首页 > 论文范文 > 工程工业论文 > 工程综合论文 > 工程设计论文 > 一种直立锁边金属屋面的抗风揭设计的受力分析

一种直立锁边金属屋面的抗风揭设计的受力分析

2024-06-25 64 上传者：管理员

摘要：针对直立锁边金属屋面系统常采用U型压条与抗风夹的抗风揭措施，存在抗风揭效率低、外形不够美观等缺点，通过在屋面板的T型支座下方铺设一层防水卷材TPO，并基于其极佳气密性、低弹性模量的特性改进了现有直立锁边金属屋面的抗风揭设计。其原理为利用TPO的高气密性、高柔性，优先消耗屋面风产生的吸力；当TPO与屋面板接触后，两者共同承受风荷载，使整个系统的抗风揭性能得到提升。最后通过数值计算其抗风揭性能，相比于传统金属屋面系统，其抗风揭性能具有明显提升。

关键词：
TPO防水卷材
建筑结构
抗风夹
抗风揭性能
极佳气密性
加入收藏

1980年左右，上海工程师引入金属屋面系统到中国，并将其首次使用在上海宝钢项目的工程中，此后工程师们迅速发现金属屋面系统在各类建筑结构维护方面的优势[1]。由于金属屋面系统主要采用铝合金制作，因而具有质轻、强度高、可塑性强、耐腐蚀、施工方便等优点，在不断发展的同时亦得到了愈加广泛的应用。金属屋面系统从早期仅用在工业建筑（厂房、加工棚）中，到如今标志性大跨度建筑都可见，其已经成为了重要的建筑系统之一。

抗风揭性能是金属屋面系统设计中的一个重要指标，大量使用金属屋面的建筑由于抗风揭能力较差，在风荷载作用下发生了屋面被掀起、撕裂的风揭破坏[2,3]。在实际工程与试验中发现，铝合金金属屋面系统失效模式主要有：屋面板直立锁边咬合连接的脱开、屋面板的撕裂或掀开、T型支座的失效以及自攻螺钉连接的失效。因此在实际工程中，大多需要额外增加U型压条和抗风夹以增加屋面系统的抗风效率，但其提升效率仍不高。

为提高直立锁边屋面系统的抗风性能，本文设计了一种双层金属屋面系统，由铝合金屋面板、T型支座、高分子防水卷材TPO组成，中间不设置其他结构。将传统屋面系统中的保温层、隔音层、防潮层设置在TPO防水卷材的下方，使TPO成为最接近铝合金屋面板的材料。为验证此方法的可行性，通过计算模拟承受风荷载时该屋面板的变形，结果显示该结构满足受力要求，抗风揭能力较强。

1、双层金属屋面抗风揭的设计

1.1 TPO防水卷材性能

TPO（热塑性聚oleofin）防水卷材是一种用于建筑屋面和地下室防水的材料，具有许多卓越的性能和优点：

(1) TPO防水卷材具有较好的柔韧性，能够适应建筑结构的变形，不易开裂。（2) TPO防水卷材可以通过热风枪或其它方式进行热焊接，确保接缝处的完整性，提高了防水层的可靠性。（3) TPO防水卷材在日晒和极端温度条件下保持出色的性能，具有出色的耐候性，不易老化。（4）相比传统的防水材料，TPO防水卷材重量轻，灵活性好，安装方便，可大幅缩短工期。

1.2整体模型设计

为了最大程度的利用TPO防水卷材的柔性与极佳气密性，该双层屋面板将TPO直接铺设在铝合金屋面板的下方，并预留一部分空间供TPO变形。其构造如图1和图2。

1.3抗风揭原理

在风荷载作用下该双层屋面的受力、变形过程如图3。由于TPO具有极佳的气密性且其弹性模量一般在400 Mpa～1 000 Mpa范围内，而铝合金屋面板搭接存在一定缝隙（见图4）且其弹性模量大多能达到70 000 Mpa。因此当屋面板系统承受风荷载时，会呈现出两个受力阶段：（1) TPO会首先单独承受风荷载产生的吸力而变形，但未与铝合金屋面板接触；（2)TPO弯曲变形接触到铝合金屋面板后，两者共同承受风压，直立锁边屋面板系统的抗风揭性能得到较大提升。

