初始缺陷對裝配式鋁合金房屋極限承載力影響分析

邰家醉

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司 湖北武漢 430063)

初始缺陷對裝配式鋁合金房屋極限承載力影響分析

邰家醉

(中鐵第四勘察設計院集團有限公司 湖北武漢 430063)

裝配式鋁合金房屋的極限承載力受初始缺陷的影響明顯。文章分析了材料、制造、安裝及使用情況等因素，發(fā)現(xiàn)初始幾何缺陷為該類房屋的主要初始缺陷；隨后進一步通過對比計算確定了幾何初始缺陷的合理限值，并基此建立了裝配式鋁合金房屋的有限元數(shù)值模型，采用一致缺陷模態(tài)法分析了風荷載和雪荷載等控制工況下初始缺陷對裝配式鋁合金房屋結(jié)構(gòu)承載力的影響程度。

裝配式鋁合金房屋；極限承載力；非線性分析；初始缺陷

0 引言

裝配式鋁合金房屋是一種新型可移動式拼裝結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)為軍民兩用產(chǎn)品，要求組裝快捷、質(zhì)量輕、機動性強。所有構(gòu)件為標準化設計，根據(jù)需求定制生產(chǎn)，房屋可現(xiàn)場組裝或工廠組裝運至現(xiàn)場即可使用[1]，屬于可重復使用的裝配式房屋。結(jié)構(gòu)由基礎、房架、板塊、附件等組成，采用剛性板材作為圍護結(jié)構(gòu)。組裝步驟：夯實地面—固定地圈梁(地樁)—安裝房架柱(插槽+螺栓連接)—安裝墻板及門窗(插槽連接)—安裝房架梁(與柱螺栓+托板連接)—安裝屋面板(插槽連接)—附件安裝及密封處理。屋架梁為三角折疊結(jié)構(gòu)，展開時將橫桿用螺栓兩端緊固；地梁為鋼材，柱、折疊梁、橫桿及各類板件均為鋁合金型材。

1 計算方法選擇

裝配式鋁合金結(jié)構(gòu)在設計時沒有規(guī)范參考，僅參照《鋁合金結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》[2]進行線彈性范圍內(nèi)理想狀態(tài)的設計，裝配式鋁合金房屋如圖1所示。

(a)正立面尺寸 (b) 側(cè)立面尺寸圖1 裝配式鋁合金房屋

該類結(jié)構(gòu)在實際的生產(chǎn)、加工、運輸過程中，結(jié)構(gòu)不可避免地出現(xiàn)多種缺陷，特別在每一次拆裝過程中都可能會造成初始缺陷的累積，缺陷對結(jié)構(gòu)承載力的影響程度未知。對裝配式房屋也沒有規(guī)范規(guī)定的容許初始缺陷。目前廣泛應用的考慮初始缺陷分析方法有假想水平力法[2]、縮減切向模量法[3]、隨機缺陷模態(tài)法和一致缺陷模態(tài)法[4]，其中等效荷載法和縮減切向模量法是便于結(jié)構(gòu)計算而實現(xiàn)簡化的方法，在結(jié)構(gòu)有限元高等分析中應用較多的是隨機缺陷模態(tài)法和一致缺陷模態(tài)法。隨機缺陷模態(tài)法工作量大[3]，多用于桿件較多的網(wǎng)殼、網(wǎng)架及復雜框架的缺陷分析。

對于傳力明確的裝配式鋁合金結(jié)構(gòu)，最低階屈曲模態(tài)基本能反映結(jié)構(gòu)在整個非線性過程中的變形趨勢，亦可直接獲得缺陷的最不利分布，所以本文選擇一致缺陷模態(tài)法，分析結(jié)構(gòu)整體在風荷載、雪荷載各自作用的工況下，不同大小的初始缺陷取值對整體結(jié)構(gòu)承載能力的影響程度，給出結(jié)構(gòu)構(gòu)件使用中初始缺陷的控制范圍。

