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摘要：高層建筑幕墻的外觀造型設計，一般比較復雜而獨特，幕墻前置預錨板往往有偏差或有漏埋，那么就必須根據幕墻板塊所受的荷載，采用有限元重新進行結構設計，以便補充后置錨板。
關鍵詞：后置錨板荷載 有限元 結構設計
1、引言
高層建筑（詞條“高層建筑”由行業大百科提供）幕墻的外觀造型設計，由于比較復雜而獨特，一般采用金屬構件作為支承結構，再通過鋼制轉接件和預埋錨板與建筑主體結構連接組成幕墻支承體系。但是幕墻前置預錨板往往有偏差或有漏埋，那么就必須根據幕墻板塊所受的荷載，采用SAP2000有限元重新進行結構設計，以便補充后置錨板，特別是更復雜的轉角類錨板。
2、工程設計條件
南京濱江某超高層建筑幕墻工程，建筑物地區類別：A類；抗震設防烈度:7度(0.1g)；基本風壓:0.40KN/m2；鋼結構造型幕墻計算標高:149.8m，補充計算幕墻后置錨板參數。
2.1 錨板材料參數
選擇錨板尺寸基本參數：300×200×10、材質為Q235B；
2.2 ； 錨板計算參數
根據幕墻結構的受力計算，得到錨板荷載基本參數(按包絡取值)為：
錨板總剪力(Z向)為：V=2070N；
錨板總軸力(Y向)為：F=4420N；
那么，轉接件按工程實際尺寸為324×100×8mm，計算等效模型則可以把鋼制轉接件設為L型：L100×324×8，建立計算模型。
3、建立分析模型
按工程實際錨板尺寸300×200×10與兩個間距85mm的轉接件規格L100×324×8繪制。此例模型較為簡單，可以直接在SAP2000中的新模板方式建立幕墻后置錨板分析模型。
3.1 創建模型
本例我們可以先定義軸網數據的命令方式建立模型，具體操作如下：
(1)初始化設置
啟動SAP2000軟件，顯示程序界面進行初始化設置：
命令路徑：點擊界面左上角工具條中【文件F】➩【新模型】彈出對話框，在“初始化選項”界面中點擊【默認設置初始化模型】(initialize Model from Default Settings)，選擇【默認單位】(Default Units)單位始化制為“N, mm,C”；選擇【默認材料】(Default Materials)在【保存默認選項】上打鉤þ ；此時也可以點擊【修改/顯示信息】按鈕，用于以后方便制作報告封面。
(2)定義軸網數據
軸網由坐標系組成，通過添加附加笛卡爾坐標系就能生成我們所需要的軸網系統。
①點擊【軸網】按鈕，顯示“快速繪制軸網線”界面，設置軸網參數見圖1定義軸網參數所示。
②軸線X、Y、Z向數量分別設置為2、2、2數量的軸網線。
③根據錨板規格，設置軸網間距，在X、Y、Z向軸線間距分別為300mm(寬度)、10mm(或默認)、200mm(高度)，起始位置X、Y、Z均選擇為“0”。
④點擊【確定】按鈕,程序自動生成軸網圖，為方便后續操作，可根據需要選擇關閉X-Y Plane視圖，并在視圖窗口中顯示為生成3-D View軸網見圖2生成軸網圖所示。
(3)繪制模型圖
①命令路徑：點擊界面上工具條中【繪制R】下拉列表，選【多邊形面】項彈出“對象屬性”對話框，選擇“面屬性”為“空”、繪圖控制“無”，然后將軸網模型的上下左右邊分別連接起來即可。
②命令路徑：點擊界面上工點擊界面上工具條中【繪制R】下拉列表，選【特殊點】項彈出“對象屬性”對話框，繪制定位4個錨栓點(假定邊距各為50mm)，選擇“X=50，Z=50”，點擊節點“2”(原點)得到節點“5”，同樣方法，分別得到節點“7”、“8”、“9”，完成繪制4個錨栓點位置。
③命令路徑：點擊界面上工點擊界面上工具條中【繪制R】下拉列表，選【特殊點】項彈出“對象屬性”對話框，繪制100mm高轉接件(假定布置在錨板中間位置)，選擇“X=(300-85)/2=107.5，Z=50”點擊節點“2”(原點)得到節點“10”，同樣方法，分別得到節點“11”、“12”、“13”，完成繪制兩個轉接件點定位。
