輕型金屬屋面板及其連接件抗風(fēng)承載性能

1、輕型金屬屋面板及其連接件抗風(fēng)承載性能羅永峰概要輕型金屬屋面系統(tǒng)應(yīng)用簡(jiǎn)介屋面系統(tǒng)風(fēng)吸破壞形式及其原因屋面板系統(tǒng)抗風(fēng)性能分析方法研究現(xiàn)狀與進(jìn)展結(jié)語(yǔ)輕型金屬屋面系統(tǒng)應(yīng)用簡(jiǎn)介幾種常見(jiàn)的金屬屋面系統(tǒng)：壓型鋼板屋面系統(tǒng)鋁合金屋面系統(tǒng)鋅合金屋面系統(tǒng)壓型鋼板典型板型鋁合金板型鋁合金屋面系統(tǒng)構(gòu)造鋅合金屋面系統(tǒng)構(gòu)造壓型鋼板屋面系統(tǒng)構(gòu)造壓型鋼板屋面系統(tǒng)色彩艷麗重量輕力學(xué)性能好使用壽命長(zhǎng)加工速度快鋁合金屋面系統(tǒng)質(zhì)量更輕耐久性好防腐能力適應(yīng)性極強(qiáng)自潔性鋅合金屋面系統(tǒng)輕質(zhì)高強(qiáng)易加工成型防腐性能更強(qiáng)使用壽命長(zhǎng)搭接連接構(gòu)造咬邊連接構(gòu)造扣合連接構(gòu)造直立鎖邊點(diǎn)支撐連接構(gòu)造存在的問(wèn)題：研究滯后于應(yīng)用設(shè)計(jì)與施工標(biāo)準(zhǔn)不完善設(shè)計(jì)計(jì)算不合

2、理、不準(zhǔn)確連接構(gòu)造不甚合理設(shè)計(jì)者？存在的問(wèn)題：輕型金屬屋面常見(jiàn)的風(fēng)災(zāi)破壞情況設(shè)計(jì)不合理施工不完善工程事故屋面系統(tǒng)風(fēng)吸破壞形式及其原因T型支托破壞面板與支托連接破壞屋面板局部破壞屋面板掀起破壞屋面系統(tǒng)破壞特征：屋面系統(tǒng)破壞屋面板掀起破壞破壞模式：屋面板在風(fēng)荷載作用下掀開(kāi)，導(dǎo)致屋面大面積或整個(gè)屋面失效。失效原因：支托偏少； 或風(fēng)荷載過(guò)大。屋面板掀開(kāi)T形支托破壞破壞模式：T形支托強(qiáng)度破壞受拉破壞 (兩側(cè)屋面板均勻受力)受彎破壞 (兩側(cè)屋面板不均勻受力)連接螺釘拔出 失效原因：T形支托承載力不足； 或螺釘連接承載力不足自攻螺釘拔出面板與支托連接破壞 屋面板脫離支托破壞模式：屋面板脫離支托失效原因：屋面

3、板與支托間連接承載力不足，連接構(gòu)造不盡合理導(dǎo)致屋面板脫離。屋面板局部破壞 屋面板撕裂破壞模式：屋面板由于達(dá)到極限強(qiáng)度而撕裂破壞。通常出現(xiàn)在有抗風(fēng)夾具的屋面中，且位于抗風(fēng)夾具一側(cè)或兩側(cè)。失效原因：屋面板強(qiáng)度不足； 抗風(fēng)夾具偏少。金屬屋面板系統(tǒng)抗風(fēng)性能分析方法屋面系統(tǒng)構(gòu)造示意圖某機(jī)場(chǎng)航站樓長(zhǎng)806m，最大寬度159m。 屋面板采用目前廣泛應(yīng)用的直立鎖邊點(diǎn)支承連接形式實(shí)際工程概況：屋面板材料：AA3004鋁鎂錳合金板鋁合金T形支托材料：6061-T6 T形支托橫向間距0.4m，縱向間距1.5m。T形支托和屋面板尺寸屋面風(fēng)荷載屋面各區(qū)域最大風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）3.2分析方法與思路屋面板及連接系統(tǒng)抗風(fēng)

4、承載性能數(shù)值分析： 要計(jì)算獲得屋面系統(tǒng)的抗風(fēng)極限承載力，必須正確模擬屋面板系統(tǒng)在風(fēng)荷載作用下的失效模式。 在進(jìn)行屋面板系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型計(jì)算分析時(shí)，可采用兩步分析方法，以準(zhǔn)確模擬和計(jì)算其受力性能。3.2建立單塊屋面板計(jì)算模型，計(jì)算得到風(fēng)荷載-屋面板跨中撓度關(guān)系曲線Step 1根據(jù)屋面板風(fēng)荷載-跨中撓度曲線，確定屋面板系統(tǒng)抗風(fēng)承載力Step 3計(jì)算步驟建立屋面板系統(tǒng)簡(jiǎn)化模型，對(duì)屋面板施加豎向位移，根據(jù)抗風(fēng)失效模式，得到豎向位移極限值Step 2Step 1采用有限應(yīng)變殼單元法向自由度約束切向彈簧約束屋面板計(jì)算模型單塊屋面板模型風(fēng)荷載-撓度關(guān)系摩擦力：f = N彈簧內(nèi)力： F = ku彈簧剛度：k=N/

