□ 張宗鑠 □ 陳 亮 □ 呂洪昌 □ 劉占宇 □ 鄭雅如 □ 沈亞超

遼寧忠旺集團有限公司 遼寧遼陽 111003

1 陽光房概述

陽光房也稱為玻璃房,是主要采用玻璃與金屬框架搭建的全透明非傳統(tǒng)建筑,可以達到使用戶享受陽光,親近自然的目的。陽光房是國內(nèi)外追求自然、時尚的人士所推崇的建筑,可以根據(jù)場所使用需求及個人愛好進行設(shè)計和建造,應(yīng)用于戶外餐廳、花園、別墅、商業(yè)展廳等多種場合。目前,國內(nèi)陽光房多采用純鋼結(jié)構(gòu),強度高,但易腐蝕,使用壽命短,并且冬冷夏熱,需要耗費大量能源以保證用戶在房內(nèi)的舒適性。

現(xiàn)代社會能源需求日益緊張,建筑節(jié)能是國家對建筑行業(yè)提出的迫切要求。斷橋鋁合金型材結(jié)構(gòu)具有優(yōu)異的保溫隔熱性能,可以實現(xiàn)節(jié)能降耗的目的。鋁合金質(zhì)量輕,強度高,耐腐蝕,可塑性強,鋁合金制品已在生活中隨處可見,并在航空航天、交通運輸、建筑、機電等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。隨著社會進步和人們對生活品質(zhì)的追求,鋁合金陽光房已受到人們的青睞,不僅高端大氣,而且容易安裝。筆者對斷橋鋁合金陽光房進行結(jié)構(gòu)設(shè)計,并進行仿真分析。

2 設(shè)計參數(shù)

所設(shè)計的斷橋鋁合金陽光房建筑尺寸為7 000 mm×3 300 mm×3 700 mm,為雙坡屋面30°傾斜角設(shè)計。框架主體采用斷橋鋁合金結(jié)構(gòu),配合中空玻璃,以達到保溫隔熱、節(jié)能降耗的目的。根據(jù)建筑結(jié)構(gòu)載荷規(guī)范及鋁合金結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范相關(guān)要求,結(jié)構(gòu)設(shè)計時需確認恒荷載、活荷載參數(shù)信息,活荷載包括風(fēng)荷載、雪荷載。斷橋鋁合金陽光房整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 斷橋鋁合金陽光房整體結(jié)構(gòu)

對雪荷載進行計算,雪荷載標(biāo)準(zhǔn)值Sk為:

Sk=μrSo

(1)

式中:μr為屋面積雪分布因數(shù);So為基本雪壓。

根據(jù)GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》,采用雙坡屋面結(jié)構(gòu),μr為0.85。So以沈陽地區(qū)50 a來最大值為參考,取0.50 kN/m2。計算得Sk為0.425 kN/m2。

對風(fēng)荷載進行計算,風(fēng)荷載標(biāo)準(zhǔn)值wk為:

wk=βzμsμzwo

(2)

式中:βz為高度z處的風(fēng)振因數(shù),對于低于30 m的建筑,可不考慮風(fēng)振影響;μs為風(fēng)荷載體型因數(shù);μz為風(fēng)壓高度變化因數(shù);wo為基本風(fēng)壓。

μz應(yīng)根據(jù)地面粗糙度確定,此處選擇C類,指有密集建筑群的城市市區(qū),取0.65。采用封閉式雙坡屋面結(jié)構(gòu),μs取0。wo以沈陽地區(qū)50 a來最大值為參考,取0.55 kN/m2。計算得wk為0.357 kN/m2。

3 材料

結(jié)合設(shè)計參數(shù)和市場需求,斷橋鋁合金陽光房主體框架結(jié)構(gòu)材料選用6063-T5鋁合金。在建筑五金行業(yè)使用6063鋁合金已經(jīng)非常成熟,主要原因是成本較低,供貨狀態(tài)一般為T5,有利于斷橋型材隔熱條的壓入。斷橋鋁合金陽光房透光結(jié)構(gòu)選用雙層中空玻璃。中空玻璃是一種節(jié)能玻璃,具有良好的隔聲、隔熱性能。材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

