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1、轻钢屋面板连接支架抗风性能研究摘要：风荷载作用下轻钢屋面板破坏的主要原因之一，是在风荷载的反复作用下屋面板与支架间位移过大产生滑移，故研究如何改进支架与屋面板连接处的抗弯刚度有着重要的意义。本文通过有限元软件ansys对HV470B型屋面板支架进行风荷载作用下的承载能力分析，对其在构造上进行了研究和改进，并对改进的屋面板支架进行同等风荷载作用下的受力分析，从而提出抗风能力较强的新型屋面板支架。关键词：轻钢屋面板 支架 风荷载 抗弯能力1.引言 随着国民经济的发展，钢结构建筑自上世纪九十年代得到了迅速的发展。轻钢屋面体系以其自重轻，施工方便、快捷在钢结构建筑体系中得到广泛的使用。但在我国的浙江、
2、广东等沿海地区建造的轻钢屋面工程，在强台风作用下轻钢屋面体系破坏严重。2004年0414号云娜台风在浙江省台州温岭登陆，横扫台州全境，造成轻钢工业厂房大面积的破坏【1】。故而研究如何提高轻钢屋面的抗风能力显得尤为重要。轻钢屋面板连接中普遍使用的470B型屋面板支架(如图1)，该支架能适应温差下的屋面板自由伸缩，采用直立锁边360度咬合技术。作者通过有限元软件Ansys模拟该支架在风荷载作用下的承载力，从支架的抗风性能、综合材料成本、力学性能三个方面对比，提出一种新型的高强度轻钢屋面板连接抗风支架。 2.轻钢屋面板系统在风荷载作用下的破坏形式及其因素 轻钢建筑金属屋面板系统，为了避免屋面板由于穿
3、孔连接导致屋面渗漏，屋面压型钢板与檩条之间通过支架咬合连接。支架的性能对屋面板的抗风承载力影响较明显【2】。据文献2的试验研究表明，暗扣式屋面板在风吸力作用下可能出现的极限状态有：1)支架与檩条间连接自攻螺钉连接破坏；2)屋面板与支架连接破坏；3)屋面板跨中挠度太大，影响正常使用和屋面排水。暗扣式屋面板的抗风承载力应是三中极限状态对应承载力中的最小值，三种承载力中一般第二种最小，即暗扣式屋面板的抗风承载力主要取决于屋面板与支架的连接性能，而支架与屋面板连接部位脱开的主要原因是支架与屋面板连接处位移过大(变形不协调)，因此如何改进现有屋面板支架，提出成本低、抗风性能强的屋面板支架值得探讨。 3.
4、数值模拟分析 本文所采用的支架材质为Q235B，支架底座板1厚度1.5mm，支架滑移板2厚度0.6mm，弹性模量E=2e5Mpa，泊松比0.3，按线弹性分析，数值模拟分析采用的有限单元为solid45【3】。取均布风荷载值为1.0，屋面板檩条间距取1.5m，屋面板宽度为0.47m，每个支架上的风吸力:F=1.0x1.5x0.47x1000=705N。考虑屋面板与支架咬合后的支架受力情况，在咬合后的屋面板与支架连接处施加风吸力，且只考虑支架的风荷载工况；支座约束在支架与屋面檩条以自攻螺钉连接处的孔壁附近。 3.1 470B支架的抗风性能分析 分析模型的试件为某公司生产的470B型屋面板支架，其尺
5、寸如图1所示，三维模型如图2所示。支架由滑移板2与底座板1两部分组成，滑动板2嵌在带滑槽的底座板1中。底座板1长105mm，高45mm，通过自攻螺钉与屋面檩条连接，其上带有长度80mm的滑槽3，使屋面板在温差作用下可以伸缩，底座板两端带半径的圆弧缺口。 图1470B支架尺寸图 图2 470B三维图 经ansys分析得到HV470B型支架的mises应力与弯曲方向变形如图3、4所示。 图3 支架等效应力图 图4 支架弯曲方向变形图 从图3、4中可以看出支架最大等效应力为483.17，在滑动板中下部位；最大弯曲方向位移位于滑动板上部，位移量为2.916mm； 3.2 改进支架的抗风性能分析 改进支
6、架是其尺寸如图5所示，三维模型如图6所示。支架由滑移板2与底座板1两部分组成，滑动板2嵌在带滑槽的底座板1中。底座板1长95mm，高45mm，通过自攻螺钉与屋面檩条连接，其上带有长度70mm的滑槽3，使屋面板在温差作用下可以伸缩，底座板两端带半径的圆弧缺口。 图5 改进支架尺寸图 图6 改进支架的三维图 改进的内容包括：滑槽3由原来的80mm减少到70mm，相应支架1长105mm减少到95mm；通过对470B支架受力分析，从应力图中对等效应力较小的部位，进行了圆弧状切割；为了提高滑动板2的抗弯刚度，增加支撑竖板5。 3.2.1改进支架在温差作用下滑移量验算 温差作用下，结构变形量与温差的关系式
7、如下(1) (1) 其中，L为屋面板长度； 为钢材线膨胀系数； 为屋面板伸长量； 为温差值； 分析屋面板在温差作用下的伸缩，取一般条件下，温差较大取40度；取1.17e-5；改进支架最大变形量为70mm；经计算得屋面板单坡长度为145m，满足一般工业厂房的要求。 3.2.2改进支架抗风性能有限元分析 经ansys分析得到改进支架的mises应力与弯曲方向变形如图7、8所示。经改进后性能提高见表1所示。 图7 改进支架等效应力图 图8改进支架弯曲方向位移图 表1 表1 470B型屋面板支架与改进支架性能对比表 从上表1得知，改进支架与现有470B支架在相同的风荷载作用下，等效应力降低27.95%，位移减少44.2%，支架重量减轻3.57%。 4.总结 本文通过对现有轻钢HV470B型屋面板连接支架的受力及构造研究基础上，提出了改进现有连接支架的构造，得到了一种新型的屋面连接支架。该提高了轻钢屋面的抗风承载力，同时降低了材料成本，可获得了良好的社会效益。 参考文献: 【1】 潘赛军、耿晓清等.浙江台州工业厂房0414号台风受损失原因剖析与对策探讨，钢结构，2005，06(2). 【2】 梁炜宇等.暗扣式屋面板扣件抗风性能分析，浙江工业大学学报，2007.8，35(4). 【3】 王新敏.Ansys工程结构数值分析，人民交通出版社，2007.10.