2 初始缺陷值的確定

結(jié)構(gòu)構(gòu)件的初始缺陷有力學缺陷和幾何缺陷。對于鋁合金結(jié)構(gòu)由生產(chǎn)制作引起的殘余應力在擠壓型材中普遍較小，可忽略不計[2]。裝配式鋁合金結(jié)構(gòu)的構(gòu)件之間均采用螺栓連接，沒有焊接殘余應力，故力學缺陷可不考慮。幾何缺陷有初始偏心、初始彎曲、板件初始變形、截面尺寸偏差等。初始偏心和初始彎曲這兩種幾何缺陷對軸心受壓構(gòu)件的影響類似，可合并作為初始彎曲來考慮。裝配式鋁合金房屋的構(gòu)件截面尺寸均較小，亦可合并用初始彎曲將截面尺寸的偏差考慮進去。而屋面及墻面板件是插入到結(jié)構(gòu)骨架凹槽內(nèi)，板與骨架之間不傳遞彎矩，只傳遞位移，故板的初始缺陷對結(jié)構(gòu)的影響可以忽略不計。

本文根據(jù)裝配式鋁合金結(jié)構(gòu)的特點，對結(jié)構(gòu)構(gòu)件取不同的初始缺陷值。在考慮材料非線性的前提下，進行不同初始缺陷取值下的結(jié)構(gòu)極限承載能力分析，從而討論構(gòu)件初始缺陷的合理限值。

2.1 建模

采用ANSYS軟件對裝配式鋁合金結(jié)構(gòu)進行有限元分析。為更真實地反映模型，材料特性采用材性試驗所得數(shù)據(jù)如表1所示[1]，與《鋁合金結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》及《鋼結(jié)構(gòu)設計規(guī)范》取值略有不同。

表1 材料特性表

鋁合金材料的σ～ε曲線與形式為ε=ε(σ)的經(jīng)典的非線性Remberg-Osgood模型實際性質(zhì)最為接近，表達式為：

(1)

有限元模型屋架及中柱均選用BEAM189單元，屋面板和墻板經(jīng)選用SHELL63單元，與屋架節(jié)點連接及柱與地圈梁節(jié)點連接選用COMBIN14單元。因結(jié)構(gòu)構(gòu)件為鋁合金型材，非標準截面，需自定義截面形狀(共13種截面)。板與骨架的重合結(jié)點耦合其垂直于板面方向的自由度和平面內(nèi)的部分自由度。山墻中柱柱底節(jié)點施加X向、Y向、Z向約束，其余柱底施加X向、Y向、Z向、ROTX、ROTY、ROTZ約束。劃分網(wǎng)格時單元邊長取為200mm。三角形房架下弦與梁相交處簡化為鉸接節(jié)點。裝配式鋁合金柱腳節(jié)點介于剛接與鉸接之間的半剛性連接。半剛性連接對結(jié)構(gòu)的影響主要為結(jié)構(gòu)剛度降低、整體變形累加、引起整體的內(nèi)力重分布，整體極限承載力降低。因此有限元模型應考慮半剛性連接的影響。參考節(jié)點試驗數(shù)據(jù)[1]，建模時取梁柱節(jié)點的初始剛度取為12 012N·m/rad，中柱柱底彈簧剛度為1 310N·m/rad。構(gòu)件初始缺陷的引入應考慮最不利影響及使用工況，柱缺陷按柱頂初始變形，梁缺陷按跨中初始變形作為初始缺陷引入。通過截面形狀及材料屬性的指定并劃分網(wǎng)格，施加節(jié)點約束等步驟建立裝配式鋁合金結(jié)構(gòu)整體模型，如圖2所示。

圖2 有限元模型

2.2 荷載計算

對風、雪荷載的計算參考《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[5]，將雪荷載按厚度(20cm、40cm、60cm)折算成豎向荷載，將風荷載按照風荷載體型系數(shù)施加到結(jié)構(gòu)構(gòu)件上。文獻[6]中列出了對風力的等級劃分風級為9級、10級、11級的風速ν分別為23.5m/s、28.4m/s、32.3m/s。將風壓和風速的換算公式：

(2)

