小型全鋁裝配式房屋結構設計與分析

溫 楊 李柏林 劉 學 張春旭 馬 多 張宗鑠

遼寧忠旺集團有限公司 遼寧遼陽 111003

1 設計背景

裝配式建筑指將預制的建筑構件運輸到施工現場,在現場完成房屋構件的裝配建造工作。與以往澆筑式建筑相比,裝配式建筑具有建造與裝修一體化可同步進行,施工效率高,建造工期縮短等優點,適應綠色建筑的發展要求[1]。歐美國家在裝配式建筑領域起步較早,發展較快[2-4]。其中,在美國國內,裝配式建筑占比較高,達到90%。德國作為住宅緊缺型國家,隨著產業化技術的進一步提高,產業化建造水平已經相當成熟。我國在2022年發布《國務院辦公廳關于進一步釋放消費潛力促進消費持續恢復的意見》和《關于推進以縣城為重要載體的城鎮化建設的意見》等政策意見,推動綠色建筑規模化發展,大力發展裝配式建筑。行業預測,到2025年,我國城鎮新建建筑全面建成綠色建筑,裝配式建筑占當年城鎮新建建筑的比例達到30%。到2025年,我國新建裝配式建筑面積將達到16.51億m2,市場規模將達3.6萬億元。

鋁合金作為一種常見的有色金屬材料,具有強度高、易加工、耐腐蝕等特點,被廣泛應用于工業電子、交通運輸、建筑結構等重要領域。在傳統建筑領域,混凝土、鋼材等建筑材料存在耐久性不佳、力學性能差、自身重力大等缺陷[5]。由此,近年來,鋁合金作為建筑領域的綠色材料,得到廣泛應用[6]。鋁合金裝配式建筑具有樣式美觀、經濟優勢明顯、工業化生產高效等優點。筆者對小型全鋁裝配式房屋進行結構設計與有限元分析。

2 材料

基于小型全鋁裝配式房屋對使用壽命及使用穩定性的要求,確定以6005A-T6鋁合金擠壓材為主建造骨架和地面踏板,可以有效保證房屋結構件的強度,提升房屋整體的抗變形能力。選擇3003-H14鋁合金軋制板材,在工藝上進行粉末噴涂,作為小型全鋁裝配式房屋的蒙皮結構。

6005A鋁合金屬鋁鎂硅系可熱處理鋁合金,具有優良的擠壓性、焊接性、耐腐蝕性,綜合力學性能優異,廣泛應用于軌道交通車輛的制造[7-8]。

3003鋁合金是以錳為主要合金元素的一種變形鋁合金,具有良好的機械加工性能和焊接性能,塑性和強度較高,耐腐蝕性好。3003鋁合金是應用較廣的防銹鋁,在建筑、食品包裝等領域應用廣泛[9]。6005A鋁合金合金成分見表1,3003鋁合金合金成份見表2,6005A鋁合金室溫下力學性能見表3,3003鋁合金室溫下力學性能見表4[10-12]。

表1 6005A鋁合金化學成分

表2 3003鋁合金化學成分

表3 6005A鋁合金室溫下力學性能

表4 3003鋁合金室溫下力學性能

3 斷面

根據項目需求,所設計的小型全鋁裝配式房屋外形尺寸為6 800 mm×4 500 mm×3 000 mm。針對小型全鋁裝配式房屋的輕量化,開展了型材結構優化設計。在滿足強度、疲勞性能要求的基礎上,對型材最大應力和最大變形不敏感的非承重面進行減薄,設計加強筋、懸臂結構,提高型材的強度,提升房屋的保溫、防水性能,并在型材端面設計插接結構,提升穩固性,最終獲得輕量化效果與結構強度俱佳的型材斷面結構。立柱斷面結構如圖1所示,地板斷面結構如圖2所示。

