金属屋面板风吸力下变形特性研究_宋云浩.pdf
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1、第 45 卷 第 17 期 2015 年 9 月上建筑结构 Building StructureVol 45 No 17 Sep 2015金属屋面板风吸力下变形特性研究*宋云浩1, 杨丽曼1, 王乾锁2, 李彦希2( 1 北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院,北京 100191;2 森特士兴集团股份有限公司,北京 100176) 摘要 以直立锁边金属屋面板为研究对象, 根据连接情况将其简化为一对边简支、 一对边自由矩形薄板进行理论计算分析; 进而建立足尺模型, 准确描述直立锁边金属屋面板几何结构和连接方式, 通过进行静力有限元分析,得到了不同风吸力下直立锁边金属屋面板挠度和应力分布情况,
2、并与理论计算值和试验值进行对比。分析结果表明, 有限元分析结果与实际情况更为接近, 由于其快速、 直观, 可作为大量重复性试验的替代和补充方案。 关键词 金属屋面板;变形特性;理论计算;有限元分析中图分类号: TU311文献标识码: A文章编号: 1002- 848X( 2015) 17- 0087- 05Deformation characteristic study of metal roof panel under wind uplift loadingSong Yunhao1,Yang Liman1,Wang Qiansuo2,Li Yanxi2( 1 School of Automa
3、tion Science and Electrical Engineering,Beihang University,Beijing 100191,China;2 Center INT Group International Company Limited,Beijing 100176,China)Abstract: The standing seam metals roof panels were simplified to a rectangular thin plate with opposite simply- supportededges and opposite free edge
4、s according to the connection and theoretical calculation and analysis were carried out Afull- scale model was set up to accurately describe the geometric structure and connection mode of the standing seam metalroof panel Through the static finite element analysis,deflection and stress distribution
5、of the standing seam metal roofpanel under different wind uplift loadings were obtained and compared with the theoretical calculation values and testvalues Analyses results show that finite element analysis results are closer to the results of the actual situation Due toproperties of fast and intuit
6、ive,finite element analysis can be a alternative or complementary scheme for a large number ofrepetitive testsKeywords: metal roof panel;deformation characteristic;theoretical calculation;finite element analysis* 国家自然科学基金资助项目( 61004024) 。 作者简介: 宋云浩, 硕士研究生, Email:songyunhao1989163 com。0引言金属屋面系统以其强度高、
7、 质量轻、 造型独特和设计灵活等优点被广泛应用于火车站、 机场航站楼、体育场馆、 生产厂房、 物流仓库等建筑的屋面围护系 统中。直立锁边点支撑是一种典型的铝合金屋面结构形式, 相邻屋面板的立边咬合形成密合的连接, 支 座一端套在咬合缝中, 另一端固定在檩条上1 。在 强风活动频繁的地区, 强风经常造成金属屋面板扣合连接松动和脱离、 板材变形甚至屋面板被掀飞等损坏, 对于厂房、 车站、 飞机航站楼等实时运转场所, 会带来巨大的经济损失2, 3 。因此, 在板材的关键 部位布置传感器构建金属屋面健康监测( Structural Health Monitoring) 系统, 对可能发生的破坏进行预警
