金屬屋面圍護(hù)系統(tǒng)在40多年前被引進(jìn)我國(guó)，早期主要應(yīng)用在工業(yè)建筑中，近年來(lái)在大型公共建筑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)中得到大力推廣，這一情況的轉(zhuǎn)變從鋁鎂錳直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)的引進(jìn)開(kāi)始。鋁鎂錳直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)因其造型新穎、加工方便、耐久性良好的優(yōu)點(diǎn)，得到了建筑行業(yè)的一致認(rèn)可，在車(chē)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(guò)程中也存在一些問(wèn)題，限制了其自身的進(jìn)一步推廣，也影響了屋面圍護(hù)系統(tǒng)的安全性能。在風(fēng)揭作用下，鋁鎂錳直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)會(huì)因直立支座處的局部破壞導(dǎo)致屋面結(jié)構(gòu)迅速破壞，且使用過(guò)程中還會(huì)因密封性不夠?qū)е侣┧F(xiàn)象，風(fēng)揭和漏水的問(wèn)題始終沒(méi)有徹底的解決方案，成為了困擾相關(guān)技術(shù)人員的兩大頑疾。在風(fēng)力較大的沿海地區(qū)，屋面風(fēng)揭破壞甚至?xí)a(chǎn)生重大經(jīng)濟(jì)損失(圖1)，導(dǎo)致人員傷亡，造成社會(huì)不良影響。
為了保證金屬屋面在建筑行業(yè)得以進(jìn)一步發(fā)展，技術(shù)人員開(kāi)始尋求新的變革方向：通過(guò)改進(jìn)屋面板型設(shè)計(jì)和施工工藝，使圍護(hù)結(jié)構(gòu)能繼續(xù)發(fā)揮傳統(tǒng)直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。即在新的金屬屋面系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用上，盡量繼承直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)通過(guò)利用新型材料、加強(qiáng)抗風(fēng)設(shè)計(jì)原理、改進(jìn)施工工藝等手段，提高建筑圍護(hù)系統(tǒng)的抗風(fēng)、防水性能。
作為新型金屬屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系，連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)由此應(yīng)運(yùn)而生。這種金屬屋面從構(gòu)造上做到了完全密封，真正實(shí)現(xiàn)了屋面防水的性能要求，并且還具備輕質(zhì)高強(qiáng)、便于加工的優(yōu)良特性，通過(guò)焊接使屋面系統(tǒng)各部分實(shí)現(xiàn)可靠連接，進(jìn)而保證了結(jié)構(gòu)在風(fēng)揭作用下的抗風(fēng)承載能力。然而，我國(guó)至今還未有金屬屋面圍護(hù)系統(tǒng)的相關(guān)施工和管理規(guī)范，因此建筑行業(yè)相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)盡快形成整套設(shè)計(jì)、施工、檢查規(guī)范，使得金屬屋面圍護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用走上規(guī)范化、專(zhuān)業(yè)化的道路。因此，行業(yè)內(nèi)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)連續(xù)焊接不銹鋼屋面系統(tǒng)的抗風(fēng)性能研究。本文以連續(xù)焊接不銹鋼屋面系統(tǒng)為研究對(duì)象，建立金屬屋面鋁板數(shù)值模擬分析模型，對(duì)連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)的抗風(fēng)性能進(jìn)行分析，提出了提高屋面抗風(fēng)極限承載力的若干建議，為屋面圍護(hù)體系在實(shí)際工程中的設(shè)計(jì)及應(yīng)用提供參考。
1 屋面構(gòu)造及優(yōu)勢(shì)分析
1.1、金屬屋面構(gòu)造