其中W0為風壓，v為風速。

計算結(jié)構(gòu)整體雪荷載及風荷載的數(shù)值如表2所示。

表2 結(jié)構(gòu)不同位置荷載施加值

2.3 初始缺陷值的計算

當作用雪荷載時，由于山墻屋架支撐較多(設置斜拉支撐)，抗側(cè)性較好，房架柱和三角形屋架的初始缺陷對其影響不大，所以不作為取得對結(jié)構(gòu)最不利的初始缺陷。

在進行結(jié)構(gòu)極限承載能力分析時，僅對中間三榀屋架柱和三角形屋架構(gòu)件引入初始缺陷，即分別對上述結(jié)構(gòu)桿件施加L/1000、L/750、L/500和L/250的初始位移值。當風荷載作用時，在房架柱頂端施加順風向的初始位移作為初始缺陷，屋架構(gòu)件施加與變形相同方向的位移作為初始缺陷，對結(jié)構(gòu)最為不利。這兩種情況又分別施加L/1000、L/750、L/500和L/300的初始位移值作為初始缺陷。考慮材料非線性后對這些取不同初始缺陷的結(jié)構(gòu)進行極限承載能力分析，得到雪荷載及風荷載作用下理想結(jié)構(gòu)的極限承載力的數(shù)據(jù)如表3～表4所示。

表3 雪荷載下理想結(jié)構(gòu)與不同程度缺陷時結(jié)構(gòu)極限承載力

表4 風荷載下理想結(jié)構(gòu)與不同程度缺陷時結(jié)構(gòu)極限承載力

由表3～表4可知，當初始缺陷取L/500時，對極限承載能力的降低程度(相對于理想狀態(tài))與采用普通鋼結(jié)構(gòu)和冷彎薄壁型鋼結(jié)構(gòu)對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的容許初始彎曲值時相當，又能保證重復利用的裝配式結(jié)構(gòu)的構(gòu)件初始缺陷值較大的要求。故，建議裝配式鋁合金結(jié)構(gòu)的柱容許初始彎曲為構(gòu)件長度的1/500。

3 初始缺陷對極限承載力影響

因重復裝配、機動運輸?shù)忍厥庖螅b配式鋁合金結(jié)構(gòu)初始缺陷會比永久建筑的要大，如未校正，結(jié)構(gòu)的整體缺陷亦會逐漸累加。常用的一致缺陷模態(tài)法可能并不能完全考慮該類結(jié)構(gòu)整體缺陷。特征值屈曲分析表明，與足尺實驗結(jié)果對比，因未考慮結(jié)構(gòu)的整體缺陷，用一致缺陷模態(tài)法施加至整個結(jié)構(gòu)的初始缺陷對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的初始缺陷均考慮過小，因此在一致缺陷模態(tài)法的基礎上做改進，重新加上構(gòu)件的初始缺陷。裝配式鋁合金結(jié)構(gòu)構(gòu)件的初始缺陷按L/500來取，然后與一致缺陷模態(tài)法結(jié)合共同模擬整個結(jié)構(gòu)的初始缺陷。

對理想模型及有初始缺陷的結(jié)構(gòu)整體模型(考慮板的作用)施加20cm雪荷載，進行靜力分析、特征值屈曲分析、非線性屈曲分析，整理結(jié)構(gòu)理想狀態(tài)和一致缺陷模態(tài)法的非線性模型，與足尺試驗數(shù)據(jù)相對比。計算表明，在雪荷載作用下結(jié)構(gòu)的水平位移較小，在此不作分析。計算得到20cm雪荷載作用下中屋架的豎向位移曲線如圖3所示，一致缺陷模態(tài)法與試驗數(shù)據(jù)差距明顯，由一階屈曲模態(tài)的變形曲線可以看出一致缺陷模態(tài)法對結(jié)構(gòu)構(gòu)件的初始缺陷考慮較小，故采用改進的一致缺陷模態(tài)法對中間三榀屋架的構(gòu)件中引入初始缺陷L/500，各測點豎向位移測點與試驗值吻合較好。

