搭接型屋面板h值对结构强度及刚度的影响分析.pdf

中国科技期刊数据库 工业 A 收稿日期：2023 年 12 月 23 日 作者简介：董中鹏（1998），男，汉族，江西上饶人，大专，北京应力分析科技有限公司，研究方向：结构静力学有限元分析方面。-152-搭接型屋面板 h 值对结构强度及刚度的影响分析 董中鹏 李明远 康东明 北京应力分析科技有限公司，北京 102300 摘要：摘要：搭接型屋面板是一种常见的建筑结构形式，其 h 值的变化会对结构强度和刚度产生重要影响。通过有限元分析方法，以 2300mm3100mm1.6mm 的搭接型屋面板为例，计算分析了搭接型屋面板 h 值对结构强度及刚度的影响。分析结果表明：搭接型屋面板的结构强度和刚度随 h 值的增加而增加，但增加速度逐渐下降。当 h 值增加至某一值时，继续增加 h 值并不能有效提高结构强度及刚度。搭接型屋面板 h 值的改变对其横向承载时，结构强度及刚度的影响远大于其竖向承载时的影响。关键词：关键词：搭接型屋面板；结构强度；结构刚度；影响；有限元分析 中中图分类号：图分类号：U463 0 引言 在建筑工程领域，屋面板的设计对于确保建筑物的结构强度和刚度至关重要。特别是在地震多发区，屋面板的设计更是一项关键任务。在众多的屋面板设计中，搭接型屋面板1因其独特的优点被广泛采用。这种屋面板具有良好的抗震性能，能够有效地吸收和分散地震能量，从而保护建筑物免受地震的破坏。然而，搭接型屋面板的设计并非简单的任务，需要深入研究和仔细分析。目前在 GB12755-2008 建筑用压型钢板 规范中，对搭接型屋面板的结构尺寸给出了一些常规标准尺寸及材料属性，但是在特殊场合中，如搭接型屋面板承受 横 向 较 大 风 载 或 竖 向 承 受 一 定 载 荷 时，当GB12755-2008建筑用压型钢板规范中给出的尺寸不能满足现场使用情况，那么我们如何对搭接型屋面板的尺寸进行重新设计，以确保其结构强度及刚度符合安全使用需求呢？在本论文中，我们将集中探讨搭接型屋面板的 h 值对结构强度和刚度（变形）的影响。h 值或者说波高，是搭接型屋面板的一个重要参数，对于屋面板的性能有着显著的影响。本文通过有限元分析方法，采用大型通用有限元分析软件 ANSYS，在搭接型屋面板横向承载和竖向承载工况中，深入分析 h 值的变化如何影响屋面板的结构强度和刚度，使得我们可以更好地理解如何优化设计，以获得最佳的结构性能。1 有限元分析 有限元分析（Finite Element Analysis，简称 FEA）是一种利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟和计算的方法。具体而言，它将一个复杂的连续体离散化为有限个简单的、相互作用的元素（即单元），并通过求解这些单元的方程来近似地表示整个连续体的行为。在搭接型屋面板的研究中，有限元分析可以被用来研究 h 值对结构强度和刚度的影响。首先，需要建立一个能够代表搭接型屋面板的有限元模型。这个模型应该包含所有重要的几何和物理特性，如板厚、材料属性、荷载和边界条件等。为了提高分析的准确性，还可以在模型中加入更多的细节，如焊缝、螺栓等。接下来，需要对模型进行网格划分。这个过程将连续体离散化为有限个单元，每个单元都具有简单的几何形状和已知的材料属性。网格的密度和大小应该根据问题的复杂性和计算要求进行选择。一般而言，网格越密集，分析结果越精确，但计算量也会相应增加。在有限元分析中，需要为每个单元定义材料属性和物理参数，如弹性模量、泊松比、密度等。这些参数可以通过实验测定或从相关文献中获取。对于搭接型屋面板，还需要考虑材料的非线性行为，如屈服强度、塑性变形等。为了模拟真实的工作状态，需要在模型上施加相应的荷载和边界条件。荷载可以是静力荷载、动力荷载或热荷载等。边界条件可以是固定边界、自由边界或混合边界等。这些条件的施加方式和大小应该根据实际工程情况进行选择。在完成以上步骤后，就可以进行有限元求解了。