图1屋面板构造

图2单跨屋面板三维图

图3屋面板三维图

图4屋面板搭接缝隙位置

2、数值建模信息

2.1材料参数

为了研究在屋面板下增加TPO材料对其抗风揭性能的提升效果，分别对是否铺设TPO进行风压计算。使用ABAQUS提供的各向同性金属模型来模拟铝合金、TPO材料，并取文献[4]提供的铝合金材料弹塑性参数、弹性模量与密度等参数。主要材料弹塑性参数如表1，其中为了使计算结果收敛，铝合金采用双折线模型。屋面板尺寸为400 mm*1 500 mm，厚度取1mm,TPO板厚度2 mm，支座高110 mm。

表1材料具体参数

2.2荷载与边界条件

T型支座与TPO所采用的单元类型为三维八节点减缩积分实体单元（C3D8R），屋面板采用壳单元中的四节点曲壳单元（S4R）；直立锁边与T型支座梅花头、屋面板与TPO的接触截面的切向行为均采用罚函数，摩擦系数取0.15，法向行为均采用硬接触。

为简化模型，支座与TPO采用绑定约束来模拟螺钉连接，直立锁边上的抗风夹采用约束直立锁边顶部U2方向位移、UR1、UR3方向的转角来模拟。此外，屋面板一端约束U3方向位移、UR1、UR2方向的转角，支座只约束三个方向的位移（图5）。两种模型的风荷载都采用压强的方式施加，通过幅值加载的方式分别设置在TPO、屋面板的下表面。

3、结果分析

3.1跨中挠度

图6是两种模型在风荷载下的跨中挠度对比曲线，图7是屋面板在风荷载不断增大时的变形图。

由图可知，铺设TPO后屋面板在风荷载下的挠度变化明显变缓、变小。在风压小于0.45 kpa时，TPO卷材独立承受风荷载；当风压达到设计值0.75 kpa时，TPO、屋面板的跨中挠度分别为44 mm、1 mm，屋面板挠度变形小于限值10 mm；当风压达到12.5 kpa时，屋面板跨中挠度24.5 mm，支座与屋面板锁边卡口的连接处未脱开。

图5模型边界条件

图6模型边界条件

3.2直立锁边(卡口)横向变形

基于抗风失效判定依据（一般认为卡口处横向变形超过3 mm时，屋面系统失效），直立锁边金属屋面系统有限元模型发生何种破坏形式，需要对锁边节点处的卡口变形进行下一步分析。图8为两种模型在风荷载下卡口处横向变形曲线。

图7跨中挠度

由图可知：（1）铺设TPO卷材后，在OA段，由于风荷载仅由TPO承受，卡口横向几乎不变；（2）在AB段，随着风荷载不断增大，TPO与屋面板的接触面积不断增大，屋面板在A点没有完全参与承受风荷载，导致卡口的横向变形增长较快；（3) B点之后，TPO板与屋面板完全接触，两者完全共同受力，使BD段卡口横向变形增长缓慢，当风压达到12.5 kpa时，横向变形为2.5 mm，屋面系统稳定。

图8边界条件与载荷

4、结论

本文针对传统金属屋面系统中单一增加抗风压条或抗风夹时抗风揭性能提升有限，改进设计了一种基于极佳气密性防水卷材的双层金属屋面系统。然后，设计了尺寸为400*1 500*1 mm的屋面板模型，并使用有限元数值模拟，验证了模型的可行性和抗风揭性能，为实际工程提供了一种新的沟渠设计思路。

参考文献:

[1]黄唯,董伟明.金属屋面的发展概述与应用分类[J].建筑技术,2015,46(12):1103-1107.

[2]龙文志.提高金属屋面抗风力技术问题的探讨[J].建筑技术,2013,44(7):582-588.

[3]葛连福.压型铝屋面板抗风揭性能分析[J].钢结构,2015,30(7):28-37.

[4]李松阳.直立锁边金属屋面系统抗风性能的参数研究[D].武汉:湖北工业大学,2021.

文章来源:许春龙.一种直立锁边金属屋面的抗风揭设计的受力分析[J].科学技术创新,2024(13):185-188.