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刻骨铭心的一个项目——新加坡不锈钢风车雕塑

by 邵工——建筑结构工程师 Structural Engineer |2017年7月3日 | 工程服务, 软件教程
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一、引言

2013年,小建建接触到一个风车雕塑的项目。这件雕塑是黎巴嫩艺术家Nadim Karam创作的,他本身是建造师出身。雕塑的制作地点在上海,最终的安装地点在新加坡,所以需要使用英标来计算(附注:当时新加坡还是用的英国规范,现在已经转为欧洲规范了)。

二、设计

该风车使用的材料是316L不锈钢,屈服强度为170MPa。316L不锈钢的设计强度f=170/1.15=148MPa,弹性模量E=20600MPa。花瓣的连接采用四颗M16的不锈钢沉头螺栓(如下图所示),在花瓣偏心重力作用下的剪力估算V=1kN*m/0.083m/4=3kN,足够。夹板采用12mm不锈钢板,内部没有花瓣的地方填12mm钢板。

由于该项目的复杂性,所以使用了ANSYS的APDL语言来编程计算其变形和应力情况。当时小建建记得这个雕塑每一片风车的叶子都不同,所以建模花了很大的心思,主要的思路是通过犀牛来完成主体结构的建模,再导入ANSYS来分析。

以下是有限元模型

这是位移图,可发现叶片端部最大位移为15.7mm,而叶片根部的位移很小。

这是结果Von Mises应力云图,其最大应力小于不锈钢屈服应力,满足。

为了更进一步分析叶片的受力情况,将叶片单独拿出来做了分析,以下是分析结果。

三、组装

采用分块拼装,主体一块,叶片17块。现场拼接方式采用沉头螺栓。当时也考虑了焊接,但是由于铝合金焊接处的强度相比构件出强度会下降30%~40%,而且现场焊接成本很高。所以,最终采用了沉头螺栓的方案。螺栓放松的问题如何解决?这里采用了高强特种胶水加固的方案。

以下是不锈钢焊接板样品图片。

以下是工程预拼装图片。

 

四、英标设计总结

风荷载计算公式如下所示,以后会专门来讲一下欧标风荷载,这里先不赘述。

计算内容如下:

风压计算高度Z= 5 m
基本风速Vb 20 m/s
空气密度ρ= 1.194 kg/m³
Z0= 0.05 m
Cr(Z)= 0.87
C0(Z)= 1
lv(Z)= 0.22
Vm(Z)=Cr(Z)*C0(Z)*Vb= 17.50 m/s
风荷载标准值:
qb(Z)=[1+7*lv(Z)]*0.5*ρ*Vm^2= 0.46 kN/㎡

五、部分ANSYS命令流(和犀牛协调建模)

IOPTN,IGES,SMOOTH   
IOPTN,MERGE,YES 
IOPTN,SOLID,YES 
IOPTN,SMALL,YES 
IOPTN,GTOLER, DEFA  
IGESIN,'Windmill_Flower','iges',' '  !插入犀牛模型
APLOT

邵工——建筑结构工程师 Structural Engineer

建筑一网(www.jianzhu1.com)是一群同济大学毕业建筑和土木相关专业毕业的研究生和博士组成的技术团体。我们自2011年始即开始从事结构设计和研究工作, 积累了大量的研究成果和创新技术,并整理了对中国规范、FIDIC合同、欧洲规范和美国规范的总结笔记。此外, 团队还在结构产品领域有所研究,并推出了超薄夹层、板桁架、无檩网架、装配式厂房和装配式酒店等相关装配式产品。

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