大變形下直立鎖邊屋面系統(tǒng)的水密性研究

羅曉群 張錦東 楊彬

摘 ? 要：為了評(píng)價(jià)直立鎖邊屋面系統(tǒng)安裝在柔性屋面結(jié)構(gòu)上適應(yīng)大變形能力和水密性，以蘇州工業(yè)園區(qū)游泳館金屬屋面系統(tǒng)為例，取一個(gè)6.6 m × 6.6 m試驗(yàn)單元設(shè)計(jì)了大變形下金屬屋面系統(tǒng)的足尺水密性試驗(yàn)，建立屋面系統(tǒng)的整體有限元模型分析了屋面系統(tǒng)在結(jié)構(gòu)大變形下的應(yīng)力和變形，對(duì)保證屋面系統(tǒng)水密性的關(guān)鍵構(gòu)造進(jìn)行了精細(xì)化有限元分析. 試驗(yàn)和分析驗(yàn)證了直立鎖邊屋面系統(tǒng)具備適應(yīng)柔性屋面結(jié)構(gòu)大變形的變形能力，計(jì)算直立鎖邊角變形只有2.18°，確保了良好的水密性.

關(guān)鍵詞：水密性;直立鎖邊板;大變形;數(shù)值模擬

中圖分類號(hào)：TU394 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： In order to study whether the standing seam roof system installed on a flexible roof structure has the ability to adapt to the large deformation of the flexible roof structure and whether panel details of the roofing system can ensure the water tightness under large deformation， taking the roof structure of the swimming stadium in Suzhou Industrial Park Sports Center as an example， a 6.6m×6.6m test unit was used to design the full-scale water tightness test of the metal roofing system under large deformation. Through numerical analysis， stress and deformation distribution of the roofing system was explored under large deformations in the flexible roof structure. A refined finite element model was also established to evaluate the water tightness of key details in the standing seam roof panels. The test and analysis verified that the standing seam roof system had the ability to adapt to the large deformation of the flexible roof structure， the calculated angle between standing seams was only 2.18°，and water tightness can be ensured at the same time.

Key words： water tightness;standing seam panel;large deformation;numerical analysis

鋁鎂錳合金直立鎖邊屋面系統(tǒng)自重輕，耐腐蝕，具有優(yōu)越的防水性能，可解決超長(zhǎng)屋面的熱脹冷縮效應(yīng)，滿足保溫、隔熱、降噪及美觀等建筑要求. 直立鎖邊板的直立鎖邊縫緊密咬合，咬合邊設(shè)置反毛細(xì)構(gòu)造，防止毛細(xì)水從直立鎖邊縫滲透[1]. 因此，直立鎖邊屋面系統(tǒng)的直立鎖邊板是最重要的防水部位. 一旦直立鎖邊板咬合不緊密，反毛細(xì)構(gòu)造失效，其防水功能就有可能喪失. 在使用過(guò)程中，特別是各種極端情況下（如支承結(jié)構(gòu)大變形或外部較大風(fēng)吸力），直立鎖邊縫的緊密咬合，是確保金屬屋面系統(tǒng)防水能力，進(jìn)而保證整個(gè)結(jié)構(gòu)正常使用的關(guān)鍵.

近年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)直立鎖邊板系統(tǒng)的研究集中在直立鎖邊板的承載能力和變形能力，主要通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究直立鎖邊板的合理構(gòu)造、破壞模式、承載能力和動(dòng)力特性等. 但是基于防水能力考慮金屬屋面系統(tǒng)的細(xì)部構(gòu)造的變形能力并不多見(jiàn).

程明等[2]針對(duì)國(guó)家大劇院屋面系統(tǒng)進(jìn)行的一系列試驗(yàn)表明在設(shè)計(jì)荷載的作用下，屋面系統(tǒng)應(yīng)力較低，處于彈性變形階段;董震等[3]研究了如何正確模擬直立鎖邊板的正反向承載能力，考察直立鎖邊板關(guān)鍵部位在豎向荷載下的承載能力. 王多智等[4]、支旭東等[5]研究了金屬屋面系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)殼靜力、動(dòng)力特性的影響. 景曉昆等[6]提出直立鎖縫屋面體系固定支座有效受風(fēng)承載面積的計(jì)算方法. 羅永峰等[7]提出直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)在風(fēng)荷載下的失效模式是直立鎖邊縫的破壞. 宋曉光等[8]研究了在風(fēng)吸力作用下屋面板下部檁條的穩(wěn)定承載力.

