冷弯薄壁檩条屈曲承载力计算模型及其在风灾评估中的应用

发布时间：2020-10-08 20:28

　　冷弯薄壁檩条与压型钢板、连接件(自攻钉)组成屋面系统在轻钢结构中广泛应用。在受到风吸力作用时,檩条上翼缘受拉,下翼缘受压,上翼缘受压型钢板约束作用而下翼缘约束较少。风荷载不经过檩条截面剪心,引起的翘曲扭转作用,与上下翼缘约束不对称耦合导致檩条截面应力分布较为复杂,进而影响檩条屈曲模式及屈曲承载力。另外,檩条—覆板系统中的连接件在风灾中会遭受由风致疲劳引起的损伤,从而削弱压型钢板约束作用对檩条屈曲承载力的增强效应,而檩条在风灾过后的剩余屈曲承载力对于其能否按设计要求完成服役非常重要。所以,建立一个合理精确的檩条屈曲承载力计算模型用于初始设计以及灾后性能评估成为冷弯薄壁檩条抗风设计及灾后评估的关键科学问题。本文以简支冷弯薄壁C/Z形檩条为研究对象,提出了适用于简支檩条在压型钢板约束作用下的力学概念模型以及精细化檩条屈曲承载力计算模型,并基于精细化檩条屈曲承载力计算模型得到的檩条系统在风荷载作用下的抗力退化规律进行了基于概率的檩条抗风性能评估,为轻钢结构屋面系统基于性能的抗风设计提供坚实的理论支撑。主要内容可分为以下几部分:首先,回顾了轻钢结构在强风作用下面临的挑战以及目前各个组成部分抗风性能的研究现状,重点归纳了过去几十年冷弯薄壁檩条抗风设计计算模型发展历程以及研究情况,给出檩条设计中不同计算模型的特点,总结出了目前需要解决的关键科学问题。其次,对中国东南沿海典型城市轻钢结构在台风及龙卷风过后的风致破坏情况尤其是风致屋面系统损伤情况进行了实地调研,并基于调研结果给出了轻钢结构在风灾过后的典型破坏特征。然后,通过提出的简支C/Z形檩条在风吸力作用下的力学概念模型,定性研究了压型钢板连续约束作用对檩条应力、位移、屈曲承载力等关键性能的影响。将力学概念模型扩展至精细化檩条屈曲计算模型,该模型结合薄壁杆件力学理论,给出了简支冷弯薄壁C/Z形檩条在风吸力作用下考虑压型钢板作用、荷载偏心及平面外稳定等影响的微分方程,得到檩条非线性弯扭屈曲破坏全过程曲线;通过迭代方式,利用有限条法计算程序CUFSM,得到了檩条的弹性屈曲极限状态,改进了直接强度设计法(Direct Strength Method),得到了考虑屈曲相关作用的檩条屈曲极限承载力;依据相关试验资料以及数值计算结果,验证了模型的精度。再次,通过精细化檩条屈曲承载力计算模型,分析了压型钢板对檩条的约束刚度、自攻钉位置变化等因素对檩条屈曲极限状态的影响,并得到了檩条屈曲极限状态随压型钢板约束作用变化的关系,为进一步研究檩条在风灾过后性能评估提供理论基础。最后,基于提出的精细化檩条屈曲承载力计算模型,并结合时变可靠度理论,得到了檩条在台风作用后的时变可靠度变化规律,进行了全寿命周期预测及损伤评估,并通过设定合理的性能状态,得到了轻钢结构屋面檩条系统基于不同损伤状态的易损性曲线,回归出相应的数学公式,为轻钢结构基于性能的抗风设计、寿命预测及灾后损伤状态评估提供坚实的理论基础。
【学位单位】：北京交通大学
【学位级别】：博士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TU392.1
【部分图文】：

示意图,檩条,破坏情况,台风

重于初始设计，而忽略了其各个模型在灾后评估方面的应用，现将檩条抗风设计计逡逑算模型阐述如下。逡逑如图１－５所不，轻钢结构屋面系统一般被称之为檩条－覆板系统（Ｐｕｒｌｉｎ－Ｓｈｅｅｔｉｎｇ逡逑系统，简称Ｐ－Ｓ系统）由压型钢板、连接件以及檩条组成（如图１－５所示），三者逡逑共同作用决定系统的抗风极限承载力。Ｐ－Ｓ系统抗风性能研宄在国内外己经开展了逡逑几十年，各国学者采用理论、数值及试验手段对Ｐ－Ｓ系统的抗风性能进行了研究。逡逑梁连接件逡逑图１－５檩条－覆板系统组成示意图逡逑Ｆｉｇ．邋１－５邋Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ邋ｄｉａｇｒａｍ邋ｆｏｒ邋Ｃ／Ｚ－ｓｅｃｔｉｏｎ邋ｏｆ邋Ｐｕｒｌｉｎ－Ｓｈｅｅｔｉｎｇ邋ｓｙｓｔｅｍｓ逡逑针对檩条抗风设计的研宄成果主要包括两个方面：１、压型钢板对檩条约束作逡逑用模型；２、檩条在风吸力作用下考虑压型钢板约束作用时屈曲计算模型。逡逑１．２．２．１压型钢板对檩条上翼缘约束刚度计算模型逡逑为了精确预测屋面系统中檩条在风吸力作用下的力学性能，首先需要提出合逡逑理的计算模型来描述檩条受到的压型钢板约束作用。Ｈａｎｃｏｃｋ和ＴｒａｈａＷ３９］提出了逡逑６逡逑

