金屬屋面圍護系統(tǒng)在40多年前被引進(jìn)我國，早期主要應(yīng)用在工業(yè)建筑中，近年來在大型公共建筑的圍護結(jié)構(gòu)中得到大力推廣，這一情況的轉(zhuǎn)變從鋁鎂錳直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)的引進(jìn)開始。鋁鎂錳直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)因其造型新穎、加工方便、耐久性良好的優(yōu)點，得到了建筑行業(yè)的一致認(rèn)可，在車站、體育中心、航站樓、劇院等大型公共建筑中被大量投入使用，但鋁鎂錳直立鎖邊金屬屋面在使用過程中也存在一些問題，限制了其自身的進(jìn)一步推廣，也影響了屋面圍護系統(tǒng)的安全性能。在風(fēng)揭作用下，鋁鎂錳直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)會因直立支座處的局部破壞導(dǎo)致屋面結(jié)構(gòu)迅速破壞，且使用過程中還會因密封性不夠?qū)е侣┧F(xiàn)象，風(fēng)揭和漏水的問題始終沒有徹底的解決方案，成為了困擾相關(guān)技術(shù)人員的兩大頑疾。在風(fēng)力較大的沿海地區(qū)，屋面風(fēng)揭破壞甚至?xí)a(chǎn)生重大經(jīng)濟損失(圖1)，導(dǎo)致人員傷亡，造成社會不良影響。
為了保證金屬屋面在建筑行業(yè)得以進(jìn)一步發(fā)展，技術(shù)人員開始尋求新的變革方向：通過改進(jìn)屋面板型設(shè)計和施工工藝，使圍護結(jié)構(gòu)能繼續(xù)發(fā)揮傳統(tǒng)直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)的優(yōu)勢。即在新的金屬屋面系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用上，盡量繼承直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)的優(yōu)點，同時通過利用新型材料、加強抗風(fēng)設(shè)計原理、改進(jìn)施工工藝等手段，提高建筑圍護系統(tǒng)的抗風(fēng)、防水性能。
作為新型金屬屋面圍護結(jié)構(gòu)體系，連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)由此應(yīng)運而生。這種金屬屋面從構(gòu)造上做到了完全密封，真正實現(xiàn)了屋面防水的性能要求，并且還具備輕質(zhì)高強、便于加工的優(yōu)良特性，通過焊接使屋面系統(tǒng)各部分實現(xiàn)可靠連接，進(jìn)而保證了結(jié)構(gòu)在風(fēng)揭作用下的抗風(fēng)承載能力。然而，我國至今還未有金屬屋面圍護系統(tǒng)的相關(guān)施工和管理規(guī)范，因此建筑行業(yè)相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)盡快形成整套設(shè)計、施工、檢查規(guī)范，使得金屬屋面圍護系統(tǒng)的應(yīng)用走上規(guī)范化、專業(yè)化的道路。因此，行業(yè)內(nèi)應(yīng)加強對連續(xù)焊接不銹鋼屋面系統(tǒng)的抗風(fēng)性能研究。本文以連續(xù)焊接不銹鋼屋面系統(tǒng)為研究對象，建立金屬屋面鋁板數(shù)值模擬分析模型，對連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)的抗風(fēng)性能進(jìn)行分析，提出了提高屋面抗風(fēng)極限承載力的若干建議，為屋面圍護體系在實際工程中的設(shè)計及應(yīng)用提供參考。
1 屋面構(gòu)造及優(yōu)勢分析
1.1、金屬屋面構(gòu)造
