第一章 绪论
1.1 前言
幕墙包括两个主要部分：面板和支撑面板的骨架[1]。作为装饰、维护系统的幕墙起到了美观的作用，兼具建筑物墙面避风避雨的功能，同时满足保温隔热性能，气密性和水密性的要求。
幕墙骨架通常由钢、铝合金型材或其他材料制成。幕墙通过骨架与在主体结构上的预置构件以及挂件进行连接之后，形成的外墙作为建筑物的装饰和保护性的部件。
现阶段我国各地高层建筑的最高高度不断刷新，且将来有持续增高的趋势。建筑幕墙的应用具有明显的可行性和必要性。可以讲，高层建筑物和幕墙是因相互结合而存在并发展的[2]。
在几百年前，一些发达国家已经发展出了幕墙。但是，由于当时的经济发展不是很高，技术不是很完善，幕墙的加工及安装工艺不成熟。加之，一些传统思想的禁锢，导致幕墙在 20 世纪的中叶之前出现了一段发展及其缓慢的时期。
我国只有改革开放后的四十几年的幕墙应用历史。尽管时间很短，但是不得不说，目前我国幕墙的发展成果是可以与国外的发展状况相媲美的。不管是我国的经济发展比较迅速的大城市，还是一些乡镇地区，都可以看到建筑幕墙的存在，而且幕墙的形式是多种多样的[3-4]。
伴随着工业的快速发展以及科学技术的进步，开发出了一些幕墙方面的新工艺、原理、材料以及技术等，并被广泛应用于幕墙的制造和设计中。比如，在解决幕墙的隔声性能、风压过大导致幕墙变型、隔热保温性能、水密性以及气密性等方面，找到了切实可行的解决方法；在加强幕墙所具有的各项性能的时候研发出的隔音材料、铝合金板材、隔热保温的材料、各种类型的玻璃以及具有比较强的密封以及粘结性能等新型材料都是有助于幕墙的发展的。还有，为了解决在长期以来一直无法解决的幕墙在雨季期间的渗水问题，而研发出来雨幕原理并在建筑幕墙中广泛的应用。可以说，近几十年来，建筑幕墙的技术研究和开发取得了很大的进展，其在建筑中的应用越来越广泛[5-10]。
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1.2 建筑幕墙概述
1.2.1 国内外幕墙发展背景
国外幕墙的设计理论的基础是弹性板壳理论。该理论的主要内容是，在设计过程中只将幕墙面板在处于弹性状况的时候进行受力分析。这样考虑的原因主要是因为幕墙面板的设计是比较薄的，在设计过程中首先考虑的应该是安全性。在幕墙面板超过弹性的状态的时候，面板达到了弹性状态的极限时会出现面板损坏的情况。这是就需要首先以弹性变形和破环等理论为基础来进行假设，然后建立在空间直角坐标系下的弯矩、位移以及剪力、扭矩等相关因素的偏微分方程，然后再进行分析计算。在运用上述的方法的过程中，建立分析模型十分重要。一般来讲，这种有模型参与的计算方法所得出的结果是可以与使用结构载荷进行的实验得到的结果是基本一致的。这种方法也是在进行计算幕墙的立柱之间的连接组件能够承受的载荷的时候可以使用的更加合理和科学的计算方法。
Giuseppepellitteri 关于幕墙的面板结构进行了结构分析以及面板的优化设计[11]。他在设计中使用到了可以进行结构分析的通用软件。他的研究重点是进行理论方面的设计以及专业幕墙分析软件的开发，并且对于幕墙的独立板材以及立柱的连接件等内容分别进行了有限元分析。但是，他的研究中忽视了立柱连接件和板材这两部分构件在安装之后，可能会发生的损坏和耦合作用而导致的幕墙结构的刚度有一定程度的降低的效应影响。而且，他在设计中只是考虑了风压的存在。我们知道，在实际的生产生活之中还要很多的状况会出现，所以他的研究内容没有具有很实际的意义。Maetinbaitinger 在针对幕墙的横梁和立柱的研究中主要采用的方法是使用实验的方法[12]。幕墙的横梁和立柱可以统称为梁柱，这部分主要采用的连接形式主要有：焊接接头，螺纹接头和 U 型接头螺纹样式，而进行的实验内容主要是对于幕墙的梁柱节点的可以受到的破坏的主要形式以及可以承受的载荷的极限值等，而且还对于幕墙的梁柱的截面进行了相关的优化设计[13-14]。
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第二章 ANSYS 接触分析
2.1 接触问题分析概念
在工程中遇到了大量的接触问题，例如齿轮啮合，法兰连接，机电轴承接触，卡盘和卡盘，密封，片材成形，冲击等[31]。接触是一种典型的状态非线性问题，它是一种高度非线性的行为。接触例子如下图。
在 ANSYS 软件分析中，通常需要确定两个或多个相互作用物体的位移，接触区域的大小以及接触表面上的应力分布。接触分析有两个主要困难：首先，在解决之前，我们不知道接触区域的范围。第二，表面之间是接触还是分开是未知的；表面之间的突然接触或突然接触可导致系统刚度的突然变化。大多数接触问题需要计算摩擦力。摩擦是与路径相关的现象，摩擦响应也可能是混乱的，使得问题难以解决。
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2.2 接触类型及接触单元
2.2.1 接触分类
通常的接触分类主要是刚性-柔性。另一表面为软材料构成是可变形的。只有当一个表面特别坚硬并且不关心刚性物体的应力时，它才有效。软接触体和软接触体都可以变形[37-38]。
