直立锁边不锈钢屋面系统温度效应试验

吴小蕙，王彦峰，李嘉杰，王明明，汪大洋*

(1.广东电网有限责任公司电网规划研究中心，广州 510080；2.广州大学土木工程学院，广州 510006)

随着新材料、新工艺及新的生产技术的不断涌现，为金属屋面系统的技术改进以及应用技术的发展带来了前所未有的机遇。近年来被大量应用于各类建筑物屋顶的金属屋面系统[1-2]。结构在温度作用下，将产生温度应力和温度变形[3]。长期的温度作用必然会影响屋面系统的承载性能和抗风揭能力，开展屋面系统在温度效应研究将具有重要意义。

目前对金属屋面系统的研究主要集中于抗风揭方面。金属屋面系统构造复杂，失效模式多样[4-5]，分清结构抗力的层次至关重要。高翔[6]、秦国鹏等[7]、常波等[8]等考虑支座和抗风夹等因素对直立锁边金属屋面进行了抗风揭性能试验研究。Myuran等[9]提出了一种基于简单方程的屋面板疲劳贯穿失效设计方法以及冷弯型钢的静疲劳拉拔能力方程。然而对于结构的温度效应研究主要集中在桥梁[10]、路面[11]和太阳射电望远镜[12]等方面，分别考虑温度作用对桥梁应变、路面温度应力和望远镜设备精度的影响，而对于工程中常用的大跨金属围护系统在温度作用下的力学性能和变形特性研究甚少。

可见，针对金属屋面系统的温度效应的研究仍很缺乏。在实际工程中，关于屋面及其关键节点的温度场效应研究尚不清楚，对结构的安全性存在极大的潜在危险。因此，现研究直立锁边不锈钢屋面系统在温度作用下的变形和应力分布规律，重点分析屋面系统中板肋、支座和板面的内力和变形特性，为实际工程的设计和应用提供参考依据。

1 试验简介

1.1 测试试件

测试的对象为直立锁边不锈钢屋面系统，屋面系统构造从上往下主要为屋面板、保温棉、热塑性聚烯烃类(thermoplastic polyolefin，TPO)防水卷材、支座、钢板和檩条等，如图1所示。屋面板材料为445J2不锈钢，长度为10 500 mm，宽度为2 038 mm，厚度为0.6 mm。檩条间距为600 mm，支座横向间距400 mm。支座为可旋转固定支座，主要为SUS304不锈钢材料。屋面板和支座的具体参数如表1所示。

表1 试件材料参Table 1 Material parameters of specimen

图1 测试试件Fig.1 Test specimen

1.2 测试内容

测试系统包括保温箱、试件安装平台、温度控制系统以及数据采集系统，如图2所示。其中，保温箱由加热管和温度传感器组成。温度控制系统通过安装温度传感器实时监视和调节保温箱温度。数据采集系统通过在屋面板上布置应变片和位移传感器来实时监测应力和变形。

图2 试验装置Fig.2 Testing device

在屋面系统的板肋(SR)、支座(SP)和板面(SS)布置应变片，如图3所示。每个测点布置两个应变片分别测量横向(奇数)和纵向应力(偶数)。并通过布置位移传感器来测量屋面板的水平和竖向位移，如图4所示。其中，HD是来测量屋面板的纵向水平位移，STD是测量板底部的竖向位移，SRD是测量板肋的竖向位移。

图3 应变片布置Fig.3 Strain gauges arrangement

图4 位移传感器布置Fig.4 Displacement sensors arrangement

温度场作用下，夏季构件截面的非线性温度梯度达到20 ℃，年变化范围可以达到80 ℃[13]。静力加载温度梯度为20 ℃，最大温差为90 ℃，加载示意图，如图5所示。开展3组(S1～S3)温度加载测试，考虑不同的边界约束条件下的屋面系统温度效应。试件沿着两个长边方向均被规定，改变两个短边方向的约束方式，分别为两端自由(S1)、一端固定(S2)和两端固定(S3)三种约束方式。

图5 加载示意图Fig.5 Loading diagram

2 结果分析

2.1 位移分析

S1屋面板位移时程曲线如图6所示。可知，屋面板的水平和竖向位移随温度的升高而增加。屋面各单板的纵向水平位移HD1～HD6最大纵向水平位移为4.77、4.84、4.92、5.07、4.60、5.76 mm。屋面板的竖向位移有正值有负值呈现一定的波浪式变形，且均小于1 mm，可见屋面板的纵向水平位移要明显大于竖向位移。

