溫度作用下直立鎖邊鋁合金屋面系統(tǒng)力學(xué)性能試驗(yàn)研究*

吳小蕙, 王彥峰, 李嘉杰, 王明明, 汪大洋

(1 廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣州 510080；2 廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣州 510006)

0 概述

近年來金屬屋面系統(tǒng)以高強(qiáng)度和輕質(zhì)材料的特征已廣泛用于大跨度結(jié)構(gòu),例如航站樓、火車站和體育場館[1-2]。在長期性的太陽輻射和溫度變化作用下,結(jié)構(gòu)形成顯著的溫度應(yīng)力和溫度變形。對屋面系統(tǒng)溫度作用下的力學(xué)性能研究,將有助于更好了解屋面系統(tǒng)的使用壽命。

國外對金屬屋面的研究較早,且形成了關(guān)于屋面抗風(fēng)的標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)方法,例如美國規(guī)范ANSI/FM 4474-2004[3]和ASTM E1592-05[4]等。Sivapathasundaram等[5]針對屋面板與檁條的連接薄弱部位進(jìn)行試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究,建立檁條的失效曲線。Myuran等[6]對金屬屋面板進(jìn)行一系列的循環(huán)風(fēng)荷載試驗(yàn),提出一種基于簡單方程的屋面板疲勞貫穿失效設(shè)計(jì)方法。國內(nèi)學(xué)者高翔、秦國鵬、常波等[7-9]考察了固定支座、鎖夾類型與數(shù)量等參數(shù)對直立鎖邊金屬屋面抗風(fēng)揭、風(fēng)壓性能的影響。然而,在日照作用下,結(jié)構(gòu)溫度場發(fā)生大幅度的復(fù)雜變化,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)產(chǎn)生顯著溫度應(yīng)力和溫度變形[10-11]。目前對于結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)研究主要針對大跨懸索橋[12]、鋼箱梁[13]、大壩結(jié)構(gòu)[14]和混凝土屋頂結(jié)構(gòu)[15],而對于金屬屋面系統(tǒng)溫度作用下的力學(xué)性能研究甚少。

綜上所述,金屬屋面系統(tǒng)的在溫度作用下的應(yīng)力和變形特性研究仍很缺乏。在實(shí)際工程中,關(guān)于屋面及其關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的溫度場效應(yīng)研究尚不清楚,對結(jié)構(gòu)的安全性存在極大的潛在危險。因此,本文針對直立鎖邊鋁合金屋面系統(tǒng)的溫度效應(yīng)開展試驗(yàn)研究。重點(diǎn)分析板肋、支座、板底和板面應(yīng)力和變形特性,并進(jìn)一步考慮不同溫度和約束條件等因素的影響,為實(shí)際工程的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗(yàn)簡介

1.1 測試試件

直立鎖邊屋面系統(tǒng)主要包括屋面板、支座、檁條和自攻螺釘?shù)?如圖1所示。屋面板在大幅度的溫差作用下,溫度效應(yīng)對屋面連接部件產(chǎn)生不利作用力,屋面板會產(chǎn)生一定的變形。測試試件應(yīng)由不少于3張完整的屋面板拼接而成,并應(yīng)包含完整的測試連接構(gòu)造。試件長10500mm、寬2038mm、厚0.9mm,材料為AA3004系列鋁鎂錳,單片屋面板寬度400mm,如圖2所示。屋面板彈性模量為69GPa,屈服強(qiáng)度190MPa,熱膨脹系數(shù)23.2×106/℃[16]。檁條長度為2000mm,截面尺寸100mm×60mm×4mm(長×寬×厚),檁條間距為1200mm。支座高度156mm,支座橫向間距400mm。自攻螺釘材料為復(fù)合不銹鋼,尺寸為4.8mm×22mm(直徑×長度)。

圖1 直立鎖邊屋面系統(tǒng)