連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)從里到外由鍍鋅矩形鋼管主次檁條系統(tǒng)、鍍鋁鋅壓型鋼板、無紡布、0.3 mm厚PE防潮膜、吸音棉材料、保溫材料、鍍鋅鋁壓型鋼板、1.2 mm厚鍍鋅鋁平鋼板、1.0 mm厚自黏性防水卷材、隔聲材料、不銹鋼連續(xù)焊接屋面及上部的三角形鋁板組合而成。最外層直接承受風(fēng)荷載的是三角形鋁板。上部金屬屋面系統(tǒng)通過底板實現(xiàn)與檁條的可靠連接，而檁條被直接焊在屋面網(wǎng)架節(jié)點球上，整個屋面由此形成整體性和密封性良好的系統(tǒng)。金屬屋面結(jié)構(gòu)三維效果和具體構(gòu)造如圖2、3所示。
1.2、屋面板抗風(fēng)優(yōu)勢分析
連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)在實際應(yīng)用時有許多優(yōu)勢，適用于在大型公共建筑物的屋面圍護結(jié)構(gòu)，其優(yōu)越性可概括如下：1)相鄰屋面板之間通過焊接連接，從根本上實現(xiàn)了屋面板的構(gòu)造式密封，為一直困擾著工程界的屋面防水問題提供了徹底的解決方案；2)屋面板焊接在與其相連的屋面系統(tǒng)其余構(gòu)件上，區(qū)別于傳統(tǒng)的金屬屋面采用的搭接、相扣、咬合等連接形式，可以通過效率高、質(zhì)量可靠的自動化焊接來實現(xiàn)，有效地保證了屋面的抗風(fēng)承載力，極大程度上提升了建筑圍護系統(tǒng)的安全性能；3)連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)采用的不銹鋼材料耐腐蝕性良好，特別適用于風(fēng)力強、濕度及鹽分高的沿海地區(qū)。綜合以上特點，連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)具有適用性好、耐久性優(yōu)良、后期維護成本低，性價比高的特點，是一種具有廣闊應(yīng)用前景的金屬屋面體系。
過去的幾十年間，連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)的相關(guān)技術(shù)在歐洲、日本等地歷經(jīng)了不斷發(fā)展與革新，這種屋面系統(tǒng)在應(yīng)用初期暴露出的各種問題和安全隱患已經(jīng)得到解決。發(fā)展到現(xiàn)在，如今的連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)擁有先進(jìn)的技術(shù)手段和施工工藝，相應(yīng)的檢驗標(biāo)準(zhǔn)也在進(jìn)一步完善中，具備了在實際公共建筑物中大量推廣應(yīng)用的基礎(chǔ)。目前，連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)已經(jīng)應(yīng)用于日本的沖繩那霸國際機場、東京羽田國際機場、東京辰已國際游泳館等建筑中，其使用效果獲得了業(yè)內(nèi)的一致認(rèn)可，沒有再出現(xiàn)漏水、風(fēng)揭破壞等問題。在國內(nèi)，連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)的應(yīng)用才剛開始，有待進(jìn)一步推廣，目前已經(jīng)建成并投入使用的連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)主要有青島膠東國際機場航站樓(圖4)、廣州亞運城綜合體育館、澳門北安碼頭等。
2 金屬屋面鋁板有限元分析
2.1、鋁板簡化分析模型
為分析風(fēng)對屋面破壞情況，在有限元分析中，建立金屬屋面鋁板和下部連接角鋼、支座等局部模型。劃分網(wǎng)格時，為了使模型形成規(guī)則網(wǎng)格，對固定支座、屋面板、連接角鋼采取分步切割建模，保證接觸位置網(wǎng)格節(jié)點對齊(圖5)。由于屋面板為正三角形，網(wǎng)格劃分采用六結(jié)點三角形平面單元，其余部分采用八結(jié)點四邊形平面單元。有限元模型網(wǎng)格劃分見圖5。
