直立锁边屋面系统抗风承载能力研究

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1、直立锁边屋面系统抗风承载能力研究1引言1.1直立锁边金属屋面的应用现状在工程实际应用当中，直立锁边点支承屋面系统是压型金域面板通过专用设备或手工咬合工艺，依次将其相邻立边和T形支托相对咬合后，连接到支承结构的屋面系统，这种系统主要适用范围是大跨度向支承式封闭结构体系。系统本身的性能卓越：在防水性能上，通长的屋面板上没有螺钉外露、没有任何穿孔，利用直立锁边机将直立锁缝处和直立固定座的梅花头进行紧密的机械咬合，消除了传统压型钢板问题上存在的漏水隐患；镁招猛合金板可以在施工现场根据需要生产各种长度的屋面板，从而避免了屋面板在长度方向上的搭接缝，减少了这部分因素导致淘水的可能性；在整体屋面防水构造中

2、，在直立锁缝处设有反毛细四糟，使卷助处大耳与小耳之间形成的防水空腔减小积水的表面张力，进而有效减少了毛细水沿着卷助空隙进入到屋面系统内部的可能性。在抗变形能力上，面板和支座之间能够实现在板长边方向上的滑动，面板和支座间的构造能有效地吸收屋面板因热胀冷缩产生的变形，不会产生明显的温度应力；在面板宽度方向设有凸起的板助，能够有效的克制屋面板的横向变形，另外板可以以支座为轴在板宽方向上自由转动，从而消除板在宽度方向的温度应力，有效解决其温度变形问题。除了防水密闭性能和良好的结构性能之外，直立锁边金属屋面系统屋面板材实用性也使其得到了越来越多设计者的喜爱。在屋面板板长方面，金属面板采用现场压制成型的

3、制作工艺，可以现场生产各种长度的板材，减少了运输成本；多样化的板面形式也是该类屋面系统的另一大优势，可以生产出各种弧线、甚至是扇形板面，能够满足各类建筑物屋面形式的需求目前国内外很多大型的铁路站房、机场航站楼、大型会展中心等大型建筑使用直立锁边屋面系统，此类屋面系统应用十分广泛，现列举一些代表性的建筑如图1-3所示。..1.2金属屋面的受力性能研究目前关于直立锁边屋面体系受力性能的理论分析比较少，对于该类结构体系的研究主要集中在结构试验方法测定和有限元数值模拟两方面。在幵展屋面系统抗风承载能力研究工作中，国外很多学者都对其进行了试验研究：J.J.delCozDiaz等通过ANSYS建模研究金

4、属屋面的空气压力分担情况，并与风洞试验结果进行对比研究，提出金属屋面上表面的吸力是横向气流情况下的最不利情形；SchroterRC等人进行了金属屋面板静载空气压力试验，测定了某一类型金属屋面的抗风承载能力；SinnoR于20世纪初期在Mississippi州立大学进行了钢屋面板空气动力学试验，测定屋面受力性能情况。随着国外学者对屋面系统的抗风承载试验能力研究的开展，逐渐形成了关于屋面抗风的标准试验方法：美国的ANSI/FM44742004《用静态正压或负压法进行屋面系统的抗风揭试验方法》和欧洲的ETAG006:2007《机械固定柔性屋面防水卷材系统的欧洲技术认证指南》，并且前者已经得到北美、

5、欧洲和亚洲许多国家的认可，目前屋面抗风试验设计方法己逐渐走向规范化和标准化。在开展了屋面抗风试验研究的基础上，E1592，制定了屋面各类组件抗风分析的安全因数：檩条屈曲安全因数是1.3,连接附件的风力加载安全因数是2.25等；Murray等通过重新验算Farquhar的研究内容发现，由于抗风夹安置位置不当造成ASCE7-05的计算过于保守，提出了抗风夹布置规定细则。单纯依靠试验进行屋面抗风研究固然能确定抗风极限数值，但是各类型、各几何尺寸的屋面系统均需单独开展结构试验进行相关受力性能的测定。2直立锁边屋面抗风性能的有限元分析2.1有限元建模思路直立锁边屋面系统在受到风吸力作用时，整体板面在跨

6、中位置会出现比较大的竖向晓度，跨中竖向晓度的变化一方面能反映屋面系统的受力性能，另一方面烧度数值较大，能减少试验过程中位移测定的相对误差，因此开展静力加载试验时往往将其作为重要的物理量进行测定。为了将有限元计算分析的结果和试验进行对比验证，必须建立和静载试验相同的屋面整体模型进行分析。假如利用接触理论模拟实际卷边与支座处接触状态，建立整体屋面系统有限元模型，不定边界的接触问题伴随着整体屋面庞大的网格数目会带来巨大的计算量，计算过程不易收敛，不易得到抗风承载能力极限数值。因此考虑分层次对屋面系统进行有限元分析：在考虑整体屋面系统受力规律时，利用支座处简化模型观测跨中位置变形情况，与试验数值进行

7、对比，并以支座处卷助卡口横向间距的变化规律，快速得到抗风承载能力极限值；在研究金属卷边处受力破坏机理时，使用支座处精细化模型模拟，通过接触状态的改变判定实际工程中受力状态的变化。多尺度的建模方式各有其研究的重点，并且两种尺度模型分析结果能够相互补充和验证。另外，在后续幵展参数化分析的研究中，精细化模型对于卷边处局部参量的分析更加准确，简化模型对于屋面檁条间距、屋面板厚度等参量的分析更加方便，两者结合才能比较全