金屬屋面鋁板抗風性能數值模擬研究

1、Word文檔 金屬屋面鋁板抗風性能數值模擬研究 金屬屋面圍護系統在40多年前被引進我國，早期主要應用在工業(yè)建筑中，近年來在大型公共建筑的圍護結構中得到大力推廣，這一狀況的轉變從鋁鎂錳直立鎖邊金屬屋面系統的引進開頭。鋁鎂錳直立鎖邊金屬屋面系統因其造型新奇、加工便利、耐久性良好的優(yōu)點，得到了建筑行業(yè)的全都認可，在車站、體育中心、航站樓、劇院等大型公共建筑中被大量投入使用，但鋁鎂錳直立鎖邊金屬屋面在使用過程中也存在一些問題，限制了其自身的進一步推廣，也影響了屋面圍護系統的平安性能。在風揭作用下，鋁鎂錳直立鎖邊金屬屋面系統會因直立支座處的局部破壞導致屋面結構快速破壞，且使用過程中還會因密封性不夠導致漏

2、水現象，風揭和漏水的問題始終沒有徹底的解決方案，成為了困擾相關技術人員的兩大頑疾。在風力較大的沿海地區(qū)，屋面風揭破壞甚至會產生重大經濟損失(圖1)，導致人員傷亡，造成社會不良影響。 為了保證金屬屋面在建筑行業(yè)得以進一步進展，技術人員開頭尋求新的變革方向：通過改進屋面板型設計和施工工藝，使圍護結構能連續(xù)發(fā)揮傳統直立鎖邊金屬屋面系統的優(yōu)勢。即在新的金屬屋面系統的設計及應用上，盡量繼承直立鎖邊金屬屋面系統的優(yōu)點，同時通過利用新型材料、加強抗風設計原理、改進施工工藝等手段，提高建筑圍護系統的抗風、防水性能。 作為新型金屬屋面圍護結構體系，連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統由此應運而生。這種金屬屋面從構造上做到

3、了完全密封，真正實現了屋面防水的性能要求，并且還具備輕質高強、便于加工的優(yōu)良特性，通過焊接使屋面系統各部分實現牢靠連接，進而保證了結構在風揭作用下的抗風承載力量。然而，我國至今還未有金屬屋面圍護系統的相關施工和管理規(guī)范，因此建筑行業(yè)相關技術人員應盡快形成整套設計、施工、檢查規(guī)范，使得金屬屋面圍護系統的應用走上規(guī)范化、專業(yè)化的道路。因此，行業(yè)內應加強對連續(xù)焊接不銹鋼屋面系統的抗風性能討論。本文以連續(xù)焊接不銹鋼屋面系統為討論對象，建立金屬屋面鋁板數值模擬分析模型，對連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統的抗風性能進行分析，提出了提高屋面抗風極限承載力的若干建議，為屋面圍護體系在實際工程中的設計及應用供應參考。

4、 1 屋面構造及優(yōu)勢分析 1.1、金屬屋面構造 連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統從里到外由鍍鋅矩形鋼管主次檁條系統、鍍鋁鋅壓型鋼板、無紡布、0.3 mm厚PE防潮膜、吸音棉材料、保溫材料、鍍鋅鋁壓型鋼板、1.2 mm厚鍍鋅鋁平鋼板、1.0 mm厚自黏性防水卷材、隔聲材料、不銹鋼連續(xù)焊接屋面及上部的三角形鋁板組合而成。最外層直接承受風荷載的是三角形鋁板。上部金屬屋面系統通過底板實現與檁條的牢靠連接，而檁條被直接焊在屋面網架節(jié)點球上，整個屋面由此形成整體性和密封性良好的系統。金屬屋面結構三維效果和詳細構造如圖2、3所示。 1.2、屋面板抗風優(yōu)勢分析 連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統在實際應用時有很多優(yōu)勢，適用