2.2、邊界條件
由于取屋蓋部分結(jié)構(gòu)分析，被分割的屋面板邊緣設(shè)置滑動支座，僅允許結(jié)構(gòu)在z向自由移動，如圖6所示。
由于不能忽略下部結(jié)構(gòu)對屋面板的影響，分析時將下部角鋼通過支座固定。對于角鋼與屋面板凹槽的螺栓，使用有限元軟件分析時不易收斂，且可能產(chǎn)生應(yīng)力奇異，使得計算結(jié)果不準(zhǔn)確。為更好地進(jìn)行有限元分析，將螺栓連接簡化為彈性連接，固定支座布置如圖7所示。
由屋面構(gòu)造可知，上部鋁板通過螺栓與下部角鋼連接，角鋼通過支座與壓型鋼板連接傳遞荷載。為考慮下部構(gòu)造對結(jié)構(gòu)的影響，將下部結(jié)構(gòu)對鋁板的影響簡化為三個方向彈性連接，由于螺栓連接較弱，不考慮轉(zhuǎn)動剛度。取下部結(jié)構(gòu)連接節(jié)點，在x、y、z三個方向分別施加單位力，如圖8所示，可得到三個方向上的位移，計算可得三個方向的連接彈簧剛度，計算結(jié)果見表1，彈性連接設(shè)置見圖9。
2.3、鋁板計算分析參數(shù)
如圖10所示，鋁板為正三角形，兩塊板間距均為20 mm，凹槽深50 mm，每排支座間距為1500 mm，板厚為3 mm。
屋面鋁板材料為6063鋁合金，其本構(gòu)模型如圖11所示，其中縱坐標(biāo)為應(yīng)力，計算分析時采用兩折線模型，考慮材料強化階段對結(jié)構(gòu)的影響，其屈服應(yīng)力為69.2 MPa，屈服應(yīng)變約為0.001，彈性模量為69 GPa，泊松比為0.33，密度為2.69 g/cm3。
2.4、非線性靜力分析
由非線性靜力分析得到的位移云圖(圖12)可知，位移最大均位于三角形板中間位置，主要沿z軸正方向，且邊緣板比中間板位移大，這是由邊緣板周圍約束差造成的。分別選取了邊緣位置板中節(jié)點(紅色曲線)和中間位置板中間節(jié)點(綠色曲線)數(shù)據(jù)，得到兩點的荷載-位移曲線，如圖13所示�？芍寒�(dāng)荷載因子達(dá)到0.8(6.4 kN/m2)時，位移不再呈線性增長，增加相同荷載，位移的變化量增大，鋁板產(chǎn)生非線性變形。
由非線性靜力分析得到的應(yīng)力云圖(圖14)可知，三角形板連接凹槽處應(yīng)力較大，并首先進(jìn)入塑性階段，其中三角形板角點處由于應(yīng)力集中，應(yīng)力增長較快，此處應(yīng)力最大。凹槽處連接板由于通過螺栓與下部結(jié)構(gòu)連接，此處連接較弱，屋面三角形板所承受的豎向荷載均通過連接板傳給螺栓，容易產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)破壞。發(fā)生最大位移節(jié)點的應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖15所示。
2.5、模態(tài)計算
通過對結(jié)構(gòu)的模態(tài)分析，得到其前5階振型和周期，計算結(jié)果見表2，前5階振型見圖16～圖20。
可知：隨著振型階數(shù)提高，其頻率逐漸增加，周期逐漸減少。總體來說，各階振型結(jié)構(gòu)的變形位置分布整體相似，大部分三角形板都發(fā)生變形。其中第3階和第5階振型中，結(jié)構(gòu)中間的三角板變形較小。第1階和第4階振型中結(jié)構(gòu)變形相對均勻。
2.6、風(fēng)壓時程分析
風(fēng)振時程分析中，風(fēng)壓時程取自某實際屋蓋結(jié)構(gòu)的風(fēng)洞試驗數(shù)據(jù)。結(jié)構(gòu)50年一遇基本風(fēng)壓為0.5 kPa，模型比例為1/200，參考高度為45 m，采樣頻率為313 Hz。結(jié)構(gòu)表面風(fēng)向角如圖21所示。選取5個測點數(shù)據(jù)對結(jié)構(gòu)進(jìn)行風(fēng)壓時程分析，這5個測點選自于屋蓋表面風(fēng)壓極值大的區(qū)域，分別為270°風(fēng)向角G5(1號點)、315°風(fēng)向角E30(2號點)、270°風(fēng)向角A44(3號點)、300°風(fēng)向角A4(4號點)、90°風(fēng)向角D7(5號點)。將風(fēng)壓時程轉(zhuǎn)化為時間-力時程作用于三角形板各個節(jié)點處，分析其在5種時間-力時程作用下的受力及變形。