5、u屋面板材料本構(gòu)模型屋面板跨中荷載-撓度關(guān)系曲線三個(gè)不同彈簧剛度： k=16kN/m、21kN/m、32kN/m 風(fēng)荷載超過(guò)2.3kPa后，曲線斜率突然增大；但面板內(nèi)不斷增大的橫向拉應(yīng)力抑制了板的彎曲。屋面板全截面屈服風(fēng)荷載達(dá)到2.3kPa，板內(nèi)應(yīng)力彈簧剛度的影響不同工況屋面板在風(fēng)荷載作用下跨中豎向變形Step 2屋面連接構(gòu)造豎向極限位移抗風(fēng)失效模式1) 屋面板與T形支托間連接失效 即屋面板滑出。在風(fēng)吸力作用下，屋面板跨中上拱，板肋頂部卷邊沿T形支托圓角弧面向外滑移?；屏窟^(guò)大，面板卷邊將脫離支托?？癸L(fēng)失效模式2) 屋面板損壞 屋面板在風(fēng)吸力下屈服或產(chǎn)生過(guò)大的變形3) T形支托與檁條間連接失效

6、 固定T形支托的螺釘受拉破壞4) T形支托損壞 T形支托在風(fēng)吸力作用下破壞取半邊對(duì)稱結(jié)構(gòu)采用平面應(yīng)變單元面面接觸關(guān)系節(jié)點(diǎn)耦合關(guān)系摩擦系數(shù) 0.1半邊對(duì)稱模型模型約束連接卡口示意圖數(shù)值分析模型屋面板跨中撓度與卡口A、B兩點(diǎn)間距的關(guān)系曲線屋面連接抗風(fēng)承載力分析屋面抗風(fēng)連接變形面板跨中最大豎向變形量約：99.58mm對(duì)應(yīng)的極限風(fēng)荷載：2.03kPa屋面板滑出失效屋面板應(yīng)力分布面板屈服對(duì)應(yīng)的極限風(fēng)荷載：2.30kPa屋面板屈服失效屋面板初始屈服時(shí)對(duì)應(yīng)的風(fēng)荷載T形支托抗風(fēng)分析不同區(qū)域T形支托在不同工況下的荷載q、q1、q2為接觸面法向荷載，f、f1、f2為接觸面切向荷載。自攻螺釘形心受力情況 T形支托采

7、用的自攻螺釘規(guī)格為M5.53.8，其最小破壞力矩為10kNm (9.415kNm)。 不先于屋面板失效。T形支托與檁條間連接失效自攻螺釘破壞不同區(qū)域T形支托在不同工況下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果T形支托失效分析T形支托兩側(cè)面風(fēng)載相同T形支托應(yīng)力與變形應(yīng)力變形T形支托兩側(cè)面風(fēng)載不同T形支托應(yīng)力與變形應(yīng)力變形T形支托單側(cè)受力T形支托應(yīng)力與變形應(yīng)力變形T形支托應(yīng)力與變形 中間區(qū)域：T形支托在各工況下最大應(yīng)力均不超過(guò)屈服強(qiáng)度； 邊緣區(qū)域：T形支托在各工況下最大應(yīng)力均不超過(guò)屈服強(qiáng)度； 邊緣區(qū)域非邊緣區(qū)域：T形支托在各工況下的應(yīng)力均較大，特別當(dāng)T形支托單側(cè)受力時(shí)，最大應(yīng)力已經(jīng)超過(guò)屈服應(yīng)力。屋面系統(tǒng)抗風(fēng)失效模式 風(fēng)荷載

8、達(dá)到2.03kPa時(shí)，屋面系統(tǒng)抗風(fēng)失效 失效模式為屋面板與T形支托間連接失效 各構(gòu)件強(qiáng)度利用不充分摩擦系數(shù)的影響卡口間距與跨中撓度的關(guān)系曲線不同摩擦系數(shù)屋面系統(tǒng)抗風(fēng)承載性能研究現(xiàn)狀與進(jìn)展試驗(yàn)與理論研究：國(guó)外始于1997年，A. Baskaran等 國(guó)內(nèi)始于2003年，同濟(jì)、清華、 浙工大、卓思港澳認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)：建築金屬圍護(hù)系統(tǒng)檢測(cè)與認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn) MCIS-MBE-05:2013大陸地區(qū)規(guī)程：正在編制，即將頒布美國(guó)認(rèn)證機(jī)構(gòu)：ASTM (American Society for Testing and Materials 即美國(guó)實(shí)驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)) FM (FM=Factory Mutual 即工廠聯(lián)合保險(xiǎn)商協(xié)會(huì)) UL (Underwriter Laboratories Inc. 即保險(xiǎn)商試驗(yàn)所)尚需研究：合理的簡(jiǎn)化模型； 簡(jiǎn)單實(shí)用的設(shè)計(jì)公式； 精確的數(shù)值計(jì)算方法； 合理準(zhǔn)確的試驗(yàn)驗(yàn)證。珠海卓思試驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范：目前，不完善；設(shè)計(jì)計(jì)算方法粗糙結(jié)語(yǔ)進(jìn)行屋面板