閆小杰， 朱召泉

(河海大學(xué) 土木與交通工程學(xué)院，江蘇 南京210098)

近年來(lái)，隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，壓型金屬屋面板在建(構(gòu))筑屋面系統(tǒng)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。鋼結(jié)構(gòu)具有可工廠化制作，減少現(xiàn)場(chǎng)施工的工作量，施工周期短，結(jié)構(gòu)性能好，成本造價(jià)較低，抗震抗風(fēng)性能良好等。

國(guó)內(nèi)外對(duì)壓型鋼板的實(shí)驗(yàn)都有但沒(méi)有統(tǒng)一的規(guī)定，我國(guó)在1988 年出臺(tái)了《壓型鋼板設(shè)計(jì)施工規(guī)范》(YB1216-88)，而在2003 年開(kāi)始實(shí)施《冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范》(GB50018-2002)［1］。作為在冷彎薄壁型鋼領(lǐng)域研究較早的美國(guó)，AISI 規(guī)范也提出了較統(tǒng)一的計(jì)算法則，規(guī)范大致上表明壓型鋼板在未發(fā)生強(qiáng)度破壞時(shí)已經(jīng)發(fā)生了結(jié)構(gòu)失穩(wěn)。

文中建立不同壓型鋼板的有限元模型，考慮材料非線性對(duì)屋面板的抗風(fēng)性能進(jìn)行數(shù)值模擬，研究其破壞方式和荷載-位移的走勢(shì)及規(guī)律，獲得哪種壓型鋼板與荷載的最佳方式，為施工設(shè)計(jì)人員提供經(jīng)濟(jì)合理的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。

1 有限元建模方法

1.1 研究對(duì)象

實(shí)際工程中的鋼結(jié)構(gòu)屋面板的型式多種多樣，為了便于與已有的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析，取3 種常用型號(hào)的壓型鋼板(見(jiàn)表1)。

3 種壓型鋼板的型號(hào)分別為編號(hào)1:YX35-215-860(V-215)型壓型鋼板;編號(hào)2:YX15-135-810型壓型鋼板;編號(hào)3:YX35-125-750 壓型鋼板。這3種型號(hào)的壓型鋼板展開(kāi)長(zhǎng)度相同，同時(shí)3 種壓型鋼板的有效寬度相近，有利于建模方便。

表1 不同型號(hào)的壓型鋼板Tab.1 Different types of the pressure plates

1.2 材料特性

壓型鋼板:薄鋼板［2］經(jīng)冷壓或冷軋成型的鋼材。鋼板采用有機(jī)涂層薄鋼板(或稱彩色鋼板)、鍍鋅薄鋼板、防腐薄鋼板(含石棉瀝青層)或其他薄鋼板等［3］。

實(shí)際工程中鋼結(jié)構(gòu)屋面板很少發(fā)生強(qiáng)度破壞，氣流在屋面兩個(gè)上風(fēng)邊緣線處易形成錐形渦［4］，這將產(chǎn)生很大的局部負(fù)壓，常會(huì)引起屋面破壞。文中取鋼板的本構(gòu)關(guān)系為三折線彈塑性模型，如圖1所示。

1.3 Ansys 建模

1.3.1 模型簡(jiǎn)化 由于實(shí)際結(jié)構(gòu)往往較為復(fù)雜，用Ansys 建模時(shí)進(jìn)行了一些簡(jiǎn)單的處理:在建立有限元模型及分析時(shí)，不考慮模型自重、不考慮自攻螺釘?shù)淖饔昧?3 種壓型鋼板的有效寬度都取平均值，把螺釘和板作為一個(gè)整體考慮。

1.3.2 單元選取及網(wǎng)格劃分 針對(duì)本模型的幾何特性，鋼板選用SOLID45 單元;使用COMBIN14 彈簧單元模擬相鄰部分壓型鋼板的相互約束，對(duì)鋼板采用映射網(wǎng)格劃分［5］。

圖1 壓型鋼板材料的本構(gòu)關(guān)系Fig.1 Constitutive relation map of the pressure plate materials

1.3.3 邊界條件 模型約束均施加在節(jié)點(diǎn)上，考慮相鄰部分壓型鋼板的相互約束，在鋼材四角施加垂直于板邊的面內(nèi)約束，彈簧剛度取K = EA/l。在鋼板頂面所有節(jié)點(diǎn)處施加Z 軸正向的面荷載。3 種壓型鋼板模型的長(zhǎng)度和有效寬度相同，如圖2 所示。