風(fēng)壓時程分析時，取試驗數(shù)據(jù)的前1000步，時間步長為0.04367 s，時間-力函數(shù)的縱坐標(biāo)為作用于節(jié)點的力。270°風(fēng)向角G5測點時間-力函數(shù)如圖22所示。
在270°風(fēng)向角G5測點時間-力函數(shù)作用下，連續(xù)焊接金屬屋面系統(tǒng)的最大位移響應(yīng)云圖和最大應(yīng)力響應(yīng)云圖如圖23、圖24所示。
采用相同荷載步數(shù)和時間步長，分別選取315°風(fēng)向角E30、270°風(fēng)向角A44、300°風(fēng)向角A4、90°風(fēng)向角D7測點處的時間-力函數(shù)對屋面板進(jìn)行風(fēng)壓動力時程分析，得到與各測點對應(yīng)的連接處相對位移響應(yīng)，根據(jù)各測點位移響應(yīng)計算結(jié)果得到的結(jié)論與270°風(fēng)向角G5測點處相對位移響應(yīng)基本一致。
由各個測點處的最大位移、應(yīng)力響應(yīng)可以看出，當(dāng)風(fēng)荷載較小時，鋁板的位移和應(yīng)力處于較低水平；當(dāng)荷載持續(xù)增大至一定程度時，位于屋面板支座兩側(cè)的豎向板將率先向外翹起，接著三角形鋁板中部拱起，使得鋁板的邊緣和豎向板反復(fù)拉壓，造成此處產(chǎn)生較大的塑性變形，最終導(dǎo)致屋面失效破壞。
連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)是一種新型的屋面板連接體系，其連接可靠、抗風(fēng)性能良好，適宜作為大型公共建筑物的圍護結(jié)構(gòu)。本文以連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)屋面鋁板為研究對象，基于MIDAS Fea有限元軟件建立相應(yīng)的模型，主要研究工作與取得的結(jié)論如下：
1)鋁板屋面三角形板連接凹槽處應(yīng)力較大，且首先進(jìn)入塑性階段，其中三角形板角點處由于應(yīng)力集中，應(yīng)力增長較快，且應(yīng)力最大。屋面板在凹槽處連接板上采用螺栓與下部結(jié)構(gòu)相連，此處是薄弱環(huán)節(jié)，因為三角形屋面板將其分配到的豎向荷載全部在連接板處傳遞至螺栓上，存在應(yīng)力集中的問題，故容易在此處最先發(fā)生破壞。此時連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)的內(nèi)部構(gòu)造層依然完好。因此，若要保證金屬鋁板良好的抗風(fēng)能力，除了要保證檁條和板型合理外，更要確保緊固件的設(shè)計達(dá)到可靠連接。
2)當(dāng)荷載增大到一定程度時，在屋面板支座兩側(cè)的豎向板最先產(chǎn)生向外翹起的塑性變形；荷載再進(jìn)一步增大后，三角形鋁板中部向上拱起，導(dǎo)致鋁板邊緣與支座兩側(cè)的豎向板不斷拉伸、擠壓，最終造成此處等效Mises應(yīng)力增長較快，產(chǎn)生塑性變形，且變形量迅速增大。
3)要加強連續(xù)金屬屋面鋁板的抗風(fēng)性能，不僅應(yīng)采用自身強度高的板材，避免因板中撓度過大影響其使用性能，還應(yīng)加強凹槽處連接板的螺栓與下部結(jié)構(gòu)連接，避免該處因出現(xiàn)應(yīng)力集中導(dǎo)致結(jié)構(gòu)過早破壞，同時應(yīng)注意金屬屋面鋁板施工質(zhì)量控制，保證鋁板可靠連接。
