不同型號的壓型性鋼板對抗風設計的影響分析

閆小杰， 朱召泉

(河海大學 土木與交通工程學院，江蘇 南京210098)

近年來，隨著國民經濟的高速發展，壓型金屬屋面板在建(構)筑屋面系統的應用越來越廣泛。鋼結構具有可工廠化制作，減少現場施工的工作量，施工周期短，結構性能好，成本造價較低，抗震抗風性能良好等。

國內外對壓型鋼板的實驗都有但沒有統一的規定，我國在1988 年出臺了《壓型鋼板設計施工規范》(YB1216-88)，而在2003 年開始實施《冷彎薄壁型鋼結構技術規范》(GB50018-2002)［1］。作為在冷彎薄壁型鋼領域研究較早的美國，AISI 規范也提出了較統一的計算法則，規范大致上表明壓型鋼板在未發生強度破壞時已經發生了結構失穩。

文中建立不同壓型鋼板的有限元模型，考慮材料非線性對屋面板的抗風性能進行數值模擬，研究其破壞方式和荷載-位移的走勢及規律，獲得哪種壓型鋼板與荷載的最佳方式，為施工設計人員提供經濟合理的標準依據。

1 有限元建模方法

1.1 研究對象

實際工程中的鋼結構屋面板的型式多種多樣，為了便于與已有的實驗結果對比分析，取3 種常用型號的壓型鋼板(見表1)。

3 種壓型鋼板的型號分別為編號1:YX35-215-860(V-215)型壓型鋼板;編號2:YX15-135-810型壓型鋼板;編號3:YX35-125-750 壓型鋼板。這3種型號的壓型鋼板展開長度相同，同時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］經冷壓或冷軋成型的鋼材。鋼板采用有機涂層薄鋼板(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］。

實際工程中鋼結構屋面板很少發生強度破壞，氣流在屋面兩個上風邊緣線處易形成錐形渦［4］，這將產生很大的局部負壓，常會引起屋面破壞。文中取鋼板的本構關系為三折線彈塑性模型，如圖1所示。

1.3 Ansys 建模

1.3.1 模型簡化 由于實際結構往往較為復雜，用Ansys 建模時進行了一些簡單的處理:在建立有限元模型及分析時，不考慮模型自重、不考慮自攻螺釘的作用力;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整體考慮。

1.3.2 單元選取及網格劃分 針對本模型的幾何特性，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，對鋼板采用映射網格劃分［5］。

圖1 壓型鋼板材料的本構關系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點上，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約束，彈簧剛度取K = EA/l。在鋼板頂面所有節點處施加Z 軸正向的面荷載。3 種壓型鋼板模型的長度和有效寬度相同，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 計算結果分析

屋面的結構破壞與板厚有直接關系，所以厚度前文已經統一為0.9 mm，有效寬度取810 mm，長度設為1 000 mm，文中以Ansys 可以收斂的最大荷載作為屋面強度破壞的極限荷載，通常在極限荷載作用下壓型鋼板都會出現強度破壞。在發生強度破壞之前屋蓋的壓型鋼板的位移已經超過規范要求。通過屋面壓型鋼板破壞前的位移-荷載曲線判定壓型鋼板的優劣。

荷載-位移的計算曲線編號1，2，3 分別表示兩條邊的中點位移數據和板中心的數據，由于模型對稱，所以只計算兩條邊。4 號線表示三者數據平均荷載-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1，2，3 的荷載-位移曲線趨勢得到，在沒有發生強度破壞的情況下，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性能(見表2)。

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

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

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

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

3 結 語

采用Ansys 軟件對編號1，2，3 壓型鋼板的抗風性能進行分析，得出以下結論:

1)由已經做過的壓型鋼板的實驗［6］可知，利用有限元分析軟件Ansys 模擬壓型鋼板抗風性能是可行的。實體建模、彈塑性分析以及接觸分析的運用可較好地模擬其抗風性能，在連接強度以及荷載-位移曲線走勢的規律上與國家規范吻合較好。

2)當3 種壓型鋼板的厚度相同時，材料強度也相同，在沒有達到強度破壞和結構破壞之前，可從文獻6 中獲知。

模擬和實驗中存在的不同之處，差別小于5%，3 號的抗風性能優于2 號和1 號，1 號和2 號的抗風性能基本相同，所以在實際工程可以按價格的高低判斷。

［1］湖北省發展計劃委員會.GB50018-2002 冷彎薄壁型鋼結構技術規范［S］.北京:中國計劃出版社，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.金屬屋面板抗風吸力性能試驗裝置與試驗方法［R］.北京:中冶建筑研究總院有限公司，2009.

［4］克萊斯·迪爾比耶.結構風荷載作用［M］.薛素鐸，李雄彥，譯.北京:中國建筑工業出版社，2006.

［5］王新敏.Ansys 工程結構數值分析［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［6］羨永彪，朱志遠.單層屋面系統抗風揭試驗及其應用［J］.中國建筑防水，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)