8、和预先维护具有重要的社会和经济价值。在进行屋面健康监测之前需要对金属屋面板处于风吸力作用下的变形特性进行研究, 以便确定监测量以及制定监测方案, 并为金属屋面板的健康评估和维护预警提供数据模型。传统的曲面检测的方法有三坐标测量机、 结构光法、 激光三角形法、 CT 扫描法、 CCD 摄像检测法、数字移相法4 等, 主要应用于被测对象的静态曲面的检测, 并且构建检测系统复杂, 不利于金属屋面板的实时动态监测。比较先进的布拉格光纤光栅传感器对于曲面变形检测卓有成效, 但是此种方法应用的光纤光栅解调仪属于大型设备, 价格昂贵, 不适合实际工程大量现场应用。考虑到金属屋面板的变形势必会引起屋面板偏离原
9、来的平面, 因此会引起面板在竖直方向的挠度变化, 这样就可以通过监测关键部位的位移量来监测金属屋面板的变形, 但这些关键部位设置的传感器阈值需要通过对金属屋面板的变形特性分析来确定。传统的分析方法是根据建筑幕墙气密、 水密、抗风压性能检测方法 ( GB/T 152272007) 对金属屋面板进行抗风揭试验、 对金属屋面板处于不同风吸力作用下的变形情况进行监测的。孙成疆5 依据美国 FM4471 标准中有关抗风揭试验的标准对直立锁边金属屋面系统进行了抗风揭能力测试, 但由建筑结构2015 年于重复性的试验成本高且耗时耗力, 因此本文提出采用理论计算和有限元仿真两种方法对金属屋面板在不同风吸力下的
10、变形特性进行分析, 并与试验数据进行了对比。石景等1 进行了直立锁缝金属屋面系统的有限元仿真计算, 但此有限元仿真未对固定支座进行建模, 而是在建模时采用弹簧模拟支座对屋面板的约束来进行简化。本文将直立锁边金属屋面板( 简称屋面板) 简化成一对边简支、 一对边自由的矩形薄板模型进行理论计算, 得到屋面板在不同压力下的挠度函数, 可由函数确定屋面板的最大变形量。进而建立金属屋面系统足尺模型, 准确描述其几何结构和连接方式,进行不同风吸力下的静力结构有限元分析, 更为准确直观地展现屋面板在任意风吸力下的变形情况以及应力分布, 并对屋面板的变形和应力进行了分析。 1屋面板受力变形理论分析1. 1 屋
11、面板简化模型分析两块屋面板锁合在支座上的整体图如图 1 所示。梅花头处屋面板的连接形式如图 2 所示。当屋面板受风吸力作用, 宽度方向中间隆起时, 屋面板立边会向中间靠拢, 如图 2( a) 弯曲箭头所示, 而锁合边紧紧地锁合在支座上, 如图 2( a) 所示, 相当于宽度方向两侧为简支。由于屋面板长度方向两侧对称, 没有任何约束, 相当于自由边, 因此将屋面板简化为一对边简支、 一对边自由的矩形薄板, 然后对其进行受力理论分析。图 1屋面板装配整体图图 2梅花头处连接情况1. 2 矩形薄板挠度方程及求解矩形薄板挠度基本控制微分方程6, 7 为:4wx4+ 24wx2y2+4wy4=q D(
12、1)式中: w, q 分别为板的挠度和作用于板面上的外力荷载; D 为板的抗弯刚度, D =Eh3 12( 1 2), 其中 E, ,h 分别为板的弹性模量、 泊松比和厚度。简化模型为一对边简支、 一对边自由, 承受均布荷载作用的模型, 如图 3 所示。图 3一对边简支、 一对边自由矩形薄板一对边简支、 一对边自由矩形薄板的边界条件8, 9 为:( 1) 自由边: x = 0 或 x = a 时, Mx=0, Vx=0:Mx= D(2wx2+ 2wy2)( 2)Vx= D3wx3+ ( 2 )3w xy2( 3)式中 Mx, Vx分别为沿坐标轴 x 方向的弯矩和剪力。( 2) 简支边: y =
13、 0 或 y = b 时, =0,2wy2=0。令整个系统的总势能 为: = U + W( 4) 外力势能 W 为:W = gwdxdy( 5)式中 g 为重力加速度。系统的弹性变形势能 U 为:U =D 2 w2xx+ w2yy+ 2wxxwyy+ 2( 1 ) w2xy dxdy( 6)式中: wxx, wyy, wxy分别为挠度 w 对相应下标的偏导数, wxx, wyy为板的曲率, wxy为板的扭率。 根据里兹法, 弹性薄板在稳定平衡时, 其总势能最小10 : = 0( 7)选取如下分离变量形式的多项式挠度函数: w = X( x) Y( y)( 8)为满足边界条件, 选择:88第 4
14、5 卷 第 17 期宋云浩, 等 金属屋面板风吸力下变形特性研究Y( y)=(y b 2y3 b3+y4 b4)+ (y b7 6y3b3+1 6y7b7)=2y b19 6y3b3+y4 b4+1 6y7b7( 9)为满足自由边的边界条件, 只需要满足下列条件即可。x = 0 或 x = a 时:d2x dx2= 0( 10)于是令:X( x)= c1+ c2(xa 2x3 a3+x4 a4)( 11)式中 c1, c2为待定常数。于是式( 8) 可写为:w = c1+ c2(xa2x3a3+x4a4) ( 2y b19 6y3b3+y4b4+1 6y7b7)( 12)联立式( 6) , (
15、 8) , ( 9) , ( 11) , 并由 = 0,即c1= 0 及c2= 0, 联立求解得:c1=b3 45175 76a ( 9035 15a b3+ 8976 48 ab) c2+0858 34ab Dq( 13)c2= 0170 55b3aDq/ 2( 1086 70b a3+ 1111 5a b3)+( 0000 41 + 436)1ab+ ( 9035 15a b3+ 8976 48v ab)2b3 45175 76a( 14)式( 12) ( 14) 即为一对边简支、 一对边自由的矩形薄板受均布荷载 q 作用时的挠度函数。 1. 3 实例计算屋面板采用 65/400 型 直
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