不同型号的压型性钢板对抗风设计的影响分析

闫小杰， 朱召泉

(河海大学 土木与交通工程学院，江苏 南京210098)

近年来，随着国民经济的高速发展，压型金属屋面板在建(构)筑屋面系统的应用越来越广泛。钢结构具有可工厂化制作，减少现场施工的工作量，施工周期短，结构性能好，成本造价较低，抗震抗风性能良好等。

国内外对压型钢板的实验都有但没有统一的规定，我国在1988 年出台了《压型钢板设计施工规范》(YB1216-88)，而在2003 年开始实施《冷弯薄壁型钢结构技术规范》(GB50018-2002)［1］。作为在冷弯薄壁型钢领域研究较早的美国，AISI 规范也提出了较统一的计算法则，规范大致上表明压型钢板在未发生强度破坏时已经发生了结构失稳。

文中建立不同压型钢板的有限元模型，考虑材料非线性对屋面板的抗风性能进行数值模拟，研究其破坏方式和荷载-位移的走势及规律，获得哪种压型钢板与荷载的最佳方式，为施工设计人员提供经济合理的标准依据。

1 有限元建模方法

1.1 研究对象

实际工程中的钢结构屋面板的型式多种多样，为了便于与已有的实验结果对比分析，取3 种常用型号的压型钢板(见表1)。

3 种压型钢板的型号分别为编号1:YX35-215-860(V-215)型压型钢板;编号2:YX15-135-810型压型钢板;编号3:YX35-125-750 压型钢板。这3种型号的压型钢板展开长度相同，同时3 种压型钢板的有效宽度相近，有利于建模方便。

表1 不同型号的压型钢板Tab.1 Different types of the pressure plates

1.2 材料特性

压型钢板:薄钢板［2］经冷压或冷轧成型的钢材。钢板采用有机涂层薄钢板(或称彩色钢板)、镀锌薄钢板、防腐薄钢板(含石棉沥青层)或其他薄钢板等［3］。

实际工程中钢结构屋面板很少发生强度破坏，气流在屋面两个上风边缘线处易形成锥形涡［4］，这将产生很大的局部负压，常会引起屋面破坏。文中取钢板的本构关系为三折线弹塑性模型，如图1所示。

1.3 Ansys 建模

1.3.1 模型简化 由于实际结构往往较为复杂，用Ansys 建模时进行了一些简单的处理:在建立有限元模型及分析时，不考虑模型自重、不考虑自攻螺钉的作用力;3 种压型钢板的有效宽度都取平均值，把螺钉和板作为一个整体考虑。

1.3.2 单元选取及网格划分 针对本模型的几何特性，钢板选用SOLID45 单元;使用COMBIN14 弹簧单元模拟相邻部分压型钢板的相互约束，对钢板采用映射网格划分［5］。

图1 压型钢板材料的本构关系Fig.1 Constitutive relation map of the pressure plate materials

1.3.3 边界条件 模型约束均施加在节点上，考虑相邻部分压型钢板的相互约束，在钢材四角施加垂直于板边的面内约束，弹簧刚度取K = EA/l。在钢板顶面所有节点处施加Z 轴正向的面荷载。3 种压型钢板模型的长度和有效宽度相同，如图2 所示。

图2 整体模型加载及边界情况Fig.2 Loads and the boundary conditions of the overall model

2 计算结果分析

屋面的结构破坏与板厚有直接关系，所以厚度前文已经统一为0.9 mm，有效宽度取810 mm，长度设为1 000 mm，文中以Ansys 可以收敛的最大荷载作为屋面强度破坏的极限荷载，通常在极限荷载作用下压型钢板都会出现强度破坏。在发生强度破坏之前屋盖的压型钢板的位移已经超过规范要求。通过屋面压型钢板破坏前的位移-荷载曲线判定压型钢板的优劣。

荷载-位移的计算曲线编号1，2，3 分别表示两条边的中点位移数据和板中心的数据，由于模型对称，所以只计算两条边。4 号线表示三者数据平均荷载-位移曲线，如图3 ～图5 所示(其中，P 为Ansys施加的荷载;Uz为压型钢板的位移)。

由编号1，2，3 的荷载-位移曲线趋势得到，在没有发生强度破坏的情况下，曲线大致呈直线上升，所以只要比较相同荷载下，各种压型钢板的位移就可以明显知道各种压型钢板的抗风性能(见表2)。

图3 编号1 的平均荷载-位移曲线Fig.3 Average load-displacement curve of 1

图4 编号2 的平均荷载-位移曲线Fig.4 Average load-displacement curve of 2

图5 编号3 的平均荷-载位移曲线Fig.5 Average load-displacement curve of 3

表2 不同型号压型钢板的荷载-位移Tab.2 Different types of pressure plate loaddisplacement

3 结 语

采用Ansys 软件对编号1，2，3 压型钢板的抗风性能进行分析，得出以下结论:

1)由已经做过的压型钢板的实验［6］可知，利用有限元分析软件Ansys 模拟压型钢板抗风性能是可行的。实体建模、弹塑性分析以及接触分析的运用可较好地模拟其抗风性能，在连接强度以及荷载-位移曲线走势的规律上与国家规范吻合较好。

2)当3 种压型钢板的厚度相同时，材料强度也相同，在没有达到强度破坏和结构破坏之前，可从文献6 中获知。

模拟和实验中存在的不同之处，差别小于5%，3 号的抗风性能优于2 号和1 号，1 号和2 号的抗风性能基本相同，所以在实际工程可以按价格的高低判断。

［1］湖北省发展计划委员会.GB50018-2002 冷弯薄壁型钢结构技术规范［S］.北京:中国计划出版社，2002.

［2］Fan L. Finite element modelling of single lap screw connections in steel sheeting under static shear［J］. Thin-wall Structure，1997，27:2.

［3］魏云波，刘浩.金属屋面板抗风吸力性能试验装置与试验方法［R］.北京:中冶建筑研究总院有限公司，2009.

［4］克莱斯·迪尔比耶.结构风荷载作用［M］.薛素铎，李雄彦，译.北京:中国建筑工业出版社，2006.

［5］王新敏.Ansys 工程结构数值分析［M］.北京:人民交通出版社，2007.

［6］羡永彪，朱志远.单层屋面系统抗风揭试验及其应用［J］.中国建筑防水，2010(增刊1):55-59.

XIAN Yongbiao，ZHU Zhiyuan. Single roof system wind load test and its application［J］. China Building Waterproofing，2010(Suppl.1):55-59.(in Chinese)