5、于在大型公共建筑物的屋面圍護結構，其優(yōu)越性可概括如下：1)相鄰屋面板之間通過焊接連接，從根本上實現了屋面板的構造式密封，為始終困擾著工程界的屋面防水問題供應了徹底的解決方案；2)屋面板焊接在與其相連的屋面系統其余構件上，區(qū)分于傳統的金屬屋面采納的搭接、相扣、咬合等連接形式，可以通過效率高、質量牢靠的自動化焊接來實現，有效地保證了屋面的抗風承載力，極大程度上提升了建筑圍護系統的平安性能；3)連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統采納的不銹鋼材料耐腐蝕性良好，特殊適用于風力強、濕度及鹽分高的沿海地區(qū)。綜合以上特點，連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統具有適用性好、耐久性優(yōu)良、后期維護成本低，性價比高的特點，是一種具有寬

6、闊應用前景的金屬屋面體系。 過去的幾十年間，連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統的相關技術在歐洲、日本等地歷經了不斷進展與革新，這種屋面系統在應用初期暴露出的各種問題和平安隱患已經得到解決。進展到現在，如今的連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統擁有先進的技術手段和施工工藝，相應的檢驗標準也在進一步完善中，具備了在實際公共建筑物中大量推廣應用的基礎。目前，連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統已經應用于日本的沖繩那霸國際機場、東京羽田國際機場、東京辰已國際游泳館等建筑中，其使用效果獲得了業(yè)內的全都認可，沒有再消失漏水、風揭破壞等問題。在國內，連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統的應用才剛開頭，有待進一步推廣，目前已經建成并投入使用的連續(xù)

7、焊接不銹鋼金屬屋面系統主要有青島膠東國際機場航站樓(圖4)、廣州亞運城綜合體育館、澳門北安碼頭等。 2 金屬屋面鋁板有限元分析 2.1、鋁板簡化分析模型 為分析風對屋面破壞狀況，在有限元分析中，建立金屬屋面鋁板和下部連接角鋼、支座等局部模型。劃分網格時，為了使模型形成規(guī)章網格，對固定支座、屋面板、連接角鋼實行分步切割建模，保證接觸位置網格節(jié)點對齊(圖5)。由于屋面板為正三角形，網格劃分采納六結點三角形平面單元，其余部分采納八結點四邊形平面單元。有限元模型網格劃分見圖5。 2.2、邊界條件 由于取屋蓋部分結構分析，被分割的屋面板邊緣設置滑動支座，僅允許結構在z向自由移動，如圖6所示。 由于不能忽

8、視下部結構對屋面板的影響，分析時將下部角鋼通過支座固定。對于角鋼與屋面板凹槽的螺栓，使用有限元軟件分析時不易收斂，且可能產生應力奇異，使得計算結果不精確。為更好地進行有限元分析，將螺栓連接簡化為彈性連接，固定支座布置如圖7所示。 由屋面構造可知，上部鋁板通過螺栓與下部角鋼連接，角鋼通過支座與壓型鋼板連接傳遞荷載。為考慮下部構造對結構的影響，將下部結構對鋁板的影響簡化為三個方向彈性連接，由于螺栓連接較弱，不考慮轉動剛度。取下部結構連接節(jié)點，在x、y、z三個方向分別施加單位力，如圖8所示，可得到三個方向上的位移，計算可得三個方向的連接彈簧剛度，計算結果見表1，彈性連接設置見圖9。 2.3、鋁板計算

9、分析參數 如圖10所示，鋁板為正三角形，兩塊板間距均為20 mm，凹槽深50 mm，每排支座間距為1500 mm，板厚為3 mm。 屋面鋁板材料為6063鋁合金，其本構模型如圖11所示，其中縱坐標為應力，計算分析時采納兩折線模型，考慮材料強化階段對結構的影響，其屈服應力為69.2 MPa，屈服應變約為0.001，彈性模量為69 GPa，泊松比為0.33，密度為2.69 g/cm3。 2.4、非線性靜力分析 由非線性靜力分析得到的位移云圖(圖12)可知，位移最大均位于三角形板中間位置，主要沿z軸正方向，且邊緣板比中間板位移大，這是由邊緣板四周約束差造成的。分別選取了邊緣位置板中節(jié)點(紅色曲線)和