連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)從里到外由鍍鋅矩形鋼管主次檁條系統(tǒng)、鍍鋁鋅壓型鋼板、無(wú)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(fēng)荷載的是三角形鋁板。上部金屬屋面系統(tǒng)通過(guò)底板實(shí)現(xiàn)與檁條的可靠連接，而檁條被直接焊在屋面網(wǎng)架節(jié)點(diǎn)球上，整個(gè)屋面由此形成整體性和密封性良好的系統(tǒng)。金屬屋面結(jié)構(gòu)三維效果和具體構(gòu)造如圖2、3所示。
1.2、屋面板抗風(fēng)優(yōu)勢(shì)分析
連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用時(shí)有許多優(yōu)勢(shì)，適用于在大型公共建筑物的屋面圍護(hù)結(jié)構(gòu)，其優(yōu)越性可概括如下：1)相鄰屋面板之間通過(guò)焊接連接，從根本上實(shí)現(xiàn)了屋面板的構(gòu)造式密封，為一直困擾著工程界的屋面防水問(wèn)題提供了徹底的解決方案；2)屋面板焊接在與其相連的屋面系統(tǒng)其余構(gòu)件上，區(qū)別于傳統(tǒng)的金屬屋面采用的搭接、相扣、咬合等連接形式，可以通過(guò)效率高、質(zhì)量可靠的自動(dòng)化焊接來(lái)實(shí)現(xiàn)，有效地保證了屋面的抗風(fēng)承載力，極大程度上提升了建筑圍護(hù)系統(tǒng)的安全性能；3)連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)采用的不銹鋼材料耐腐蝕性良好，特別適用于風(fēng)力強(qiáng)、濕度及鹽分高的沿海地區(qū)。綜合以上特點(diǎn)，連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)具有適用性好、耐久性?xún)?yōu)良、后期維護(hù)成本低，性?xún)r(jià)比高的特點(diǎn)，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的金屬屋面體系。
過(guò)去的幾十年間，連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)在歐洲、日本等地歷經(jīng)了不斷發(fā)展與革新，這種屋面系統(tǒng)在應(yīng)用初期暴露出的各種問(wèn)題和安全隱患已經(jīng)得到解決。發(fā)展到現(xiàn)在，如今的連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)擁有先進(jìn)的技術(shù)手段和施工工藝，相應(yīng)的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)也在進(jìn)一步完善中，具備了在實(shí)際公共建筑物中大量推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。目前，連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于日本的沖繩那霸國(guó)際機(jī)場(chǎng)、東京羽田國(guó)際機(jī)場(chǎng)、東京辰已國(guó)際游泳館等建筑中，其使用效果獲得了業(yè)內(nèi)的一致認(rèn)可，沒(méi)有再出現(xiàn)漏水、風(fēng)揭破壞等問(wèn)題。在國(guó)內(nèi)，連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)的應(yīng)用才剛開(kāi)始，有待進(jìn)一步推廣，目前已經(jīng)建成并投入使用的連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)主要有青島膠東國(guó)際機(jī)場(chǎng)航站樓(圖4)、廣州亞運(yùn)城綜合體育館、澳門(mén)北安碼頭等。
2 金屬屋面鋁板有限元分析
2.1、鋁板簡(jiǎn)化分析模型
為分析風(fēng)對(duì)屋面破壞情況，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(wǎng)格時(shí)，為了使模型形成規(guī)則網(wǎng)格，對(duì)固定支座、屋面板、連接角鋼采取分步切割建模，保證接觸位置網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)對(duì)齊(圖5)。由于屋面板為正三角形，網(wǎng)格劃分采用六結(jié)點(diǎn)三角形平面單元，其余部分采用八結(jié)點(diǎn)四邊形平面單元。有限元模型網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖5。
2.2、邊界條件