國(guó)外一些學(xué)者對(duì)直立鎖邊板進(jìn)行了數(shù)值模擬研究. 為了獲得較好的模擬效果，板殼單元、梁?jiǎn)卧蛷椈蓡卧謩e用于模擬屋面板、檁條及其連接效應(yīng)[9].有的學(xué)者在金屬屋面系統(tǒng)各構(gòu)件之間建立合適的約束關(guān)系[10]. 有的學(xué)者通過(guò)試驗(yàn)和有限元的對(duì)比分析，證明有限元分析的可靠性[11].

金屬屋面系統(tǒng)細(xì)部構(gòu)造的變形能力，對(duì)確保屋面系統(tǒng)的防水能力尤為重要. 本文對(duì)直立鎖邊屋面系統(tǒng)在正常使用狀態(tài)下最不利情況的變形能力和水密性進(jìn)行足尺試驗(yàn)和精細(xì)化數(shù)值分析，驗(yàn)證了直立鎖邊屋面系統(tǒng)在大變形作用下仍具備優(yōu)越的防水性能，進(jìn)而證明了剛性直立鎖邊屋面系統(tǒng)與柔性屋面結(jié)構(gòu)具有良好的變形適應(yīng)性.

1 ? 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 ? 試驗(yàn)來(lái)源

近年來(lái)，數(shù)個(gè)令人矚目的體育場(chǎng)館，如倫敦奧運(yùn)會(huì)自行車館[12]、蘇州工業(yè)園區(qū)游泳館[13]等都采用了索網(wǎng)屋面和直立鎖邊屋面系統(tǒng)相結(jié)合的形式（如圖1所示）. 大跨度的屋蓋表面風(fēng)壓以負(fù)壓為主，風(fēng)壓分布情況復(fù)雜[14]，導(dǎo)致屋面系統(tǒng)的變形和受力不均勻，剛性的金屬屋面是否可以適應(yīng)柔性屋面結(jié)構(gòu)的大變形，并確保良好的水密性是類似工程成功與否的關(guān)鍵.

本試驗(yàn)源于蘇州工業(yè)園區(qū)體育中心游泳館的金屬屋面系統(tǒng). 如圖1（a）所示，蘇州工業(yè)園區(qū)體育中心游泳館由V形結(jié)構(gòu)柱、受壓外環(huán)梁、正交承重索和穩(wěn)定索、剛性屋面以及玻璃幕墻組成. 金屬屋面系統(tǒng)采用直立鎖邊板體系，其屋蓋結(jié)構(gòu)采用正交索網(wǎng)結(jié)構(gòu)體系，索網(wǎng)整體為馬鞍形曲面，跨度107 m，采用62對(duì)對(duì)稱的十字鋼索，其中承重索和穩(wěn)定索各62根，在相交處設(shè)索夾，包含4個(gè)索夾的一個(gè)索網(wǎng)區(qū)格大小為3.3 m×3.3 m.

金屬屋面系統(tǒng)的構(gòu)造如圖2所示. 屋面外板為直立鎖邊系統(tǒng)，底板采用壓型金屬穿孔板. 屋面底板固定于主檁條之上，端部節(jié)點(diǎn)采用固定與滑動(dòng)相結(jié)合的方式以適應(yīng)索網(wǎng)變形.

1.2 ? 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為驗(yàn)證直立鎖邊屋面系統(tǒng)適應(yīng)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)變形能力，保證水密性的要求，擬進(jìn)行屋面系統(tǒng)單元在下部索網(wǎng)結(jié)構(gòu)最大變形條件下的水密性試驗(yàn).

1.2.1 ? 試件規(guī)格和性能指標(biāo)要求

本次試驗(yàn)采用足尺試件，試件規(guī)格和構(gòu)造要求與蘇州工業(yè)園區(qū)游泳館實(shí)際屋面系統(tǒng)完全一致，試件變形與索網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的變形一致，體現(xiàn)了與工程實(shí)際一致的變形反應(yīng). 試驗(yàn)板塊如圖3（a）所示按1 ∶ 1比例選取2×2索網(wǎng)區(qū)格，覆蓋3×3共9個(gè)索夾位置，索網(wǎng)區(qū)格大小3.3 m×3.3 m，總面積6.6 m×6.6 m=43.56 m2，共1個(gè)試件.

