一种特殊造型的UHPC窗花ANSYS结构分析

赵海恩

摘要 面对越来越多建筑师对外立面装饰效果要求的提高，UHPC作为一种易于造型装饰的材料，逐渐受到建筑师的青睐。虽然UHPC可以做出千变万化的造型，但外观变化而引起的结构受力特点也相应千变万化，每种造型的背负钢架设计几乎都会不一样，这就要求从业人员有一定的结构设计功底。下面将从理论联系实践，重点讲解海外项目“马尔代夫马累国际机场”的UHPC窗花应用，引入ANSYS有限元分析，并结合实验测试解决实际工程中的安全问题。

近年来，随着“一带一路”国家建筑产能走出去的政策的深入发展，涉外工程逐渐增加，而国外监理及顾问对新型材料的使用尤其谨慎，如果没有相应的计算书或者检测资料，再漂亮的UHPC都不会批准上墙。下面将介绍一种UHPC结构受力分析的方法，即引入有限元软件ANSYS Workbench 19.2对UHPC装饰构件进行结构受力分析。

目前，针对UHPC材料在国内只有团体标准，分别是行业标准《超高性能混凝土（UHPC）技术要求》 T/CECS 10107-2020、浙江省标准《超高性能混凝土（UHPC）外墙围护和装饰板应用技术标准》 T/ZS 0203-2021。另外，相近材料性能的GRC装饰材料在国内存在行业标准《玻璃纤维增强水泥（GRC）建筑应用技术标准》JGJ/T 423-2018。海外则有法国标准NF P18-710《Design of Concrete Structures》，美国标准《Practical Design Guide for Glass Reinforced Concrete》等。本项目要求采用英标进行结构计算，然而英标并没有关于UHPC材料的标准或规范，只能在计算荷载时采用英标进行计算，具体计算分析则依靠有限元软件和相关测试。

1 风荷载计算

项目地点位于马尔代夫马累国际机场，建筑高度22米，主体结构为钢结构，1小时风速为31m/s，顾问要求计算全按英标执行。英标风荷载计算规范引用BS6399-2-1997 ，求得动态风压为2.15kPa。考虑墙角区风荷载体形系数为1.5，即计算风荷载标准值为1.5*2.15=3.22kPa。

2 分项系数及荷载组合

引用规范BS 8110-1-1997，得知在重力和风荷载的共同作用下，重力荷载分项系数取1.4，风荷载的分项系数取1.4。荷载组合如下所示：

工况一：ULS1=1.4DEAD+1.4WIND（+）

工况二：ULS2=1.4DEAD+1.4WIND（-）

工况三：SLS1=1.0DEAD+1.0WIND（+）

工况四：SLS2=1.0DEAD+1.0WIND（-）

DEAD——重力荷载；

WIND（+）——垂直于板面的正风荷载；

WIND（-）——垂直于板面的负风荷载。

3 拟有限元模拟计算的面板尺寸（如下图所示）

尺寸四舍五入后大概为1000mm高，3000mm宽，120mm厚，四个角部的UHPC里侧均采用预埋套筒连接方式，通过不锈钢材质为316的M10六角头螺栓和铝材质为6061-T6的铝角码挂接于幕墙龙骨上。

4 强度限值和挠度限值

项目招标文件要求挠度限值为其长边尺寸的1/2000，即3000/2000=1.5mm，UHPC窗花面板的强度限值为11MPa，相比中国规范规定的UHPC强度最低要求的14MPa要小。中国及海外规范里并没有规定UHPC面板的挠度变形值，从挠度和强度限值偏小的这个要求来看，该项目可以说是相当严格。

5 ANSYS建模

计算采用ANSYS旗下的Workbench19.2版本进行有限元分析模拟，首先是输入材料属性，UHPC窗花板的密度2.2g/cm^3~2.4g/cm^3，这里按较不利的2.4g/cm^3输入，泊松比0.19~0.24，按较不利的0.24输入，线膨胀系数1.5x10^-5，受压弹性模量为40GPa，抗弯强度限值为11MPa，抗压强度为100MPa。接着在四周定义铰接支座，支座类型为remote displacement，左上角仅约束Y方向，右上角仅约束Y方向，左下角仅约束X/Y/Z方向，右下角仅约束Y/Z方向使之成为空间静定体系。

定义完支座后，接下来输入荷载。软件按结构物自身密度和体积考虑计算，重力荷载无须自行手动输入，软件会自动考虑。风荷载则需要手动输入，此处面荷载考虑为墙角区的3.22kPa输入，采取更为保守的荷载值。风荷载分四种工况输入，分别是：

承载能力极限状态下的正压墙角风荷载值：1.4*3.22kPa=4.51kPa；

承载能力极限状态下的负压墙角风荷载值：-1.4*3.22kPa=-4.51kPa；

荷载输入如下：

正常使用极限状态下的正压墙角风荷载值：1.0*3.22kPa=3.22kPa；

正常使用极限状态下的负压墙角风荷载值：-1.0*3.22kPa=-3.22kPa。

荷载输入如下：

6 ANSYS应力及变形结果

在承载能力极限状态的工况一的情况下，最大应力达7.8MPa；在承载能力极限状态的工况二的情况下，最大应力达7.58MPa；在正常使用极限状态的工况三的情况下，最大变形为1.26mm；在正常使用极限状态的工况四的情况下，最大变形为1.26mm。可见，工况一和工况二的最大应力，均低于招标文件要求的极限应力11MPa，且变形均低于3000/2000=1.5mm的限值，强度和挠度均满足计算要求。