圖3 雪荷載下跨中最大豎向位移

對理想結(jié)構(gòu)及有初始缺陷結(jié)構(gòu)整體模型施加九級風荷載，經(jīng)靜力分析、特征值屈曲分析及非線性屈曲分析，得到中屋架水平位移曲線圖4。

由圖4可見，采用改進的一致缺陷模態(tài)法能較好地同足尺試驗值相吻合。在風荷載作用下結(jié)構(gòu)的豎向位移較小，在此不作進一步分析。

采用一致缺陷模態(tài)法和改進的一致缺陷模態(tài)法得到結(jié)構(gòu)在雪荷載、風荷載作用下結(jié)構(gòu)極限承載力的數(shù)值如表5所示。

圖4 風荷載下柱頂最大水平位移

N

在雪荷載作用下，從理想模型與有初始缺陷的結(jié)構(gòu)模型對比可知，由于結(jié)構(gòu)初始缺陷的影響，將使裝配式鋁合金整體結(jié)構(gòu)在承受雪荷載作用時的極限承載力下降8.2%。

在風荷載作用下，從理想模型與有初始缺陷的模型對比可知，由于初始缺陷的影響，結(jié)構(gòu)在承受風荷載作用時的極限承載力下降24%。

4 結(jié)論

通過初始缺陷對裝配式鋁合金結(jié)構(gòu)極限承載力影響計算分析得到以下結(jié)論：

(1)在裝配式鋁合金結(jié)構(gòu)極限承載力分析及研究中，幾何非線性特性明顯，且缺陷對結(jié)構(gòu)的影響顯著，應計算其影響；

(2)對于梁-柱-板這類裝配式結(jié)構(gòu)，運用一致缺陷模態(tài)法來研究缺陷對結(jié)構(gòu)的影響合理且方便；

(3)對裝配式鋁合金結(jié)構(gòu)這類結(jié)構(gòu)，構(gòu)件的初始彎曲應控制在L/500，當超過此限值時對結(jié)構(gòu)的承載能力有較大影響。故，在裝配式房屋結(jié)構(gòu)分拆后再次裝配使用前，應當先檢驗結(jié)構(gòu)構(gòu)件的初始彎曲是否滿足該要求，如不滿足應校正后再裝配使用。

[1] 向往，晃新強，孫艷軍.輕型鋁合金活動房屋足尺試驗研究報告[R].2006.

[2] GB50429-2007 鋁合金結(jié)構(gòu)設計規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，2007.

[3] 周奎，宋啟根.鋼結(jié)構(gòu)幾何缺陷的直接分析方法[J].建筑鋼結(jié)構(gòu)進展，2007,9(1)：57-62.

[4] 熊仲明，韋俊，曹欣，等.46.5m大跨度弧形鋼拱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定及其缺陷影響分析[J].工程力學，2009，26(11):172-178.

[5] GB50009-2012 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2012.

[6] 張相庭.工程結(jié)構(gòu)風荷載理論和抗風計算手冊[M].上海：同濟大學出版社，1990.

Analysis on Ultimate Bearing Capacities of Aluminum Alloy Prefabricated Structures with initial imperfections

TAIJiazui

(China Railway SIYUAN Survey & Design Group Co.，Ltd， Wuhan 430063)

Ultimate bearing capacities of aluminum alloy prefabricated structures were highly influenced by initial imperfections. Material, fabrication, and employment of such structures were analyzed in this paper, and it is found that initial geometric imperfection was the most important initial imperfection affecting bearing strength of such structures. Furthermore, values of initial geometric imperfection were determined based on calculations. On this foundation, finite element model of aluminum alloy prefabricated structures were established, and based on consistent imperfect buckling analysis method, effects on bearing strength for controlled working cases of wind load and snow load were analyzed.

Aluminum alloy prefabricated structures; Ultimate bearing capacity; Nonlinear analysis; Initial imperfections

邰家醉(1983.6- )男，一級注冊結(jié)構(gòu)工程師。

E-mail:taijiazui@163.com

2017-02-15

TU3

A

1004-6135(2017)06-0076-04