圖2 整體模型加載及邊界情況Fig.2 Loads and the boundary conditions of the overall model

2 計(jì)算結(jié)果分析

屋面的結(jié)構(gòu)破壞與板厚有直接關(guān)系，所以厚度前文已經(jīng)統(tǒng)一為0.9 mm，有效寬度取810 mm，長(zhǎng)度設(shè)為1 000 mm，文中以Ansys 可以收斂的最大荷載作為屋面強(qiáng)度破壞的極限荷載，通常在極限荷載作用下壓型鋼板都會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度破壞。在發(fā)生強(qiáng)度破壞之前屋蓋的壓型鋼板的位移已經(jīng)超過(guò)規(guī)范要求。通過(guò)屋面壓型鋼板破壞前的位移-荷載曲線判定壓型鋼板的優(yōu)劣。

荷載-位移的計(jì)算曲線編號(hào)1，2，3 分別表示兩條邊的中點(diǎn)位移數(shù)據(jù)和板中心的數(shù)據(jù)，由于模型對(duì)稱，所以只計(jì)算兩條邊。4 號(hào)線表示三者數(shù)據(jù)平均荷載-位移曲線，如圖3 ～圖5 所示(其中，P 為Ansys施加的荷載;Uz為壓型鋼板的位移)。

由編號(hào)1，2，3 的荷載-位移曲線趨勢(shì)得到，在沒(méi)有發(fā)生強(qiáng)度破壞的情況下，曲線大致呈直線上升，所以只要比較相同荷載下，各種壓型鋼板的位移就可以明顯知道各種壓型鋼板的抗風(fēng)性能(見(jiàn)表2)。

圖3 編號(hào)1 的平均荷載-位移曲線Fig.3 Average load-displacement curve of 1

圖4 編號(hào)2 的平均荷載-位移曲線Fig.4 Average load-displacement curve of 2

圖5 編號(hào)3 的平均荷-載位移曲線Fig.5 Average load-displacement curve of 3

表2 不同型號(hào)壓型鋼板的荷載-位移Tab.2 Different types of pressure plate loaddisplacement

3 結(jié) 語(yǔ)

采用Ansys 軟件對(duì)編號(hào)1，2，3 壓型鋼板的抗風(fēng)性能進(jìn)行分析，得出以下結(jié)論:

1)由已經(jīng)做過(guò)的壓型鋼板的實(shí)驗(yàn)［6］可知，利用有限元分析軟件Ansys 模擬壓型鋼板抗風(fēng)性能是可行的。實(shí)體建模、彈塑性分析以及接觸分析的運(yùn)用可較好地模擬其抗風(fēng)性能，在連接強(qiáng)度以及荷載-位移曲線走勢(shì)的規(guī)律上與國(guó)家規(guī)范吻合較好。

2)當(dāng)3 種壓型鋼板的厚度相同時(shí)，材料強(qiáng)度也相同，在沒(méi)有達(dá)到強(qiáng)度破壞和結(jié)構(gòu)破壞之前，可從文獻(xiàn)6 中獲知。

模擬和實(shí)驗(yàn)中存在的不同之處，差別小于5%，3 號(hào)的抗風(fēng)性能優(yōu)于2 號(hào)和1 號(hào)，1 號(hào)和2 號(hào)的抗風(fēng)性能基本相同，所以在實(shí)際工程可以按價(jià)格的高低判斷。

［1］湖北省發(fā)展計(jì)劃委員會(huì).GB50018-2002 冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)技術(shù)規(guī)范［S］.北京:中國(guó)計(jì)劃出版社，2002.

［2］Fan L. Finite element modelling of single lap screw connections in steel sheeting under static shear［J］. Thin-wall Structure，1997，27:2.

［3］魏云波，劉浩.金屬屋面板抗風(fēng)吸力性能試驗(yàn)裝置與試驗(yàn)方法［R］.北京:中冶建筑研究總院有限公司，2009.

［4］克萊斯·迪爾比耶.結(jié)構(gòu)風(fēng)荷載作用［M］.薛素鐸，李雄彥，譯.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006.

［5］王新敏.Ansys 工程結(jié)構(gòu)數(shù)值分析［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［6］羨永彪，朱志遠(yuǎn).單層屋面系統(tǒng)抗風(fēng)揭試驗(yàn)及其應(yīng)用［J］.中國(guó)建筑防水，2010(增刊1):55-59.

XIAN Yongbiao，ZHU Zhiyuan. Single roof system wind load test and its application［J］. China Building Waterproofing，2010(Suppl.1):55-59.(in Chinese)