工况一应力：

工况二应力：

工况三挠度：

工况四挠度

7 实验室测试

为了稳妥起见，我们制作了1比1的实体模型，养护28天后，送进了实验室。UHPC试样为3m长*1m宽*0.12m厚的特殊造型的窗花造型，一开始想着直接采用飞机头直吹去模拟极限风压的情况，但是实验室人员表示，对于该种镂空的结构物来说，直吹会有风压的损失，至于损失多少很难具体量化，实验可能很难达到预想的压力值，并且很有可能，即使再大的风力，也吹不坏这块混凝土怪物。于是，我们另辟蹊径，采用实验室推荐的气囊试验，模拟真实情况下的荷载值。为了检验气囊试验的真实性，我们在其中每个支座装了一个水平力传感器，用来衡量该气囊试验方案的真实性。

万事俱备，测试开始，首先，给气囊打气至标准风压的50%，即3.22kPa*0.5=1.61kPa，持续一分钟左右，从外观上观察，没有丝毫裂纹，最大位移在跨中，为0.53mm，接着给气囊打气至标准风压的100%，即3.22kPa*100%=3.22kPa，此时，跨中附近位置出现宽度不大的裂缝，小于《混凝土结构设计规范》里0.2mm裂缝宽度的要求；最后，加载至标准风压的140%，即3.22kPa*1.4=4.51kPa，混凝土结构没有破坏，裂缝宽度均小于0.2mm，满足规范要求。

8 加钢筋改善抗开裂性能和外观

为了达到窗花板块尽量不开裂的外观要求，减少日后可能发生的维修工时，群策群力，决定往里面加钢筋，理由是混凝土是一种离散性特别大的材料，特别是对于受拉或者受弯情况下的混凝土，其离散性之大让加工厂对产品质量的把控产生巨大难度，于是再三考虑，在不增加过多成本的情况下，通过往UHPC窗花顶底各加两道HPB M6钢筋的方法来加强窗花的抗弯承载力。这么操作的理由有以下几点：钢筋和UHPC之间有较接近的线膨胀系数，混凝土为0.8*10^-5 ~1.1*10^-5，钢筋为1.2*10^-5，不会因温度变化产生变形不同步，从而使钢筋与混凝土之间产生错动。钢筋也无须特殊防腐处理，因为混凝土包裹在钢筋表面，能有效防止外部空气和水进入内部，起到很好的保护作用，加上UHPC本身对钢筋无腐蚀作用，从而确保了加钢筋UHPC构件的耐久性。UHPC的抗压强度高，但抗拉强度却非常低（混凝土的抗拉强度一般为其抗压强度的1/10左右），钢筋的抗压和抗拉能力都很强，有钢筋的加入，使两种材料各尽其能、相得益彰，组成性能良好的UHPC结构构件。

9 评估实验的准确性

为了评估气囊试验的准确性，我们在UHPC四个角的连接点上，均设置了测力计，如果测力计上所有水平力读数之和，与标准风压和投影面积的积相等，则说明试验过程中加载的力和理论上预想的力是相等的。如果测力计上的数值之和大于理论计算值，则说明气囊试验相对保守；如果测力计上的数值之和小于理论计算值，则气囊试验的有效性值得进一步讨论。

实验数据：左上角测力计读数为1.33kN，右上角测力计读数为1.35kN，左下角测力计读数为1.65kN，右下角测力计读数为1.69kN。

总合力为1.33+1.35+1.65+1.69=6.02kN，

理论计算值为3m*1m*3.22kPa*40%*140%=5.41kN（窗花投影面积为矩形3m*1m面积的40%，分项系数取1.4）。

试验值比理论值大了（6.02-5.41）/5.41=12%左右。通过以上数据对比表明，气囊试验的测试值一般是要大于理论值的，所以采用气囊施加荷载的测试结果会更偏保守，输入的荷载值会比理论荷载值更大。

10 结论

采用ANSYS有限元软件workbench 19.2模拟UHPC窗花运算结果偏理想化，即算出来的应力值偏低，所以不能过于依赖软件算出来的结果，还需要检测来验证。一方面可能软件对支座的定义过于理想化，而UHPC的弹性模量相当大，一点点装配上的位移就能产生非常大的内力值，使之开裂。另一方面，混凝土的离散性太大，单纯用容许应力法解决不了UHPC离散性大所带来的开裂问题。所以除了进行理论上的有限元分析外，建议仍须实验室验证。

对于较大跨度的UHPC板块，强烈建议加配钢筋与之配合使用，能有效降低混凝土离散性所带来的开裂问题，而且还能保证结构的安全性，万一开裂，也能让钢筋连着，不会碎成渣渣掉下来。

    对于这种镂空的窗花造型UHPC面板或者类似的镂空的造型面板，检测方法建议采用气囊法，虽然荷载会比理论值要大12%，但足以保证项目的安全性和适宜的经济性。