④點擊界面上工點擊界面上工具條中【繪制R】下拉列表，選【特殊點】項彈出“對象屬性”對話框，繪制324mm長轉接件，選擇“Y=-324”，依次點擊節點“10”、“11”、“12”、“13”得到節點“10”，同樣方法，分別得到節點“15”、“14”、“17”、“16”，然后用“直框架”“空”分別連接起來即可，完成繪制兩個轉接件。
⑤ 命令路徑：點擊界面上工具條中【繪制R】下拉列表，選【多邊形面】項彈出“對象屬性”對話框(或直接選擇界面左邊 條)，選擇繪圖控制為“無”、截面屬性為“空”然后依次連接兩個轉接件各節點繪制成“虛面”。
在此基本上完成了模型圖創建，見圖3錨板與轉接件計算等效模型圖所示。
3.2 定義材料參數
錨板與轉接件均為鋼材（詞條“鋼材”由行業大百科提供）Q235材質。
按《玻璃幕墻技術規范》(JGJ102-2003)“第5.2條”“材料力學性能”查得：鋼材Q235材質彈性模量（詞條“彈性模量”由行業大百科提供）E=2.06×105(N/mm2)、泊松比υ=0.3 、膨脹系數α=1.2×10-5(1/℃)、重力密度γg=78.5(KN/m3)。強度設計值（詞條“強度設計值”由行業大百科提供）： 抗拉、抗壓、抗彎fg≤215(N/mm2)、抗剪設計值 fv≤125(N/mm2)。
(1)定義材料屬性
命令路徑：點擊界面上工具條中【定義D】下拉列表，選【材料】彈出“定義材料”對話框，➩點擊【添加材料...】彈出“添加材料”對話框，見圖2-11添加鋼材料，選“國家/地區”為“China(中國)”、“材料類型”為“Steel(鋼)”、“標準/規范”為“GB(國標)”、“材料等級”為“Q235”、點擊➩【確定】，彈出“材料屬性數據”對話框，程序自動顯出了Q235材料名稱(顏色可任意)及其相關數據，再點擊➩【確定】完成了鋼型材Q235的定義。
(2)定義鋼板(殼)截面
命令路徑：點擊界面上工具條中【定義D】下拉列表，選【截面屬性】➩【面截面】➩【添加面截面...】彈出“殼截面數據”對話框，定義錨板截面名稱可輸入為“M10”(名稱、顏色可任意)；“類型”選“薄殼”；“截面厚度”中的“膜”與“板”均選錨板厚度“10”；“材料名稱”選已定義好的“Q235”；“材料角”選“0”，完成錨板截面定義，圖4定義錨板截面所示。
命令路徑：點擊界面上工具條中【定義D】下拉列表，選【截面屬性】➩【面截面】➩【添加面截面...】彈出“殼截面數據”對話框，定義錨板截面名稱可輸入為“M8”(名稱、顏色可任意)；“類型”選“薄殼”；“截面厚度”中的“膜”與“板”均選錨板厚度“8”；“材料名稱”選已定義好的“Q235”；“材料角”選“0”，完成轉接件截面定義，見圖5定義轉接件截面所示 。
3.3 指定鋼板(殼)截面
完成了截面的定義后，我們可以選擇指定已定義好了的錨板與轉接件(殼)截面。
(1)指定錨板截面
命令路徑：用左鍵選擇模型圖中錨板，點擊界面上工具條中的【指定A】下拉列表，選【面/面積】➩【面截面】彈出“指定面截面”對話框，點擊已定義好的“M10”截面，點擊【應用】➩【確定】，完成錨板截面的指定。
(2)指定轉接件截面
命令路徑：用左鍵選擇模型圖中兩個轉接件，點擊界面上工具條中的【指定A】下拉列表，選【面/面積】➩【面截面】彈出“指定面截面”對話框，點擊已定義好的“M8”截面，點擊【應用】➩【確定】，完成轉接件截面的指定。
3.4 節點支座約束
我們可以選擇指定已定義好了的錨板，把繪制定位4個錨栓點均按鉸接形式考慮。
命令路徑：首先用鼠標左鍵，選擇模型定位4個錨栓點(節點“5”、“7”、“8”、“9”)，再點擊界面上工具條中的【指定A】下拉列表，選【節點】➩點擊【支座】彈出“指定節點支座”對話框，點擊“鉸接支座”按鈕，這樣就約完成了錨板鉸接約束。
3.5 定義荷載模式與工況
幕墻錨板所承受力的主要荷載模式，通過幕墻受力(風荷載設計值、組合荷載、地震作用等)均轉換為：恒載DL、錨板總剪力(Z向)V、及錨板總軸力(Y向)F來計算。
(1)定義恒載與工況