圖1 立柱斷面結構

圖2 地板斷面結構

4 零部件

針對小型全鋁裝配式房屋的結構強度要求及使用環境需求,對骨架、地面踏板及巖棉夾芯板、內外部鈑金、門窗及防盜護欄、踏步平臺五大零部件結構布局進行設計,確定各零部件的必要工藝要求。小型全鋁裝配式房屋結構如圖3所示。

圖3 小型全鋁裝配式房屋結構

5 防水保溫

針對防水保溫性能問題,對小型全鋁裝配式房屋室內外鋁板的拼接進行設計,設計一周U形槽斷面扣接結構,并采用密封膠,由此大大提升防水保溫性能。防水保溫設計如圖4所示。

圖4 防水保溫設計

6 墻體結構

針對墻體結構拼裝困難、拼裝速度慢、安裝精度差的問題,設計了一種復合模塊墻板。外墻板通過緊固件與巖棉夾芯板固定在一起,成為復合模塊墻板,與骨架相連。復合模塊墻板如圖5所示。

圖5 復合模塊墻板

7 門窗結構

針對門窗及防盜護欄在安全性與美觀性方面的需求,進行門窗結構在強度及表面處理工藝方面的設計,確定以鋁合金擠壓管材、鋁板材為主,輔以白色木紋轉印技術,使表面性能、安全性、美觀性都大大提高。門窗結構如圖6所示。

圖6 門窗結構

8 連接

框架結構需要承受較大的支撐力,并且具有防止應力變形的關鍵作用。對此,確立以螺栓連接為主的連接方式,一方面保證工藝簡單性,解決角焊接難度大的問題,另一方面消除焊接熱影響區帶來的性能降低影響,整體結構強度得到保證。框架螺栓連接如圖7所示。

圖7 框架螺栓連接

9 有限元分析

房屋使用環境復雜,需要確保安全性及使用壽命。由此,需要對小型全鋁裝配式房屋進行風載、雪載、滿載三大工況下的有限元分析,得到不同工況下的受力情況。

9.1 風載工況

風載工況主要有三種工況條件,工況1為X方向0.000 65 MPa,工況2為-X方向0.000 65 MPa,工況3為Y方向0.000 65 MPa。風載工況受力云圖如圖8所示,最大應力為177.9 MPa。

圖8 風載工況受力云圖

9.2 雪載工況

在屋頂上施加值為10-3N/mm2的-Z方向均布載荷,模擬極端條件下積雪高度為1 m時的壓力載荷。雪載工況受力云圖如圖9所示,最大應力為76.7 MPa。

圖9 雪載工況受力云圖

9.3 滿載工況

滿載工況主要有三種工況條件,工況1為X方向0.6g加Z方向-g,工況2為Y方向0.4g加Z方向-g,工況3為Z方向-2g。滿載工況受力云圖如圖10所示,最大應力為186.9 MPa。

圖10 滿載工況受力云圖

9.4 小結

風載和滿載工況下,最大應力為186.9 MPa,未超過6005A鋁合金的屈服強度(215 MPa)。雪載工況下,最大應力為76.7 MPa,未超過3003鋁合金的屈服強度(125 MPa)。

由此可見,三種工況下的最大應力均未超過材料的屈服強度,經過輕量化結構設計的小型全鋁裝配式房屋能夠滿足強度要求。小型全鋁裝配式房屋樣件如圖11所示。

圖11 小型全鋁裝配式房屋樣件

10 結束語

筆者設計的小型全鋁裝配式房屋主要由骨架、地面踏板及巖棉夾芯板、內外部鈑金、門窗及防盜護欄、踏步平臺五大零部件組成,設計所使用的材料為6005A-T6鋁合金和3003-H14鋁合金。

所設計的小型全鋁裝配式房屋在風載、雪載、滿載三大工況下,最大應力均未超過材料的屈服強度,表明設計方案安全可行。通過使用反饋,驗證了設計滿足使用需求。

所設計的小型全鋁裝配式房屋符合當下國內實現行業綠色發展的需求,我國出臺的一系列相關政策必將進一步加快裝配式建筑向綠色、環境友好型發展的步伐。