【摘 要】
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金属屋面板因有轻质、施工简便等特点而被广泛用作大跨屋盖围护结构。但近年来,其风灾事故却频繁发生。已有研究表明金属屋面板的风揭破坏形式主要有静态破坏与疲劳破坏,其中,静态破坏是指常态风中较强的峰值风荷载引起的屋面板强度破坏,而疲劳破坏则是指极端风中高幅的脉动风荷载引起的屋面板低周疲劳破坏。而当前屋盖围护结构的抗风设计不能提供屋面板发生破坏的概率。特别是对组件间的连接强度需要通过抗风揭试验来验算,增加
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金属屋面板因有轻质、施工简便等特点而被广泛用作大跨屋盖围护结构。但近年来,其风灾事故却频繁发生。已有研究表明金属屋面板的风揭破坏形式主要有静态破坏与疲劳破坏,其中,静态破坏是指常态风中较强的峰值风荷载引起的屋面板强度破坏,而疲劳破坏则是指极端风中高幅的脉动风荷载引起的屋面板低周疲劳破坏。而当前屋盖围护结构的抗风设计不能提供屋面板发生破坏的概率。特别是对组件间的连接强度需要通过抗风揭试验来验算,增加了设计成本。为弥补当前抗风设计的不足,本文考虑屋面板破坏形式开展了风灾易损性分析,通过易损性曲线提供屋面板达到各级性能水准的概率,进一步结合性能目标便可开展性能化抗风设计。目前要开展屋面板易损性分析还存在以下几点问题,首先,现有抗风揭性能研究对风揭破坏过程关注较少,导致风揭破坏机理不明确;其次,目前考虑疲劳损伤的动态抗风揭试验中采用的荷载循环偏保守,导致模拟成本过高,为开展易损性分析亟需建立屋面板疲劳破坏的简化数值分析方法;最后,现有屋面板性能水准研究大多针对整个屋盖围护结构,缺乏针对屋面板单元的性能水准研究。因此,为开展易损性分析,本文开展了以下几方面工作:(1)揭示静态破坏下屋面板风揭破坏机理。基于静态试验与数值模拟研究屋面板静态风揭破坏过程,无论脱扣破坏还是撕裂破坏均服从材料从弹性到塑性平台再到塑性发展的三阶段特点,出现两种破坏则是源于塑性发展过程中抗风夹与屋面板刚度比的差异,因此考虑影响刚度比的结构参数建立了破坏参数η来统一评价屋面板损坏程度,以破坏参数η达到1.0作为屋面板破坏准则。(2)基于静态模拟工况的破坏参数η量化屋面板单元的三级性能水准,以破坏参数η分别为0.4、0.7和1.0作为屋面板达到中等损坏、严重损伤和破坏时的三级性能水准评价标准。通过拉丁超立方抽样得到7000个计算样本对14种常用型号直立锁边金属屋面板开展了风灾易损性分析,研究表明减小板宽可以增加屋面板刚度,进而提高屋面板抗风性能,板宽每减小0.1m可使相同性能状态下对应荷载提高0.5~1.5k Pa;而增设抗风夹与减小支座间距相当于增加屋面板搭接处咬合强度,同样会不同程度提高相同性能状态下对应的荷载。基于静态破坏下屋面板易损性曲线,分析对比性能化抗风设计与传统抗风设计在静态破坏中的应用,验证性能化抗风设计的可行性,性能化抗风设计可以通过提供多元化的屋面板型号选择实现抗风设计的经济性。(3)提出考虑材料损伤的疲劳破坏简化数值分析方法。基于循环加载试验与数值模拟建立了3004-H24型铝镁锰屋面板材料的损伤本构模型,通过考虑损伤本构的时程分析发现只有最大荷载比与荷载比幅值均大于0.7的荷载序列才会造成材料损伤,进而基于损伤变量相等的原则提出了简化荷载循环以降低模拟成本。(4)基于动态试验与简化数值分析方法,研究了屋面板疲劳破坏机理。研究表明,疲劳破坏主要出现在有抗风夹的工况中,循环荷载下屋面板与抗风夹间往复的相互作用使屋面板材料损伤明显,导致动态加载下屋面板主要为撕裂破坏。其破坏过程满足材料从无损伤到个别单元出现明显损伤再到相邻的多个单元因损伤同时发生破坏的三阶段特点。三个阶段对应不同损伤累积程度,可用损伤变量D来评价,因此以损伤变量D达到1.0作为屋面板的疲劳破坏准则。(5)基于动态模拟工况中损伤变量D的统计结果,以损伤变量D分别为0.2、0.6和1.0作为疲劳破坏下屋面板达到中等损坏、严重损伤和破坏时的三级性能水准评价标准。由于疲劳破坏只发生在有抗风夹的工况中,因此通过拉丁超立方抽样得到5000个计算样本对5种常用型号屋面板开展了风灾易损性分析,结果表明材料累积损伤加速了屋面板的损坏过程,疲劳破坏下屋面板易损性逊色于静态破坏下。进一步基于疲劳破坏下屋面板易损性曲线,分析对比性能化抗风设计在疲劳破坏与静态破坏中的应用。
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