命令路徑：點擊界面上工具條中【定義D】下拉列表，選【荷載模式】彈出“定義荷載式”對話框，設置如下：在本例“定義荷載模式”對話框中，“名稱”欄輸入“DL”，“類型”欄選“Dead”，“自重乘數選”欄選“1”，“自動側向荷載”欄為“灰”色，再點擊【添加荷載模式】。
(2)定義剪力荷載與工況
同樣，在本例“定義荷載模式”對話框中，“名稱”欄輸入“V”，由于總剪力均已先計算出來了，無須再由程序計算，因此“類型”欄選“Other(其他)”，“自重乘數選”欄選“0”，由于本例錨板總剪力為已知(見本例第“2.2”條)，再點擊【添加荷載模式】。
(3)定義軸力荷載與工況
同樣，在本例“定義荷載模式”對話框中，“名稱”欄輸入“F”)，由于總軸力均已先計算出來了，無須再由程序計算，因此“類型”欄選“Other(其他)”，“自重乘數選”欄選“0”，由于本例錨板總軸力為已知(見本例第“2.2”條)，再點擊【添加荷載模式】。
以上選項完成之后，如果需要修改模式可點擊【修改荷載模式】，然后再按【確定】按鈕就完成了整個荷載模式的定義，見圖6定義荷載模式。
3.6 施加荷載
定義的荷載模式，并且在已指定的荷載模式中再定義了荷載工況下，還必須對荷載進行指定施加，程序才真正真作用于結構產生靜力或動力響應，才能對模型進行相應的運行分析與計算。
(1)施加重力荷載
命令路徑：點擊界面上工具條中【指定A】➩【面荷載】➩【重力荷載】彈出“指定重力荷載”對話框中，“荷載模式”選定重力荷載DL、“坐標系”選定GLOBAL、“重力乘數”選定“Z”與“1”，選項“替換現有荷載”，點擊【應用】➩【確定】完成重力荷載施加，見圖7施加DL重力荷載所示。
(2)施加剪力節點荷載
命令路徑：首先用鼠標左鍵選擇界面上模型中轉接件截面外端部中間節點(“18”與“19”)，再點擊界面上工具條中【指定A】➩【節點荷載】➩【集中荷載】彈出“指定集中荷載”對話框中，“荷載模式”選定剪力荷載V、“坐標系”選定GLOBAL、“集中力Z”，填剪力V=2070/2=1035N(分成兩個節點施加)，“-1035”(-Z向)，選項“替換現有荷載”，點擊【應用】➩【確定】完成剪力節點荷載施加，見圖8施加V剪力節點荷載所示。
(3)施加軸力節點荷載
命令路徑：首先用鼠標左鍵選擇界面上模型中轉接件截面外端部中間節點(“18”與“19”)，再點擊界面上工具條中【指定A】➩【節點荷載】➩【集中荷載】彈出“指定集中荷載”對話框中，“荷載模式”選定軸力荷載F、“坐標系”選定GLOBAL、“集中力Y”，填軸力V=4420/2=2210N(分成兩個節點施加)，“2210”(Y向)，選項“替換現有荷載”，點擊【應用】➩【確定】完成剪力節點荷載施加，見圖9施加F軸力節點荷載所示。
(4)顯示施加荷載
通過以上操作，完成了錨板與轉接件荷載的施加，但是完成了荷載施加還需在視圖中用查看荷載施加正確與否。
命令路徑：點擊界面上工具條中【顯示P】➩【對象荷載】➩【荷載模式】彈出“基于荷載模式顯示荷載”對話框，點擊【節點】，“荷載類型”選“集中荷載”，勾選“顯示節點荷載數值”，點擊【應用】➩【確定】完成顯示F軸力節點荷載載，見圖10顯示F軸力節點荷載所示(顯示V剪力方法相同，略)。
3.7 指定截面的分割與自動剖分
在運行結構分析之前，為了保證轉接件與錨板的模型穩定，需要對模型面板進行指定分割與剖分。
(1)面板的分割
命令路徑：首先用鼠標左鍵將界面上模型圖形全選中，再點擊界面上工具條中【編輯E】➩【編輯面】➩【分割面】彈出“分割面”對話框，在“分割選項”中，選“根據選擇的點進行分割”，其他默認，再點擊【應用】➩【確定】，即完成了指定面的分割，見圖11指定面的分割所示。
(2)面板的剖分
命令路徑：首先用鼠標左鍵將界面上模型圖形全選中，再點擊界面上工具條中【指定A】➩【面積】➩【自動剖分選項】彈出“指定面的自動剖分選項”對話框，“最大的單元尺寸”“邊1-2”與“邊1-3”，選填“20mm”(經驗參考值)，再點擊【應用】➩【確定】，即完成了指定面的自動剖分，見圖12指定面的自動剖分所示。
4、結構分析
當模型的幾何信息、荷載信息、面板分割與剖分等設置完成并檢查無誤后，就可以進行分析選項進行設置與運行分析，對所建立的模型求解。