圖2 測試試件

1.2 測試內(nèi)容

在板肋(SR)、支座(SP)、板面(SS)和板底(ST)布置應(yīng)變片來測量各部分的應(yīng)力,每個測點(diǎn)分別布置橫向和縱向兩個應(yīng)變片來測量橫向和縱向應(yīng)力,如圖3所示,其中SR1/2表示SR1、SR2兩個應(yīng)變片編號余同。所有應(yīng)變片奇數(shù)號為橫向布置,偶數(shù)號縱向布置。通過在不同跨度布置應(yīng)變片來綜合分析屋面系統(tǒng)的應(yīng)力分布,沿著X向分別在X-1跨和X-3跨布置,沿著Y向分別在Y-1跨、Y-2跨和Y-4跨布置。板肋和板面應(yīng)力還考慮支座處和非支座處之間的應(yīng)力差異。

圖3 應(yīng)變片布置

試驗(yàn)中通過布置位移傳感器來測量屋面板的水平和豎向位移。分別在屋面板的端部和底部布置位移傳感器,來測量屋面板沿著縱向的水平位移和板底、板肋的豎向位移,如圖4所示。其中,HD是測量屋面板的縱向水平位移,STD是測量板底的豎向位移,SRD是測量板肋的豎向位移。

圖4 位移傳感器布置

1.3 測試方案

本文測試系統(tǒng)包括保溫箱、試樣安裝平臺、溫度控制系統(tǒng)以及應(yīng)力、應(yīng)變和位移采集系統(tǒng),如圖5所示。其中,保溫箱可以通過溫度控制系統(tǒng)實(shí)時顯示和調(diào)節(jié)箱體內(nèi)溫度,箱體內(nèi)溫度通過試件上的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行判定,試件上還布置應(yīng)變片和位移傳感器來采集試件應(yīng)變和變形。

圖5 測試裝置

本文開展3組靜力加載測試(S1～S3),屋面板沿著縱向(X向)的兩個長邊界進(jìn)行自由釋放,沿著橫向考慮不同的端部約束形式,分別為兩端自由(S1)、一端固定(S2)、兩端固定(S3),端部約束方式如圖6所示。溫度加載參考美國規(guī)范AAMA501.5[17]。靜力加載最高溫差、最低溫度和溫度梯度分別為90、40℃和20℃[10]。加載方式采用溫度分級加載,每個階段持續(xù)15min,如圖7所示。

圖6 端部固定方式

圖7 S1和S2加載示意圖

2 結(jié)果分析

2.1 應(yīng)力分析

溫度加載下,不同約束條件下屋面系統(tǒng)應(yīng)力時程曲線比較相似,本文給出工況S1(兩端自由)應(yīng)力曲線如圖8所示。可知,隨著溫度的增加,屋面板各部分應(yīng)力逐漸增大。板肋、支座、板底和板面最大應(yīng)力分別為145、62、55、133MPa。對比發(fā)現(xiàn),板肋應(yīng)力最大,板面次之,板底應(yīng)力最小。各部分應(yīng)力均小于材料屈服強(qiáng)度,表明直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)未發(fā)生塑性損傷。

圖8 S1應(yīng)力時程曲線

不同溫度下,三種工況板肋、支座、板底和板面處最大應(yīng)力隨溫度變化曲線如圖9所示?？芍?隨著約束條件的改變各部分應(yīng)力均有所增加。S3板肋應(yīng)力較S1和S2分別增加了12.7%、22.6%,支座應(yīng)力分別增加14.2%、32.4%,板底應(yīng)力分別增加13.1%、23.2%,板面應(yīng)力分別增加了11.1%、18.9%。對比分析可知,工況S3板肋應(yīng)力最大為159MPa,達(dá)到屈服強(qiáng)度83.7%。對比發(fā)現(xiàn),支座處的增加幅度最大,板面增加幅度最小。

圖9 不同溫度下最大應(yīng)力

加載溫度達(dá)到120℃時,三種工況沿著X向板肋處的應(yīng)力變化曲線如圖10所示?？芍?X-1跨的板肋應(yīng)力要明顯大于X-3跨。沿著Y向邊跨的板肋應(yīng)力也大于跨中,可見邊跨的板肋應(yīng)力要明顯大于跨中。隨著約束條件增強(qiáng),板肋的應(yīng)力均呈現(xiàn)一定的增大趨勢。板肋的橫向和縱向應(yīng)力差異較小,支座板肋應(yīng)力要大于非支座。