示意图,檩条,覆板,系统组成

（ｃ）台风“拉里”，昆士兰２００７州逦（ｄ）台风“彩虹”，广东湛江２０１５［８】逡逑图１－４冷弯薄壁檩条在台风作用下的破坏情况逡逑Ｆｉｇ．邋１－４邋Ｔｈｅ邋ｄａｍａｇｅ邋ｏｆ邋ｃｏｌｄ－ｆｏｒｍｅｄ邋ｐｕｒｌｉｎｓ邋ｕｎｄｅｒ邋ｔｙｐｈｏｏｎ邋ｈａｚａｒｄｓ逡逑风吸力不经过檩条剪心，从而引起檩条翘曲扭转，产生翘曲应力，檩条上翼缘逡逑受到压型钢板约束作用处于受拉状态，下翼缘自由处于受压状态，使得檩条在风吸逡逑力作用时会存在局部或整体稳定问题，成为轻钢结构屋面系统抗风设计的关键因逡逑素之一。而合理的计算模型对于冷弯薄壁檩条在风吸力作用下的屈曲损伤机理以逡逑及风灾损伤状态评估尤为重要。冷弯薄壁型钢檩条的抗风设计研宄已经有几十年逡逑的历史，取得了很多重要有价值的成果，但目前存在的檩条抗风屈曲计算模型多侧逡逑重于初始设计，而忽略了其各个模型在灾后评估方面的应用，现将檩条抗风设计计逡逑算模型阐述如下。逡逑如图１－５所不，轻钢结构屋面系统一般被称之为檩条－覆板系统（Ｐｕｒｌｉｎ－Ｓｈｅｅｔｉｎｇ逡逑系统，简称Ｐ－Ｓ系统）由压型钢板、连接件以及檩条组成（如图１－５所示），三者逡逑共同作用决定系统的抗风极限承载力。Ｐ－Ｓ系统抗风性能研宄在国内外己经开展了逡逑几十年

檩条,弯扭屈曲,局部屈曲,风吸力

１．２．２．２风吸力作用下檩条屈曲计算模型逡逑檩条在风吸力作用下有三种屈曲模式，分别为局部屈曲、畸变屈曲和弯扭屈曲逡逑如图１－６所示。逡逑Ｐ１逦Ｐ逦Ｐ逡逑／邋４逡逑：Ｌｓ逦ｉＬａ逡逑（ａ）局部屈曲逦（ｂ）畸变屈曲逦（ｃ）弯扭屈曲逡逑图１－６檩条屈曲三种模式逡逑Ｆｉｇ．邋１－６邋Ｔｈｒｅｅ邋ｂｕｃｋｌｉｎｇ邋ｍｏｄｅｓ邋ｏｆ邋ｔｈｅ邋ｐｕｒｌｉｎ逡逑从图１－６中可以看出，局部屈曲和畸变屈曲是截面的变形，而弯扭屈曲在截面逡逑层次上没有变形，是构件整体的变形。局部屈曲腹板与下翼缘在交界处转角连续且逡逑保持垂直，畸变屈曲下翼缘与腹板交界处以及下翼缘与卷边交界处均会发生变形，逡逑不再保持垂直，弯扭屈曲时截面保持刚性。逡逑国内外学者对于檩条在风吸力作用下的失效全过程研究主要包括，Ｐｅｋ６ｚ和逡逑Ｓｏｒｏｕｓｈｉａｎ［５０】、ＬａＢｏｕｂｅ丨５卜５３］、Ｈａｎｃｏｃｋｅｔａｌ＿［５４］、Ｆｉｓｈｅｒ［５５］、Ｒｏｕｓｃｈ邋和邋Ｈａｎｃｏｃｋ［５６］、逡逑Ｇａｏ和Ｍｏｅｎ［５７ｌ等人利用试验方法得到了不同情况下Ｃ形和Ｚ形简支檩条在风吸逡逑力作用下的屈曲模式以及相应屈曲极限承载力，为檩条抗风设计的理论研宄提供逡逑了丰富的科研数据。基于试验研究成果，研究人员针对檩条不同的屈曲模式以及屈逡逑曲承载力提出了不同的计算方法。主要包括弹性地基梁模型、经典弯扭屈曲模型、逡逑折减系数法、有限元法、有限条法、直接强度设计法

【参考文献】