风吸力作用下檩条畸变屈曲与整体弯扭屈曲

发布时间：2020-07-17 02:19

【摘要】：C形和Z形檩条是目前檩条—屋面板系统中最常用的两种类型。受到风荷载时,因其上翼缘与屋面板通过自攻螺钉或者滑动支座相连,会受到来自屋面板的侧向约束和转动约束,而下翼缘为自由翼缘且处于受压状态。根据约束情况的不同,檩条可能发生整体屈曲、畸变屈曲或者局部屈曲。除了局部屈曲和无拉条情况下的整体屈曲研究比较成熟以外,畸变屈曲和有拉条的整体弯扭屈曲仍有许多问题值得探讨。本课题主要着眼于研究檩条的稳定性,尤其是风吸力作用下的檩条的畸变屈曲和整体弯扭屈曲。本文首先根据经典的薄壁结构理论,推导了开口薄壁构件弯扭失稳的非线性总势能。在现有求解檩条畸变屈曲较为流行的Hancock模型的基础上,提出了考虑部分腹板的翼缘—卷边改进模型。推导了屈曲时腹板为受压翼缘和卷边区域提供的转动约束和侧向位移约束,并提出了转动约束和侧向位移约束之间的相互作用关系。对于C形檩条,使用本文新提出的模型,求解了其强轴(x轴)受弯、弱轴(y轴)受弯、受双力矩时的畸变屈曲和整体弯扭屈曲。在非线性总势能中考虑两个相互作用弹簧的弹性势能,通过Ritz法进行求解,得到屈曲系数。推导了双力矩沿长度方向分布不均匀的情况,对理论计算模型进行了修正。使用有限元软件ANSYS进行对比验证。选择了 20个实际工程中常用的C形檩条进行求解,结果与有限元吻合的很好,且计算精度比Hancock方法更好。研究了翼缘宽度、卷边宽度对C形檩条屈曲的影响。增大翼缘宽度、卷边宽度都有助于提高畸变屈曲系数。提出了 C形檩条强轴(x轴)受弯、弱轴(y轴)受弯、受双力矩时的畸变屈曲系数的拟合公式,拟合值与有限元计算结果吻合的很好。将本文方法计算得到的弹性屈曲弯矩代入直接强度法,可以得到名义畸变屈曲弯矩。对比有限条方法(CUFSM)计算结果和试验结果,均吻合得非常好。对于Z形檩条,在本文新提出的求解畸变屈曲与弯扭屈曲的统一模型的基础上,研究了 Z形檩条x轴受弯与y轴受弯时的畸变屈曲与整体弯扭屈曲。与有限元方法的结果进行了对比,说明了用本文方法求解的合理性。改变翼缘宽度、卷边宽度都会对Z形檩条的畸变屈曲、整体弯扭产生明显的影响。增大翼缘宽度、卷边高度都有助于提高屈曲系数。研究了卷边角度对Z形檩条受弯时屈曲系数的影响。当卷边角度从90°变化成45°时,畸变屈曲系数会下降约30%。对于整体弯扭屈曲系数,则略有上升,但增幅不明显。给出了考虑斜卷边角度变化的Z形檩条x轴、y轴受弯时的畸变屈曲拟合公式。与有限元计算结果及已有试验结果对比,均吻合的非常好。通过九组屋面板—檩条足尺试验,研究了不同拉条数目、拉条类型、檩条类型、屋面板连接件类型对于屋面板—檩条系统在风吸力情况下稳定性的影响。对用于本次试验的C形檩条,增加拉条的数目可以有效提高其屈曲荷载。对于Z形檩条,增加拉条数目并未提升其屈曲荷载值,使用柔性拉条的试件比使用刚性拉条试件屈曲荷载更高。设置拉条可以有效地减少檩条自由翼缘的水平位移。对于竖向位移,增加拉条数目可以适当减小位移值,但效果并不明显。Z形檩条因其本身截面特性,且考虑到滑动支座屋面可以对檩条提供有效的转动约束,在风吸力作用下Z形檩条屈曲前截面转角较小。对于C形檩条,当荷载增加时,其截面绕上翼缘与屋面接触点的转角可达15°以上,增加拉条数目或者将自攻螺钉连接的屋面板改为滑动支座连接屋面均可以有效地减少其截面转角。基于本次试验的结果,我们发现使用相同屋面板连接件和拉条数目时,C形檩条比Z形檩条屈曲荷载更高。自攻螺钉连接的屋面体系整体性强略强于滑动支座连接的屋面板体系。建立简化的有限元试件模型,与试验结果对比,两者屈曲模态符合的比较好。将弹性屈曲临界弯矩代入直接强度法,得到名义屈曲弯矩,与试验值对比,也吻合的较好。
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU392.1
【图文】：

图１．１常见压型钢板类型逡逑

．逦ｃ．扣合压型钢板逡逑图１．１常见压型钢板类型逡逑面连接件逡逑屋面板需要通过连接件与建筑水平受力构件进行连接。根据连接的主要分成两大类。一类是自攻螺钉连接（Ｔｈｒｏｕｇｈ－ｆａｓｔｅｎｅｄ），另一件连接（Ｃｏｎｃｅａｌｅｄ邋ｆａｓｔｅｎｅｒ）。逡逑螺钉连接的屋面板是通过自攻螺钉穿过垫片以及相互搭接的屋面互连接，并由垫片对屋面板进行密封。在屋面整体完成安装之后，看见用于连接的自攻螺钉。一些对密封要求较高的屋面则需要对连艺处理，以保证在自然冷热循环情况下，自攻螺钉处的密封性。逡逑

螺钉相互连接。上部的滑片被扣在相互叠放的屋面板之间，通过咬合机完成屋面板逡逑和滑片的相互咬合连接。部分滑片与支架基座之间可以发生有限的相互滑动，从而逡逑调节释放因整个屋面体系因为环境温度变化在纵向变形而产生的温度应力。图１．３逡逑是一种常见的立缝支架示意图。逡逑图１．３立缝支架示意图逡逑暗扣支架上部与立缝支架不同，是通过一个类似弹簧扣的构造措施与压型钢板逡逑完成咬合连接，下部同样通过自攻螺钉与檩条进行连接。根据压型钢板的截面尺寸逡逑不同，需要设计不同的形状的暗扣。图１．４是一种国内常用的暗扣连接方式示意图。逡逑隐藏构件连接的屋面板目前越来越多的被采用，其最主要的一个原因是屋面整体形逡逑成了一个密封的体系，可以保证室内环境不被雨水干扰，且能够更好地释放因温度逡逑变化而产生的应力。逡逑压型钢板逦ｙｖ逡逑暗扣支逡逑＞逦檩条逦邋＞逡逑图１．４暗扣支架连接逡逑４逡逑

本文编号：2758847