2.2.2 接触单元
ANSYS 采用接触单元来模拟接触问题：跟踪接触位置；确保接触协调（防止接触表面相互穿透）；接触应力（正压力和摩擦力）在接触表面之间传递。接触单元是覆盖分析模型的接触表面的一层单元。ANSYS 中可以使用三个不同的单元来模拟联系：面一面接触单元；点一面接触单元；点一点接触单元[39-43]。
下一步是检查触点对的外法线方向，这意味着如果单元的外法线方向不正确，则需要调整它直到正确。不同的单元类型具有完全不同的单元特征和分析过程。一个表面接触单元，用于任何形状的两个表面接触，而不事先知道接触的确切位置;两个面可以具有不同的网格；支持大的相对滑动；支持大应变和大转动。例如:单面接触可以模拟金属成形，例如轧制过程[44-45]。
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3.1 幕墙立柱模型建立及校核..........................................22
3.2 幕墙立柱常用的力学计算模型.................................. 23
第四章 不同插芯长度下立柱受力和位移分析................................ 28
4.1 建筑幕墙立柱与插芯的连接.............................28
4.2 立柱试件分析及材料概况...............................29
第五章 构件式玻璃幕墙整体系统的有限元分析..................................45
5.1 整体系统有限元分析的必要性............................... 45
5.2 有限元模型的建立............................45
第五章 构件式玻璃幕墙整体系统的有限元分析
5.1 整体系统有限元分析的必要性
组件玻璃幕墙的载荷分为垂直载荷和横向载荷。垂直载荷主要是指玻璃面板的自重载荷，侧向荷载主要包括风荷载和地震效应。横向荷载的传递路径为：玻璃板梁柱结构到柱到主要结构。
根据幕墙规范的要求，在设计单个部件之后，通常在设计过程中简化负载和约束。例如，在玻璃分析中，假设玻璃支撑的位移为零，而忽略实际连接。在计算支撑结构时，假设支撑结构直接承受风荷载，忽略了玻璃板的影响。这种设计方法忽略了零件之间的功能，并没有反映实际的力。此外，在以往的设计中，只计算了一般地板的幕墙结构和特殊位置，无法理解整个幕墙结构的受力情况。
由于上述原因，有必要分析玻璃幕墙的整体结构。采用 ANSYS 软件中的指令流方法进行数值模拟分析。这种方法的优点是易于更改、保存和调用。
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第六章 结论与展望
6.1 结论
研究插芯连接对幕墙立柱受力性能影响，目的是为幕墙立柱插芯连接的安全设计提供理论与试验依据。
论文得到了一些有益的结论，为研究该类接触分析的提供参考，同时提出了一些本课题以后研究方向的建议。
（1）相同截面及跨度等计算条件下，插芯的存在加大了立柱位移。立柱中间的最大位移，而且还与风荷载的增加成正相关，即风荷载的增加而位移不断增加。插芯的存在使最大应力小于无插芯立柱。合理的插芯长度设计对立柱的位移和应力的影响相对较小。
（2）插芯和立柱内筒接触处的插芯上表面附近的应力集中最为明显。就分析算例而言，当插入核心大于 350 mm，应力将专集中于端点附近；当长度大于250mm 时，芯插入的强度小于铝板的强度，因此最佳值的芯插入长度为 250mm。
（3）在研究对象选择是双跨度连续或者三跨度的铰接的模型的时候，在立柱的插芯处的连接形式中，静定梁的强度是比铰接梁的强度更强一些，而在正常的受力情况下选择长度在 250 mm 左右的插芯，在一定的程度上是可以保证立柱的结构强度的。在进行计算的时候，重点看的是荷载或作用的组合下的立柱的最大应力值，以及立柱的变形。在选择双跨度的连续梁模型作为分析对象的时候，它的链接形式与铰接的形式是基本上保持一致的。因此，在计算的时候可以按照铰接的形式进行计算。就分析算例而言，在正常受力的情况之下立柱挠度的影响是可以忽略不计的。所以在进行实际的插芯长度的设计的时候最好选择 250 mm 的长度。但是如果是想要计算立柱的承载能力的计算的时候，就需要将插芯的长度设定为 350~400 mm 的范围之中取值。所以在进行极限承载力的计算的时候，选择的插芯的厚度在 2.5 mm 到 3.5 mm，分析模型是在柱和核心之间的关节上铰接的，立柱会发生破损的程度也是直接由插芯的强度来决定的，在幕墙结构的整体发生失效的时候，插芯会最先发生破损，这样也会直接的导致立柱的截面出现破环的线性，双跨度连续梁的模型的安全系数相对于三跨度铰接的静定梁是更高一些的。
（4）组件玻璃幕墙整体系统的有限元分析具有一定的精度，能够反映支撑构件和玻璃板的应力和挠度分布。
参考文献（略）