斷橋鋁合金陽光房的結構設計與仿真分析

□ 張宗鑠 □ 陳 亮 □ 呂洪昌 □ 劉占宇 □ 鄭雅如 □ 沈亞超

遼寧忠旺集團有限公司 遼寧遼陽 111003

1 陽光房概述

陽光房也稱為玻璃房,是主要采用玻璃與金屬框架搭建的全透明非傳統建筑,可以達到使用戶享受陽光,親近自然的目的。陽光房是國內外追求自然、時尚的人士所推崇的建筑,可以根據場所使用需求及個人愛好進行設計和建造,應用于戶外餐廳、花園、別墅、商業展廳等多種場合。目前,國內陽光房多采用純鋼結構,強度高,但易腐蝕,使用壽命短,并且冬冷夏熱,需要耗費大量能源以保證用戶在房內的舒適性。

現代社會能源需求日益緊張,建筑節能是國家對建筑行業提出的迫切要求。斷橋鋁合金型材結構具有優異的保溫隔熱性能,可以實現節能降耗的目的。鋁合金質量輕,強度高,耐腐蝕,可塑性強,鋁合金制品已在生活中隨處可見,并在航空航天、交通運輸、建筑、機電等領域廣泛應用。隨著社會進步和人們對生活品質的追求,鋁合金陽光房已受到人們的青睞,不僅高端大氣,而且容易安裝。筆者對斷橋鋁合金陽光房進行結構設計,并進行仿真分析。

2 設計參數

所設計的斷橋鋁合金陽光房建筑尺寸為7 000 mm×3 300 mm×3 700 mm,為雙坡屋面30°傾斜角設計。框架主體采用斷橋鋁合金結構,配合中空玻璃,以達到保溫隔熱、節能降耗的目的。根據建筑結構載荷規范及鋁合金結構設計規范相關要求,結構設計時需確認恒荷載、活荷載參數信息,活荷載包括風荷載、雪荷載。斷橋鋁合金陽光房整體結構如圖1所示。

圖1 斷橋鋁合金陽光房整體結構

對雪荷載進行計算,雪荷載標準值Sk為:

Sk=μrSo

(1)

式中:μr為屋面積雪分布因數;So為基本雪壓。

根據GB 50009—2012《建筑結構荷載規范》,采用雙坡屋面結構,μr為0.85。So以沈陽地區50 a來最大值為參考,取0.50 kN/m2。計算得Sk為0.425 kN/m2。

對風荷載進行計算,風荷載標準值wk為:

wk=βzμsμzwo

(2)

式中:βz為高度z處的風振因數,對于低于30 m的建筑,可不考慮風振影響;μs為風荷載體型因數;μz為風壓高度變化因數;wo為基本風壓。

μz應根據地面粗糙度確定,此處選擇C類,指有密集建筑群的城市市區,取0.65。采用封閉式雙坡屋面結構,μs取0。wo以沈陽地區50 a來最大值為參考,取0.55 kN/m2。計算得wk為0.357 kN/m2。

3 材料

結合設計參數和市場需求,斷橋鋁合金陽光房主體框架結構材料選用6063-T5鋁合金。在建筑五金行業使用6063鋁合金已經非常成熟,主要原因是成本較低,供貨狀態一般為T5,有利于斷橋型材隔熱條的壓入。斷橋鋁合金陽光房透光結構選用雙層中空玻璃。中空玻璃是一種節能玻璃,具有良好的隔聲、隔熱性能。材料參數見表1。

表1 材料參數

4 結構設計

框架是斷橋鋁合金陽光房的重要組成部分,不僅影響產品重力,而且直接影響產品整體強度、使用壽命、節能降耗效果。框架型材截面設計時參考斷橋鋁合金門窗結構,通過隔熱材料將鋁合金型材斷開的兩部分連接在一起,形成隔熱橋,以實現斷橋效果,起到保溫隔熱的作用。框架內部設計加強筋結構,提高斷橋鋁合金陽光房的整體安全性。考慮到美觀性,截面設計凹槽部分,將框架之間的連接螺栓隱藏起來。框架型材截面如圖2所示。

圖2 框架型材截面

斷橋鋁合金陽光房設計由框架和中空玻璃門窗組成,整體連接方式采用自攻釘、螺栓連接固定,在連接處涂抹密封膠,防止雨水滲透,無焊接工藝。參考建筑幕墻連接方式,屋頂主副梁之間設計采用不銹鋼彈簧插銷連接,簡化安裝步驟,降低成本。副梁截面如圖3所示,主副梁連接節點如圖4所示。考慮需要在戶外使用,設計水槽落水系統及入門防雨結構設施。斷橋鋁合金陽光房部分節點及截面如圖5所示。

圖3 副梁截面

圖4 主副梁連接節點

圖5 斷橋鋁合金陽光房部分節點及截面

5 仿真分析

根據相關標準和陽光房實際使用情況,對斷橋鋁合金陽光房的結構進行仿真分析,設置自重、風荷載、雪荷載荷載組合工況,以驗證斷橋鋁合金陽光房結構是否滿足使用要求。荷載組合工況見表2,g為重力加速度。

表2 荷載組合工況

斷橋鋁合金陽光房在荷載組合工況下應力云圖如圖6所示,位移云圖如圖7所示。

圖6 荷載組合工況應力云圖

圖7 荷載組合工況位移云圖

分析結果表明,在荷載組合工況下,框架最大應力為102.69 MPa,位于角柱頂端,未超過材料的屈服強度,滿足強度要求。雨棚前沿水槽中部位移為7.86 mm,沿風荷載作用方向的分量為7.75 mm。前梁中部位移為5.99 mm,沿風荷載作用方向的分量為5.98 mm。風荷載位移效應相對較大,但所有變形均在彈性變形范圍內。綜合以上分析結果,所設計的斷橋鋁合金陽光房滿足陽光房的使用要求,切實可行。

6 市場分析

隨著我國城市化不斷推進,住房消費升級,城市間人口遷移增加,人們對于居住環境的要求和品位不斷提升,我國房地產需求規模逐年擴大,為陽光房行業的發展創造了大量市場機遇。2020年,我國商品房銷售面積為17.6億m2,比2019年增長2.6%,別墅、帶露臺住宅、帶花園住宅約占我國商品房銷售面積的6%,陽光房市場前景廣闊。另一方面,房地產開發商感受到來自市場的壓力,對房型的設計趨向于半開放、大陽臺,為陽光房行業的發展提供了充足的市場空間。由此可見,斷橋鋁合金陽光房的市場潛力較大,具有推廣價值。

7 結束語

所設計的斷橋鋁合金陽光房具有質量輕、強度高、耐腐蝕、安裝簡易、成本低、使用壽命長等優點,能夠實現冬暖夏涼、節能降耗的功能。筆者通過結構設計、仿真分析,確認斷橋鋁合金陽光房滿足陽光房實際使用強度要求。鋁合金是一種綠色環保資源,回收殘值大,鋁合金結構相比傳統鋼架結構,未來將有更加廣闊的市場前景。由市場分析可知,所設計的斷橋鋁合金陽光房市場潛力較大,具有推廣價值。