4 結(jié)構(gòu)設(shè)計

框架是斷橋鋁合金陽光房的重要組成部分,不僅影響產(chǎn)品重力,而且直接影響產(chǎn)品整體強度、使用壽命、節(jié)能降耗效果。框架型材截面設(shè)計時參考斷橋鋁合金門窗結(jié)構(gòu),通過隔熱材料將鋁合金型材斷開的兩部分連接在一起,形成隔熱橋,以實現(xiàn)斷橋效果,起到保溫隔熱的作用。框架內(nèi)部設(shè)計加強筋結(jié)構(gòu),提高斷橋鋁合金陽光房的整體安全性?？紤]到美觀性,截面設(shè)計凹槽部分,將框架之間的連接螺栓隱藏起來?？蚣苄筒慕孛嫒鐖D2所示。

圖2 框架型材截面

斷橋鋁合金陽光房設(shè)計由框架和中空玻璃門窗組成,整體連接方式采用自攻釘、螺栓連接固定,在連接處涂抹密封膠,防止雨水滲透,無焊接工藝。參考建筑幕墻連接方式,屋頂主副梁之間設(shè)計采用不銹鋼彈簧插銷連接,簡化安裝步驟,降低成本。副梁截面如圖3所示,主副梁連接節(jié)點如圖4所示?？紤]需要在戶外使用,設(shè)計水槽落水系統(tǒng)及入門防雨結(jié)構(gòu)設(shè)施。斷橋鋁合金陽光房部分節(jié)點及截面如圖5所示。

圖3 副梁截面

圖4 主副梁連接節(jié)點

圖5 斷橋鋁合金陽光房部分節(jié)點及截面

5 仿真分析

根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和陽光房實際使用情況,對斷橋鋁合金陽光房的結(jié)構(gòu)進行仿真分析,設(shè)置自重、風(fēng)荷載、雪荷載荷載組合工況,以驗證斷橋鋁合金陽光房結(jié)構(gòu)是否滿足使用要求。荷載組合工況見表2,g為重力加速度。

表2 荷載組合工況

斷橋鋁合金陽光房在荷載組合工況下應(yīng)力云圖如圖6所示,位移云圖如圖7所示。

圖6 荷載組合工況應(yīng)力云圖

圖7 荷載組合工況位移云圖

分析結(jié)果表明,在荷載組合工況下,框架最大應(yīng)力為102.69 MPa,位于角柱頂端,未超過材料的屈服強度,滿足強度要求。雨棚前沿水槽中部位移為7.86 mm,沿風(fēng)荷載作用方向的分量為7.75 mm。前梁中部位移為5.99 mm,沿風(fēng)荷載作用方向的分量為5.98 mm。風(fēng)荷載位移效應(yīng)相對較大,但所有變形均在彈性變形范圍內(nèi)。綜合以上分析結(jié)果,所設(shè)計的斷橋鋁合金陽光房滿足陽光房的使用要求,切實可行。

6 市場分析

隨著我國城市化不斷推進,住房消費升級,城市間人口遷移增加,人們對于居住環(huán)境的要求和品位不斷提升,我國房地產(chǎn)需求規(guī)模逐年擴大,為陽光房行業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了大量市場機遇。2020年,我國商品房銷售面積為17.6億m2,比2019年增長2.6%,別墅、帶露臺住宅、帶花園住宅約占我國商品房銷售面積的6%,陽光房市場前景廣闊。另一方面,房地產(chǎn)開發(fā)商感受到來自市場的壓力,對房型的設(shè)計趨向于半開放、大陽臺,為陽光房行業(yè)的發(fā)展提供了充足的市場空間。由此可見,斷橋鋁合金陽光房的市場潛力較大,具有推廣價值。

7 結(jié)束語

所設(shè)計的斷橋鋁合金陽光房具有質(zhì)量輕、強度高、耐腐蝕、安裝簡易、成本低、使用壽命長等優(yōu)點,能夠?qū)崿F(xiàn)冬暖夏涼、節(jié)能降耗的功能。筆者通過結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真分析,確認斷橋鋁合金陽光房滿足陽光房實際使用強度要求。鋁合金是一種綠色環(huán)保資源,回收殘值大,鋁合金結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)鋼架結(jié)構(gòu),未來將有更加廣闊的市場前景。由市場分析可知,所設(shè)計的斷橋鋁合金陽光房市場潛力較大,具有推廣價值。