轻型金属屋面板及其连接件抗风承载性能

1、轻型金属屋面板及其连接件抗风承载性能罗永峰概要轻型金属屋面系统应用简介屋面系统风吸破坏形式及其原因屋面板系统抗风性能分析方法研究现状与进展结语轻型金属屋面系统应用简介几种常见的金属屋面系统：压型钢板屋面系统铝合金屋面系统锌合金屋面系统压型钢板典型板型铝合金板型铝合金屋面系统构造锌合金屋面系统构造压型钢板屋面系统构造压型钢板屋面系统色彩艳丽重量轻力学性能好使用寿命长加工速度快铝合金屋面系统质量更轻耐久性好防腐能力适应性极强自洁性锌合金屋面系统轻质高强易加工成型防腐性能更强使用寿命长搭接连接构造咬边连接构造扣合连接构造直立锁边点支撑连接构造存在的问题：研究滞后于应用设计与施工标准不完善设计计算不合

2、理、不准确连接构造不甚合理设计者？存在的问题：轻型金属屋面常见的风灾破坏情况设计不合理施工不完善工程事故屋面系统风吸破坏形式及其原因T型支托破坏面板与支托连接破坏屋面板局部破坏屋面板掀起破坏屋面系统破坏特征：屋面系统破坏屋面板掀起破坏破坏模式：屋面板在风荷载作用下掀开，导致屋面大面积或整个屋面失效。失效原因：支托偏少； 或风荷载过大。屋面板掀开T形支托破坏破坏模式：T形支托强度破坏受拉破坏 (两侧屋面板均匀受力)受弯破坏 (两侧屋面板不均匀受力)连接螺钉拔出 失效原因：T形支托承载力不足； 或螺钉连接承载力不足自攻螺钉拔出面板与支托连接破坏 屋面板脱离支托破坏模式：屋面板脱离支托失效原因：屋面

3、板与支托间连接承载力不足，连接构造不尽合理导致屋面板脱离。屋面板局部破坏 屋面板撕裂破坏模式：屋面板由于达到极限强度而撕裂破坏。通常出现在有抗风夹具的屋面中，且位于抗风夹具一侧或两侧。失效原因：屋面板强度不足； 抗风夹具偏少。金属屋面板系统抗风性能分析方法屋面系统构造示意图某机场航站楼长806m，最大宽度159m。 屋面板采用目前广泛应用的直立锁边点支承连接形式实际工程概况：屋面板材料：AA3004铝镁锰合金板铝合金T形支托材料：6061-T6 T形支托横向间距0.4m，纵向间距1.5m。T形支托和屋面板尺寸屋面风荷载屋面各区域最大风荷载标准值（kPa）3.2分析方法与思路屋面板及连接系统抗风

4、承载性能数值分析： 要计算获得屋面系统的抗风极限承载力，必须正确模拟屋面板系统在风荷载作用下的失效模式。 在进行屋面板系统简化模型计算分析时，可采用两步分析方法，以准确模拟和计算其受力性能。3.2建立单块屋面板计算模型，计算得到风荷载-屋面板跨中挠度关系曲线Step 1根据屋面板风荷载-跨中挠度曲线，确定屋面板系统抗风承载力Step 3计算步骤建立屋面板系统简化模型，对屋面板施加竖向位移，根据抗风失效模式，得到竖向位移极限值Step 2Step 1采用有限应变壳单元法向自由度约束切向弹簧约束屋面板计算模型单块屋面板模型风荷载-挠度关系摩擦力：f = N弹簧内力： F = ku弹簧刚度：k=N/

5、u屋面板材料本构模型屋面板跨中荷载-挠度关系曲线三个不同弹簧刚度： k=16kN/m、21kN/m、32kN/m 风荷载超过2.3kPa后，曲线斜率突然增大；但面板内不断增大的横向拉应力抑制了板的弯曲。屋面板全截面屈服风荷载达到2.3kPa，板内应力弹簧刚度的影响不同工况屋面板在风荷载作用下跨中竖向变形Step 2屋面连接构造竖向极限位移抗风失效模式1) 屋面板与T形支托间连接失效 即屋面板滑出。在风吸力作用下，屋面板跨中上拱，板肋顶部卷边沿T形支托圆角弧面向外滑移。滑移量过大，面板卷边将脱离支托。抗风失效模式2) 屋面板损坏 屋面板在风吸力下屈服或产生过大的变形3) T形支托与檩条间连接失效

6、 固定T形支托的螺钉受拉破坏4) T形支托损坏 T形支托在风吸力作用下破坏取半边对称结构采用平面应变单元面面接触关系节点耦合关系摩擦系数 0.1半边对称模型模型约束连接卡口示意图数值分析模型屋面板跨中挠度与卡口A、B两点间距的关系曲线屋面连接抗风承载力分析屋面抗风连接变形面板跨中最大竖向变形量约：99.58mm对应的极限风荷载：2.03kPa屋面板滑出失效屋面板应力分布面板屈服对应的极限风荷载：2.30kPa屋面板屈服失效屋面板初始屈服时对应的风荷载T形支托抗风分析不同区域T形支托在不同工况下的荷载q、q1、q2为接触面法向荷载，f、f1、f2为接触面切向荷载。自攻螺钉形心受力情况 T形支托采

7、用的自攻螺钉规格为M5.53.8，其最小破坏力矩为10kNm (9.415kNm)。 不先于屋面板失效。T形支托与檩条间连接失效自攻螺钉破坏不同区域T形支托在不同工况下的应力计算结果T形支托失效分析T形支托两侧面风载相同T形支托应力与变形应力变形T形支托两侧面风载不同T形支托应力与变形应力变形T形支托单侧受力T形支托应力与变形应力变形T形支托应力与变形 中间区域：T形支托在各工况下最大应力均不超过屈服强度； 边缘区域：T形支托在各工况下最大应力均不超过屈服强度； 边缘区域非边缘区域：T形支托在各工况下的应力均较大，特别当T形支托单侧受力时，最大应力已经超过屈服应力。屋面系统抗风失效模式 风荷载

8、达到2.03kPa时，屋面系统抗风失效 失效模式为屋面板与T形支托间连接失效 各构件强度利用不充分摩擦系数的影响卡口间距与跨中挠度的关系曲线不同摩擦系数屋面系统抗风承载性能研究现状与进展试验与理论研究：国外始于1997年，A. Baskaran等 国内始于2003年，同济、清华、 浙工大、卓思港澳认证标准：建築金屬圍護系統檢測與認證標準 MCIS-MBE-05:2013大陆地区规程：正在编制，即将颁布美国认证机构：ASTM (American Society for Testing and Materials 即美国实验与材料协会) FM (FM=Factory Mutual 即工厂联合保险商协会) UL (Underwriter Laboratories Inc. 即保险商试验所)尚需研究：合理的简化模型； 简单实用的设计公式； 精确的数值计算方法； 合理准确的试验验证。珠海卓思试验室标准规范：目前，不完善；设计计算方法粗糙结语进行屋面板