10、中間位置板中間節(jié)點(綠色曲線)數據，得到兩點的荷載-位移曲線，如圖13所示。可知：當荷載因子達到0.8(6.4 kN/m2)時，位移不再呈線性增長，增加相同荷載，位移的變化量增大，鋁板產生非線性變形。 由非線性靜力分析得到的應力云圖(圖14)可知，三角形板連接凹槽處應力較大，并首先進入塑性階段，其中三角形板角點處由于應力集中，應力增長較快，此處應力最大。凹槽處連接板由于通過螺栓與下部結構連接，此處連接較弱，屋面三角形板所承受的豎向荷載均通過連接板傳給螺栓，簡單產生應力集中，導致結構破壞。發(fā)生最大位移節(jié)點的應力-應變曲線如圖15所示。 2.5、模態(tài)計算 通過對結構的模態(tài)分析，得到其前5階振型和周

11、期，計算結果見表2，前5階振型見圖16圖20。 可知：隨著振型階數提高，其頻率漸漸增加，周期漸漸削減。總體來說，各階振型結構的變形位置分布整體相像，大部分三角形板都發(fā)生變形。其中第3階和第5階振型中，結構中間的三角板變形較小。第1階和第4階振型中結構變形相對勻稱。 2.6、風壓時程分析 風振時程分析中，風壓時程取自某實際屋蓋結構的風洞試驗數據。結構50年一遇基本風壓為0.5 kPa，模型比例為1/200，參考高度為45 m，采樣頻率為313 Hz。結構表面風向角如圖21所示。選取5個測點數據對結構進行風壓時程分析，這5個測點選自于屋蓋表面風壓極值大的區(qū)域，分別為270風向角G5(1號點)、31

12、5風向角E30(2號點)、270風向角A44(3號點)、300風向角A4(4號點)、90風向角D7(5號點)。將風壓時程轉化為時間-力時程作用于三角形板各個節(jié)點處，分析其在5種時間-力時程作用下的受力及變形。 風壓時程分析時，取試驗數據的前1000步，時間步長為0.04367 s，時間-力函數的縱坐標為作用于節(jié)點的力。270風向角G5測點時間-力函數如圖22所示。 在270風向角G5測點時間-力函數作用下，連續(xù)焊接金屬屋面系統的最大位移響應云圖和最大應力響應云圖如圖23、圖24所示。 采納相同荷載步數和時間步長，分別選取315風向角E30、270風向角A44、300風向角A4、90風向角D7測

13、點處的時間-力函數對屋面板進行風壓動力時程分析，得到與各測點對應的連接處相對位移響應，依據各測點位移響應計算結果得到的結論與270風向角G5測點處相對位移響應基本全都。 由各個測點處的最大位移、應力響應可以看出，當風荷載較小時，鋁板的位移和應力處于較低水平；當荷載持續(xù)增大至肯定程度時，位于屋面板支座兩側的豎向板將領先向外翹起，接著三角形鋁板中部拱起，使得鋁板的邊緣和豎向板反復拉壓，造成此處產生較大的塑性變形，最終導致屋面失效破壞。 連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統是一種新型的屋面板連接體系，其連接牢靠、抗風性能良好，相宜作為大型公共建筑物的圍護結構。本文以連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統屋面鋁板為討論對象，基于MIDAS Fea有限元軟件建立相應的模型，主要討論工作與取得的結論如下： 1)鋁板屋面三角形板連接凹槽處應力較大，且首先進入塑性階段，其中三角形板角點處由于應力集中，應力增長較快，且應力最大。屋面板在凹槽處連接板上采納螺栓與下部結構相連，此處是薄弱環(huán)節(jié)，由于三角形屋面板將其安排到的豎向荷載全部在連接板處傳遞至螺栓上，存在應力集中的問題，故簡單在此處最先發(fā)生破壞。此時連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統的內部構造層依舊完好。因此，若要保證金屬鋁板良好的抗風力量，除了要保證檁條和板型合理外，更要確保緊固件的設計達到牢靠連接。 2)當荷載增大到肯定程度時，在屋面板支座