求解中国科技期刊数据库 工业 A-153-过程是通过计算机程序自动完成的，可以得到每个单元的应力、应变、位移等结果。通过对这些结果进行分析和处理，可以得到搭接型屋面板在不同 h 值下的结构强度和刚度变化规律。同时，还可以利用云图、等值线图等可视化工具对结果进行展示和分析，以便更好地理解结构的受力性能和破坏形态。通过对有限元分析结果的解读和分析，可以得出关于搭接型屋面板在不同 h 值下的结构强度和刚度变化规律的结论。根据结论，可以提出相应的优化建议和改进措施以提高搭接型屋面板的结构性能和受力性能。2 分析模型 搭接型屋面板结构示意图见图1，尺寸详图见图2。图中 B 为搭接型屋面板覆盖宽度，取 2300mm；h 为搭接型屋面板波高；d1 为底部波宽，取 72mm；d2 为顶部与底部波浪横向间距，取 72mm；d3 为顶部波宽，取72mm；模型整体高度为 3100mm，壁厚为 1.6mm。图 1 搭接型屋面板结构示图 图 2 搭接型屋面板尺寸详图 本分析为线性分析，即搭接型屋面板的材料假定为理想线弹性材料，其材料属性如下：弹性模量 2105MPa,泊松比 0.3，密度 7850kg/m3。3 划分网格 采 用 ANSYS Workbench 2023R1 软 件 提 供 的SHELL181单元进行网格划分，控制其单元尺寸为20mm。SHELL181 单元是四节点壳单元，SHELL181 单元适合对薄的到具有一定厚度的壳体结构进行分析2。网格划分模型见图 3。图 3 网格模型 4 边界条件 4.1 横向承受载荷 模型四周边缘处施加固定约束，模型横向表面施加 1220Pa 风压，其边界条件如图 4 所示。图 4 横向承载边界条件 4.2 竖向承受载荷 在模型底部施加竖向和横向位移约束，模型两侧施加横向和侧向位移约束，模型顶部施加 105N，方向竖直向下，其边界条件如图 5 所示。图 5 竖向承载边界条件 中国科技期刊数据库 工业 A-154-5 分析结果 通过 ANSYS 参数化功能，在上述边界条件不变的情况下，只对 h 值进行调整，得出 h 值与结构应力和结构变形的变化关系，并将其绘制成曲线，详细内容如下。5.1 横向承受载荷 在搭接型屋面板横向承受载荷时，分析得到搭接型屋面板的等效应力与 h 值的关系曲线，如图 6 所示。图 6 等效应力与 h 值关系曲线示图 图 7 h 值=20mm 时等效应力云图 从图中可以看出：搭接型屋面板的等效应力随着 h 值的增大而逐渐减小，但等效应力的减小速度逐渐降低。h=10mm20mm 时，等效应力下降速度较大。h=20mm40mm 时，等效应力下降速度一般。h=40mm50mm 时，等效应力下降速度很小，h 值每增加 1mm，应力大约下降 1MPa。搭接型屋面板的 X 方向（迎风方向）位移与 h 值的关系曲线，如图 8 所示。图 8 X 方向位移与 h 值关系曲线示图 图 9 h 值=20mm 时 X 方向位移云图 从图中可以看出：搭接型屋面板 X 方向的位移随 H 值的增大而减小，但 X 方向位移的减小速度逐渐降低。h=10mm18mm 时，X 方向位移下降速度较大。h=18mm26mm 时，X 方向位移下降速度一般。h=26mm50mm 时，X 方向位移下降速度很小，h 值每增加 1mm，位移大约下降 0.3mm。5.2 竖向承受载荷 在搭接型屋面板竖向承受载荷时，分析得到搭接型屋面板的等效应力与 h 值的关系曲线，如图 10 所示。图 10 等效应力与 h 值关系曲线示图 中国科技期刊数据库 工业 A-155-图 11 h 值=20mm 时等效应力云图 从图中可以看出：搭接型屋面板的等效应力随着 h 值的增大而逐渐减小，减小趋势基本成线性变化。搭接型屋面板在竖向承载时，h 值的改变对搭接型屋面板等效应力的影响并不显著。h 值每增加 1mm，则搭接型屋面板等效应力约减小 0.1MPa。搭接型屋面板的总位移与 h 值的关系曲线，如图12 所示。