由于取屋蓋部分結(jié)構(gòu)分析，被分割的屋面板邊緣設(shè)置滑動(dòng)支座，僅允許結(jié)構(gòu)在z向自由移動(dòng)，如圖6所示。
由于不能忽略下部結(jié)構(gòu)對(duì)屋面板的影響，分析時(shí)將下部角鋼通過(guò)支座固定。對(duì)于角鋼與屋面板凹槽的螺栓，使用有限元軟件分析時(shí)不易收斂，且可能產(chǎn)生應(yīng)力奇異，使得計(jì)算結(jié)果不準(zhǔn)確。為更好地進(jìn)行有限元分析，將螺栓連接簡(jiǎn)化為彈性連接，固定支座布置如圖7所示。
由屋面構(gòu)造可知，上部鋁板通過(guò)螺栓與下部角鋼連接，角鋼通過(guò)支座與壓型鋼板連接傳遞荷載。為考慮下部構(gòu)造對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，將下部結(jié)構(gòu)對(duì)鋁板的影響簡(jiǎn)化為三個(gè)方向彈性連接，由于螺栓連接較弱，不考慮轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。取下部結(jié)構(gòu)連接節(jié)點(diǎn)，在x、y、z三個(gè)方向分別施加單位力，如圖8所示，可得到三個(gè)方向上的位移，計(jì)算可得三個(gè)方向的連接彈簧剛度，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1，彈性連接設(shè)置見(jiàn)圖9。
2.3、鋁板計(jì)算分析參數(shù)
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(gòu)模型如圖11所示，其中縱坐標(biāo)為應(yīng)力，計(jì)算分析時(shí)采用兩折線模型，考慮材料強(qiáng)化階段對(duì)結(jié)構(gòu)的影響，其屈服應(yīng)力為69.2 mpa，屈服應(yīng)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，這是由邊緣板周?chē)s束差造成的。分別選取了邊緣位置板中節(jié)點(diǎn)(紅色曲線)和中間位置板中間節(jié)點(diǎn)(綠色曲線)數(shù)據(jù)，得到兩點(diǎn)的荷載-位移曲線，如圖13所示?？芍寒?dāng)荷載因子達(dá)到0.8(6.4 kn/m2)時(shí)，位移不再呈線性增長(zhǎng)，增加相同荷載，位移的變化量增大，鋁板產(chǎn)生非線性變形。
由非線性靜力分析得到的應(yīng)力云圖(圖14)可知，三角形板連接凹槽處應(yīng)力較大，并首先進(jìn)入塑性階段，其中三角形板角點(diǎn)處由于應(yīng)力集中，應(yīng)力增長(zhǎng)較快，此處應(yīng)力最大。凹槽處連接板由于通過(guò)螺栓與下部結(jié)構(gòu)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(guò)連接板傳給螺栓，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。發(fā)生最大位移節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖15所示。
2.5、模態(tài)計(jì)算
通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，得到其前5階振型和周期，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2，前5階振型見(jiàn)圖16～圖20。
可知：隨著振型階數(shù)提高，其頻率逐漸增加，周期逐漸減少。總體來(lái)說(shuō)，各階振型結(jié)構(gòu)的變形位置分布整體相似，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(jié)構(gòu)中間的三角板變形較小。第1階和第4階振型中結(jié)構(gòu)變形相對(duì)均勻。
2.6、風(fēng)壓時(shí)程分析
風(fēng)振時(shí)程分析中，風(fēng)壓時(shí)程取自某實(shí)際屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞試驗(yàn)數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)50年一遇基本風(fēng)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(jié)構(gòu)表面風(fēng)向角如圖21所示。選取5個(gè)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)壓時(shí)程分析，這5個(gè)測(cè)點(diǎn)選自于屋蓋表面風(fēng)壓極值大的區(qū)域，分別為270°風(fēng)向角g5(1號(hào)點(diǎn))、315°風(fēng)向角e30(2號(hào)點(diǎn))、270°風(fēng)向角a44(3號(hào)點(diǎn))、300°風(fēng)向角a4(4號(hào)點(diǎn))、90°風(fēng)向角d7(5號(hào)點(diǎn))。將風(fēng)壓時(shí)程轉(zhuǎn)化為時(shí)間-力時(shí)程作用于三角形板各個(gè)節(jié)點(diǎn)處，分析其在5種時(shí)間-力時(shí)程作用下的受力及變形。