4.1 自由度分析選項
在運行分析之前，還需要對所建模型進行分析選項設置，然后才可以有選擇行地運行荷載工況。
命令路徑：點擊界面上工具條中【分析N】➩【設置分析選項】彈出“分析選項”，對話框，通過勾選“有效自由度”勾選“UX、UY、UZ、RX、RY、RZ”6個自由度，或點擊“快速選擇”欄中的“空間框架”圖形按鈕選取自由度，點擊➩【確定】按鈕完成自由度分析選項。
4.2 運行分析
命令路徑：點擊界面上工具條中【分析N】➩【運行分析】彈出“設置分析工況”選項對話框，再點擊【運行分析】按鈕，程序自動進行模型在荷載工況下的F、V的分析計算。另外“MODAL”可以選擇點擊“運行/取消運行”按鈕，再點擊➩【運行分析】按鈕完成運行工況分析。
模型通過以上的運行工況分析，程序已對建立的模型進行了結構分析與計算，得到了模型結構的相關內力與剛度結果。
(1)顯示錨板最大剛度結果
命令路徑：點擊界面上工具條中【顯示P】➩【變形圖】彈出“顯示變形圖”(或直接點擊界面上工具條中按鈕)對話框，在“工況/組合”名稱欄中，分別選擇已定義好了的F與V和下查看最大剛度。另在“縮放比例”欄選擇自動計算；在“云圖選項”選擇“顯示位移云圖”、“云圖分量”分別選擇UY向；再選擇打鉤“三次曲線”，其他默認；點擊【應用】➩【確定】按鈕，經SAP2000進行結構分析、計算、比較得到在剪力與軸力下最大剛度分別為：
①錨板在剪力V下的剛度：
錨板(不考慮轉接件)在剪力V下的剛度為：U2(UY)=0.194(mm)
那么，錨板最大變形為：Uymax=0.194
故：在不考慮混凝土粘接及夸中錨栓作用下，見圖13錨板在剪力V下的剛度圖所示，錨板剛度滿足要求！
②錨板在軸力F下的剛度：
錨板(不考慮轉接件)在軸力F下的剛度為：U2(UY)=0.162(mm)
那么，錨板最大變形為：Uymax=0.162
故：在不考慮混凝土粘接及夸中錨栓作用下，見圖14錨板在軸力F下的剛度圖所示，錨板剛度滿足要求！
(2)顯示錨板最大應力結果
①錨板在剪力V下的應力
命令路徑：點擊界面上工具條中【顯示P】➩【內力/應力】彈出“顯示殼單元（詞條“殼單元”由行業大百科提供）內力/應力”對話框，在“工況/組合”名稱欄中，分別選擇已定義好了的剪力V下查看最大應力。在“分量類型”選擇“應力”；在“輸出類型”選擇“最大絕對值”；“分量”分別選擇“SMax”、“SMin”與“SMaxV”；“其他選項”勾選“變形圖”，其他默認；點擊【應用】➩【確定】按鈕，經SAP2000進行結構分析、計算比較得到在剪力V下最大應力為：
StressSMax=|-94.114|= 94.114(N/mm2)；
錨板最大應力為：94.114(N/mm2)
錨板在剪力V下最大剪力“SMaxV”為：8.35(N/mm2)
②錨板在軸力F下的應力
命令路徑：點擊界面上工具條中【顯示P】➩【內力/應力】彈出“顯示殼單元內力/應力”對話框，在“工況/組合”名稱欄中，分別選擇已定義好了的軸力F下查看最大應力。在“分量類型”選擇“應力”；在“輸出類型”選擇“最大絕對值”；“分量”分別選擇“SMax”、“SMin”與“SMaxV”；“其他選項”勾選“變形圖”，其他默認；點擊【應用】➩【確定】按鈕，經SAP2000進行結構分析、計算、比較得到在軸力F下最大應力為：
StressSMax=|-43.244|= 43.244(N/mm2)；
錨板最大應力為：43.244(N/mm2)
錨板在軸力F下最大剪力“SMaxV”為：3.078(N/mm2)
5、結語
在高層建筑幕墻前置預錨板有偏差或者有漏埋的情況下，工程師根據幕墻板塊所受的荷載，采用SAP2000有限元重新進行結構設計，可以更方便地補充后置錨板，特別是更復雜的轉角類錨板。
參考文獻：
[1].《玻璃幕墻工程技術規范》 (JGJ102-2003)
[2].《建筑結構荷載規范》 (GB50009-2012)
[3].《SAP2000在建筑異形幕墻工程的設計實例解析》(屈 錚 編著 中南大學出版社)
作者單位：港湘建設有限公司