圖10 X向板肋最大應(yīng)力

三種工況下沿著X向支座處的應(yīng)力變化曲線如圖11所示?？芍?隨著約束條件的改變支座應(yīng)力逐漸增大,最大應(yīng)力約78MPa,且支座的橫向和縱向應(yīng)力差值也越來越大;沿著X向三種工況下Y-2跨中的應(yīng)力均要大于Y-1跨、Y-4跨,且Y-1跨和Y-4跨的支座應(yīng)力比較相似。對比分析可知,支座應(yīng)力隨著約束條件改變而增加,支座的橫向和縱向應(yīng)力差異明顯。

圖11 X向支座最大應(yīng)力

三種工況下沿著X向板底處的應(yīng)力變化曲線如圖12所示?？芍?沿X向板底橫向應(yīng)力大致呈增加的趨勢,縱向應(yīng)力在Y-2跨位置最大;隨著端部約束條件增強(qiáng),板底應(yīng)力逐漸增大,最大板底應(yīng)力為58 MPa。對比分析可知,除邊跨外板底的縱向應(yīng)力均要大于橫向。

三種工況下沿著X向板面處的應(yīng)力變化曲線如圖13所示?？芍?X-1跨的板面應(yīng)力要大于X-2跨,支座處板面縱向應(yīng)力要大于非支座板面;隨著約束條件增強(qiáng),板面應(yīng)力也有所提高,最大板面應(yīng)力為139MPa。對比分析可知,板面應(yīng)力邊跨和跨中還是存在較大差異的,支座處的應(yīng)力要大于非支座處。

圖13 X向板面最大應(yīng)力

2.2 位移分析

本文只給出工況S1位移時程曲線,如圖14所示?？芍?屋面板的水平和豎向位移隨溫度的升高而增加。屋面各單板的縱向水平位移相似,屋面板向兩側(cè)發(fā)生變形,屋面板最大水平位移為12.2mm。屋面板的豎向位移有正值有負(fù)值,均小于1.5mm,可見,屋面板的縱向水平位移要明顯大于豎向位移。

圖14 S1位移時程曲線

屋面板端部最大水平位移和跨中最大豎向位移隨著溫度的變化曲線如圖15所示。屋面板在三種約束條件下,端部和跨中最大位移如表1所示?？芍?隨著溫度的增加,水平和豎向位移呈線性增長的趨勢。水平位移中,工況S2位移最大,為20.4mm;工況S3位移最小,為1.0mm。豎向位移中,工況S3位移最大,為6.1mm;工況S1位移最小,為1.26mm。對比分析可知,屋面板沿X向向兩端產(chǎn)生水平變形,跨中板底會產(chǎn)生不同程度的豎向變形,水平位移要大于豎向位移,且隨著溫度和約束條件增加而逐漸增大。

表1 不同約束下最大位移

圖15 不同溫度下最大位移

3 結(jié)論

本文針對溫度作用下直立鎖邊鋁合金屋面系統(tǒng)的力學(xué)性能和變形特性開展試驗(yàn)研究。主要結(jié)論總結(jié)如下:

(1)屋面系統(tǒng)應(yīng)力和位移隨溫度的增加逐漸變大。板肋應(yīng)力最大,板面次之,板底應(yīng)力最小。屋面板的縱向水平位移明顯大于板底和板肋的豎向位移。

(2)沿著X向,邊跨的應(yīng)力要明顯大于跨中。屋面系統(tǒng)各部分的縱向應(yīng)力要大于橫向,支座處的板肋和板面應(yīng)力要大于非支座處,跨中不同位置的板底應(yīng)力差異較小。

(3)板肋、支座、板底和板面應(yīng)力均隨著約束條件的增強(qiáng)而逐漸變大。支座處應(yīng)力增加幅度最大32.4%,各部分最大應(yīng)力均出現(xiàn)在兩端固定約束的條件下。

(4)屋面板水平和豎向位移隨約束條件的增強(qiáng)而逐漸增大。端部最大水平位移為20.4mm,出現(xiàn)在一端固定的約束下;跨中最大豎向位移出現(xiàn)在兩端固定約束條件下,為6.1mm。