图 12 总位移与 h 值关系曲线示图 图 13 h 值=20mm 时总位移云图 从图中可以看出：搭接型屋面板总位移随 h 值的增大而减小，但总位移的减小速度逐渐降低。h=10mm18mm 时，总位移下降速度较大。h=18mm26mm 时，总位移下降速度一般。h=26mm50mm 时，总位移下降速递极小，基本保持不变，h 值每增加 1mm，位移大约下降 0.001mm。6 结论 搭接型屋面板的 h 值直接关系到其结构强度。h值是屋面板搭接深度的关键参数，它决定了搭接的牢固程度和承载能力。通过以上对搭接型屋面板在横向承载和竖向承载时，不同 h 值下的等效应力及变形分析，可得出以下结论：（1）搭接型屋面板在横向承载和竖向承载时，搭接型屋面板的等效应力均随 h 值的增大而减小。在横向承载时，其减小趋势随 h 值的增加而逐渐平缓，而在竖向承载时，其减小趋势呈线性变化。搭接型屋面板的位移随 h 值的增大而减小，但其减小趋势随 h 值的增加而逐渐平稳。（2）搭接型屋面板的等效应力和刚度在 h 值小于20mm（约 2d1/7）时,h 值的增加对其等效应力和刚度的变化影响显著。由此可知，在其 h 值小于 2d1/7 时，增加 h 值能有效降低搭接型屋面板的等效应力和增加搭接型屋面板刚度。（3）搭接型屋面板的等效应力和刚度在 h 值为20mm36mm（约 2d1/7d1/2）时,h 值的增加对其等效应力和刚度的变化影响较小。由此可知，在其 h 值为 2d1/7d1/2 时，增加 h 值能低效的降低搭接型屋面板等效应力和增加搭接型屋面板 X 方向刚度。（4）搭接型屋面板的等效应力和刚度在 h 值大于36mm（d1/2）时,h 值的增加对其等效应力和刚度的变化影响非常小。由此可知，在其 h 值大于 d1/2 时，增加 h 值并不能有效的降低搭接型屋面板等效应力和增加搭接型屋面板 X 方向刚度。7 建议 在实际设计时，应根据设计要求、地理位置、材料特性等参数，综合考虑确定 h 值，以确保屋面板既具有足够的强度和刚度，又能满足经济性的要求。h值并非越大越好。过大的 h 值可能导致材料浪费和成中国科技期刊数据库 工业 A-156-本增加，同时也会增加屋面的重量，对支撑结构和基础产生更大的压力。因此，在确定 h 值时，需要综合考虑结构强度、材料成本和施工便利性等因素。当搭接型屋面板结构强度及刚度不能满足安全使用要求时，可以适当增加其 h 值，但增加后的 h 值应尽量控制在 2d1/7d1/2 范围内，因为继续增加 h 值对搭接型屋面板结构强度及刚度的增加效果并不显著，此时如结构强度及刚度仍不能满足使用要求，则可考虑减小搭接型面板的波宽或增加其壁厚。参考文献 1吴明超,柴昶,蔡昭昀.GB12755-2008,建筑用压型钢板M.北京:中国标准出版社,2008 2金伟炜,高炳军,等.ANSYS 在机械与化工装备中的应用M.北京:中国水利水电出版社,2007 3孙涛,王帅,段茗爔等.折叠装配式框架结构静力试验研究J/OL.建筑钢结构进展:1-112023-11-29.4Seismic behavior of replaceable steel truss coupling beams with buckling restrained websJ.Xian Li;Heng-Lin Lv;Guang-Chang Zhang;Bei-Dou Ding.Journal of Constructional Steel Research,2015.5An experimental study of the compression response of fluted-core composite panels with jointsJ.Marc R.Schultz;Cheryl A.Rose;J.Carlos Guzman;Douglas McCarville;Mark W.Hilburger.Composites Part 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