所示。

由表4可知：全段焊接T型钢（类型2）与热轧钢梁挠度值差值0.02%，基本与热轧钢梁保持一致。间断焊接T型钢（类型3）与热轧钢梁挠度值差值0.90%，相差不大。螺栓栓接T型钢（类型4）与热轧钢梁挠度值差值差距最大，与理论值最大差值为3.65%。综上所述，全段焊接、间断焊接和螺栓栓接这3种不同类型T型钢在挠度方面的减弱是较为明显的，尤其是挠度理论计算值基本达到许用挠度时，栓接T型钢实际挠度已经超出许用挠度，建议实际应用时控制挠度利用率在85%以内保证工程安全。

由表5可知：全段焊接T型钢（类型2）与热轧钢梁应力值一致，与实际情况较为符合。间断焊接T型钢（类型3）与热轧钢梁强度应力值差值0.31%，相差不大。螺栓栓接T型钢（类型4）与热轧钢梁强度应力差值差距最大，与理论值最大差值为1.48%。综上所述，全段焊接、间断焊接和螺栓栓接这三种不同类型T型钢在强度应力方面的减弱基本可以忽略不计，能够满足工程实际需要。

1.3.2钢梁在均布荷载作用下受力分析

通过ANSYS分析结果，可以得到全段焊接、间断焊接和螺栓栓接3种不同类型T型钢在不同荷载作用下焊缝及螺栓的应力情况。

在均布荷载q=4.2 kN/m作用下，全段焊接T型钢焊缝应力最大值为69.01 MPa，间断焊接T型钢焊缝应力最大值为90.9 MPa，均未达到焊缝应力极限。证明此两种类型钢梁焊接强度足够满足T型钢梁的承载力需求[3]。相关应力结果如图4所示。

栓接T型钢在均布荷载q=4.2 kN/m作用下螺钉受力情况见表6，端部最大受力部位螺钉局部应力分布情况见图5。

由表6可知：螺钉在工作状态下主要承受剪力，并且呈现距离支座越近螺钉剪力越大，钢梁跨中螺钉最小的分布状况。

由图5相关螺钉的局部应力分布情况可知：端部螺钉截面应力最大值已超过螺钉承载极限，此时螺钉和钢梁同时失效。这就说明T型钢在采取栓接进行加工时，钢梁本身的承载能力受螺钉的“短板因素”影响达不到最佳承载力。

2“栓接”T型钢梁螺钉受剪分析及改进措施

2.1 “栓接”T型钢梁螺钉受剪分析

从上文中可知4种不同类型T型钢梁的承载能力基本一致，相对减弱并不明显。但由于“栓接”T型钢是通过螺钉将腹板与翼缘进行固定，存在明显的“短板效应”即螺钉提前失效导致钢梁失效[4]。从理论上对栓接T型钢螺钉受剪原因进行分析：“栓接”T型钢梁在均布荷载q作用下产生弯矩M，由于螺钉固定连接作用，翼缘与腹板形成组合截面，从而弯矩M（X）被重新分配为3部分：一对力偶N1和N2、翼缘和腹板所分配的弯矩M（X）1和M（X）2，受力如图6所示。

通过ANSYS模拟计算，对相同尺寸相同间隔的“栓接”T型钢梁施加不同的荷载得到端部螺栓的剪力值及钢梁跨中应力值，如表7所示。在均布荷载q=2.4 kN/m作用下，其分析结果中的钢梁强度应力图见图7所示。

查询相关规范手册，可以大致计算出8.8级M8螺钉的理论抗剪承载力为11.7 kN。由表7可知：该T型钢梁在2.4 kN/m的均布荷载作用下，端部螺栓最大剪力达到11.15 kN ，已达到螺栓抗剪承载极限，此时钢梁跨中应力值为117.81 MPa，强度利用率为55%，达到了该钢梁的使用极限。

2.2 对“栓接”T型钢梁的改进措施

由于“栓接”T型钢梁在加工过程中不存在焊接应力和变形，相较其余3种钢梁在加工便利性和时效性方面是相当不错的。因此可以对传统的栓接“T型钢”进行改进，在“栓接”T型钢基础上，在其端部新增一段穿孔塞焊做法，如图8所示。

对改进后的“栓接”T型钢梁施加不同的荷载得到端部螺栓的剪力值、梁跨中应力值以及新增焊缝应力值，如表8所示。

由表8可知：改进后的T型钢梁在2.4kN/m的均布荷载作用下，端部螺栓最大剪力为5.2 kN，相比于改进前降低了53.4%，说明此改进方法能夠有效降低端部螺钉的剪力。T型钢梁的承载能力有了大幅度的提升，相较“栓接”T型钢梁承载能力提升了50%以上，基本达到与焊接T型钢和间断焊接T型钢承载性能相同的水平。

3结束语

通过对4种不同加工类型的T型钢梁进行有限元模拟以及对“栓接”T型钢螺钉受剪状态的有限元模拟，得到以下3点结论：①全段焊接和间断焊接T型钢梁在强度应力方面的减弱基本可以忽略不计，能够满足工程实际需要，可根据项目实际情况选用合适的加工方法。②“栓接”T型钢梁螺钉在工作状态下主要承受剪力，且呈现距离支座越近螺钉剪力越大，钢梁跨中螺钉剪力为零的分布状况。③“栓接”T型钢梁受限于端部螺钉抗剪承载力，导致钢材使用率不理想，采用改进型“栓接”T型钢梁的做法能够有效降低端部螺钉剪力值，建议工程应用中尽量不采用纯“栓接”形式。

参考文献

[1] 白英博，姚远，姚思羽.栓钉对组合钢梁承载力的影响研究[J].建筑结构，2021，51（S1）：1598-1601.

[2] 徐明，肖亚明.组合梁栓钉连接件的抗剪性能分析[J].安徽水利水电职业技术学院学报，2009，9（04）：18-19+22.

[3] GB50017-2017.结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2017.

[4] 姚谏.建筑结构静力计算实用手册（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2014.