風(fēng)壓時(shí)程分析時(shí)，取試驗(yàn)數(shù)據(jù)的前1000步，時(shí)間步長(zhǎng)為0.04367 s，時(shí)間-力函數(shù)的縱坐標(biāo)為作用于節(jié)點(diǎn)的力。270°風(fēng)向角g5測(cè)點(diǎn)時(shí)間-力函數(shù)如圖22所示。
在270°風(fēng)向角g5測(cè)點(diǎn)時(shí)間-力函數(shù)作用下，連續(xù)焊接金屬屋面系統(tǒng)的最大位移響應(yīng)云圖和最大應(yīng)力響應(yīng)云圖如圖23、圖24所示。
采用相同荷載步數(shù)和時(shí)間步長(zhǎng)，分別選取315°風(fēng)向角e30、270°風(fēng)向角a44、300°風(fēng)向角a4、90°風(fēng)向角d7測(cè)點(diǎn)處的時(shí)間-力函數(shù)對(duì)屋面板進(jìn)行風(fēng)壓動(dòng)力時(shí)程分析，得到與各測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的連接處相對(duì)位移響應(yīng)，根據(jù)各測(cè)點(diǎn)位移響應(yīng)計(jì)算結(jié)果得到的結(jié)論與270°風(fēng)向角g5測(cè)點(diǎn)處相對(duì)位移響應(yīng)基本一致。
由各個(gè)測(cè)點(diǎn)處的最大位移、應(yīng)力響應(yīng)可以看出，當(dāng)風(fēng)荷載較小時(shí)，鋁板的位移和應(yīng)力處于較低水平；當(dāng)荷載持續(xù)增大至一定程度時(shí)，位于屋面板支座兩側(cè)的豎向板將率先向外翹起，接著三角形鋁板中部拱起，使得鋁板的邊緣和豎向板反復(fù)拉壓，造成此處產(chǎn)生較大的塑性變形，最終導(dǎo)致屋面失效破壞。
連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)是一種新型的屋面板連接體系，其連接可靠、抗風(fēng)性能良好，適宜作為大型公共建筑物的圍護(hù)結(jié)構(gòu)。本文以連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)屋面鋁板為研究對(duì)象，基于midas fea有限元軟件建立相應(yīng)的模型，主要研究工作與取得的結(jié)論如下：
1)鋁板屋面三角形板連接凹槽處應(yīng)力較大，且首先進(jìn)入塑性階段，其中三角形板角點(diǎn)處由于應(yīng)力集中，應(yīng)力增長(zhǎng)較快，且應(yīng)力最大。屋面板在凹槽處連接板上采用螺栓與下部結(jié)構(gòu)相連，此處是薄弱環(huán)節(jié)，因?yàn)槿切挝菝姘鍖⑵浞峙涞降呢Q向荷載全部在連接板處傳遞至螺栓上，存在應(yīng)力集中的問(wèn)題，故容易在此處最先發(fā)生破壞。此時(shí)連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)的內(nèi)部構(gòu)造層依然完好。因此，若要保證金屬鋁板良好的抗風(fēng)能力，除了要保證檁條和板型合理外，更要確保緊固件的設(shè)計(jì)達(dá)到可靠連接。
2)當(dāng)荷載增大到一定程度時(shí)，在屋面板支座兩側(cè)的豎向板最先產(chǎn)生向外翹起的塑性變形；荷載再進(jìn)一步增大后，三角形鋁板中部向上拱起，導(dǎo)致鋁板邊緣與支座兩側(cè)的豎向板不斷拉伸、擠壓，最終造成此處等效mises應(yīng)力增長(zhǎng)較快，產(chǎn)生塑性變形，且變形量迅速增大。
3)要加強(qiáng)連續(xù)金屬屋面鋁板的抗風(fēng)性能，不僅應(yīng)采用自身強(qiáng)度高的板材，避免因板中撓度過(guò)大影響其使用性能，還應(yīng)加強(qiáng)凹槽處連接板的螺栓與下部結(jié)構(gòu)連接，避免該處因出現(xiàn)應(yīng)力集中導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過(guò)早破壞，同時(shí)應(yīng)注意金屬屋面鋁板施工質(zhì)量控制，保證鋁板可靠連接。