图6 S1屋面板位移时程曲线Fig.6 Roof slab displacement time history curve of S1

不同约束条件下屋面板位移时程曲线和S1相似，每一温度等级下的最大屋面板位移如图7所示。可知，工况S1～S3的最大水平位移分别为5.76、9.19、0.11 mm，最大竖向位移分别为1.39、1.79、2.08 mm。对比可知，随着约束条件改变屋面板位移发生明显变化。建筑屋面上的压型金属板构件，在受到环境温度变化的影响，它的尺寸将发生变化，变化量计算公式为

图7 不同约束下屋面板位移Fig.7 Displacement of roof slab under different constraints

ΔL=LαΔT

(1)

式(1)中：ΔL为材料长度变化值；L为材料长度；α为材料热膨胀系数；ΔT为材料温度变化值。

由式(1)可知，试件水平位移理论值为 9.5 mm。试验中试件最大纵向水平位移为9.19 mm。可见，温度作用下屋面板的纵向水平位移的理论值要略大于实验值约3.4%。分析可知，理论值计算是材料端部在一端固定一端自由的约束条件下，而试验中的约束条件更强，故而温度变形要小于理论值。

2.2 应力分析

温度加载下屋面板各部分应力也随着温度增加而逐渐变大，S1应力时程曲线如图8～图10所示。由图8可知，当温度达到40、60、80、100、120 ℃时，板肋最大应力出现在SR3位置，分别为15.9、30.8、33.5、72.3、110.1 MPa。进一步分析可知，X-1跨的最大板肋应力要大于X-2跨。

图8 S1板肋应力时程曲线Fig.8 Slab rib stress time history curve of S1

由图9可知，沿着X-1跨支座横向应力逐渐减小，纵向应力在SP4处出现突变。沿着X-2跨支座横向和纵向应力均呈增加趋势。对比分析可知，支座的最大应力出现在SP12位置处为32.1 MPa，约为屈服强度的10.7%。Y-1跨和Y-2跨中支座的纵向应力要大于横向应力，可见，在位置处支座主要受剪切应力，Y-3跨则相反，支座主要受拉。

图9 S1支座应力时程曲线Fig.9 Support stress time history curve of S1

由图10可知，沿着X-1跨的板面横向应力均大于纵向应力，且在SS3处出现明显的应力集中现在，且支座处的板面应力一般要大于非支座处。综上所述，板面最大应力出现在SS3处和板肋最大应力(SR3)出现位置相同，为153.1 MPa，约占材料屈服的62.5%。

图10 S1板面应力时程曲线Fig.10 Slab surface stress time history curve of S1

不同约束条件下屋面系统板肋、支座和板面应力最大值均出现在SR3、SP12和SS3位置处，不同温度下最大应力如图11所示。可知，随着工况 S1～S3中屋面板的约束强度不断增强，屋面系统的各部分应力存在明显差异。由图11(a)可知，工况S1板肋、支座和板面最大应力分别177.2、45.2、162.3 MPa。工况S2各部分最大应力分别为182.4、50.8、176.1 MPa，工况S3各部分最大应力分别为150.4、29.8、230.1 MPa。

由图11(b)可知，工况S2的板肋、支座和板面最大应力均要大于工况S1，分别增加了2.9%、12.4%、8.5%。分析可知，工况S2为一端固定的约束条件，温度作用下屋面板向一个方向发生变形，故板面和支座的应力增长较大。

由图11(c)可知，工况S3板面应力最大达到材料屈服强度的93.9%，较工况S1和S2分别增加了41.7%、30.6%。可见，随着约束的增强板面应力增加趋势更加明显。但工况S3的板肋和支座应力有所减少，因为屋面板两端均被约束，屋面板沿着纵向不能发生变形。板肋应力将有所下降，进行影响支座的受力，屋面板主要沿着竖向发生变形。

图11 不同约束下最大应力Fig.11 Maximum stress under different constraints

3 结论

针对温度作用下直立锁边不锈钢屋面系统的力学性能和变形特性开展温度加载试验研究。主要结论如下。

(1)直立锁边不锈钢屋面系统在温度作用下存在明显的应力集中和热膨胀现象。屋面系统的温度应力和温度变形显著，温度每增加1 ℃，应力最大增加1.9 MPa，屋面板水平位移明显大于竖向位移，最大水平位移为9.19 mm。

(2)板肋、支座和板面的应力随温度逐渐增加，最大应力分别为182.4、50.8和230.1 MPa。X-1跨的应力要大于X-2跨，且支座处的板面和板肋应力要大于非支座处。

(3)屋面系统各部分应力随着约束边界的增加变化显著。工况S2的板肋、支座和板面最大应力均要大于工况S1，分别增加了2.9%、12.4%、8.5%。工况S3板面应力增加最大，较工况S1和S2分别增加了41.7%、30.6%。

(4)屋面板的水平和竖向位移随温度逐渐增加。屋面板水平位移在一端固定(S2)约束条件下的最大，屋面板竖向位移在两端固定(S3)约束条件下最大。