屋面系統(tǒng)發(fā)生變形時(shí)，主檁條可在壓型金屬底板的長(zhǎng)圓孔中滑移、鋁合金滑動(dòng)支座可在次檁條上滑移. 為了保證屋面系統(tǒng)適應(yīng)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)大變形的變形性能，根據(jù)壓型金屬底板的長(zhǎng)圓孔長(zhǎng)度和鋁合金滑動(dòng)支座的可滑動(dòng)幅度，參考板材供應(yīng)商提出的直立鎖邊板正常工作的性能參數(shù)，提出屋面系統(tǒng)的細(xì)部構(gòu)造在水密性試驗(yàn)時(shí)需要滿足如下指標(biāo)：

1）壓型金屬底板的長(zhǎng)圓孔長(zhǎng)度20 mm，與主檁條的相對(duì)滑移量限度為±10 mm;

2）鋁合金滑動(dòng)支座可沿次檁條長(zhǎng)度方向滑動(dòng)20mm，支座沿次檁條最大滑移量為±20 mm;

3）板材供應(yīng)商提出此型號(hào)直立鎖邊板張開(kāi)角度不應(yīng)大于5°，否則直立鎖邊縫的反毛細(xì)構(gòu)造措施失效;

4）屋面系統(tǒng)不因應(yīng)力較大發(fā)生強(qiáng)度破壞.

其中，第1、2、4條保證屋面系統(tǒng)適應(yīng)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)大變形的變形性能，第3條保證屋面系統(tǒng)在最不利變形狀態(tài)下的水密性. 若在試驗(yàn)過(guò)程或試驗(yàn)結(jié)束后檢查發(fā)現(xiàn)上述4條指標(biāo)有至少1條不滿足，可認(rèn)為屋面系統(tǒng)在下部索網(wǎng)結(jié)構(gòu)大變形下的水密性和變形性能不符合要求.

1.2.2 ? 水密性評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)和測(cè)試部位

金屬屋面的水密性試驗(yàn)方法總體上按照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《采光頂與金屬屋面技術(shù)規(guī)程》（JGJ255—2012）中附錄A的要求設(shè)計(jì)[15]，性能等級(jí)評(píng)估按照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑幕墻》（GB/T 21086—2007）[16]的相關(guān)要求確定. 噴淋測(cè)試部位選取試件中所有直立鎖邊，逐條進(jìn)行給定水壓下的往復(fù)噴淋，檢測(cè)可能出現(xiàn)的滲漏.

1.2.3 ? 試驗(yàn)方法

為模擬金屬屋面相對(duì)大變形的影響，如圖3（b）所示，加載點(diǎn)位置對(duì)應(yīng)于下部結(jié)構(gòu)的索網(wǎng)交點(diǎn)位置，在1個(gè)角部索網(wǎng)交點(diǎn)位置設(shè)置鉸支座，其余8個(gè)位置設(shè)千斤頂模擬索夾承受各關(guān)鍵工況下的不同位移，用千斤頂對(duì)屋面系統(tǒng)加載豎向位移，模擬屋面系統(tǒng)和下部索網(wǎng)結(jié)構(gòu)共同工作時(shí)屋面系統(tǒng)在各個(gè)工況下的最不利變形. 通過(guò)調(diào)節(jié)千斤頂?shù)呢Q向行程模擬金屬屋面系統(tǒng)在下部索網(wǎng)結(jié)構(gòu)最大變形狀態(tài)下的工作狀態(tài)，在最不利變形狀態(tài)下對(duì)屋面系統(tǒng)進(jìn)行噴淋試驗(yàn)測(cè)試其水密性. 噴淋試驗(yàn)中，實(shí)時(shí)檢查屋面底板滲水情況;所有噴淋試驗(yàn)結(jié)束后，拆卸屋面系統(tǒng)，檢查屋面系統(tǒng)各層巖棉及膜布浸水情況，確認(rèn)屋面系統(tǒng)的水密性是否符合要求.

1.2.4 ? 區(qū)格選取

以荷載組合作用下造成索網(wǎng)交點(diǎn)處最大角變形的工況為索網(wǎng)結(jié)構(gòu)最大變形的情況，以索網(wǎng)屋面2×2索網(wǎng)區(qū)格為檢驗(yàn)單元，遍歷屋面2×2網(wǎng)格及117種工況組合，選取2×2區(qū)格x向角變形最大的4種工況和y向角變形最大的4個(gè)工況，共8種工況作為屋面系統(tǒng)最不利變形情況. 表1所示為試驗(yàn)的8種最不利工況，表中列出了各試驗(yàn)工況下千斤頂?shù)男谐桃约皩?duì)應(yīng)的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)中區(qū)格位置. 表1中最不利情況選取區(qū)格的編號(hào)見(jiàn)圖4. 表1中加載點(diǎn)位置示意見(jiàn)圖3（b）. 試驗(yàn)工況的選取可以使試件遍歷區(qū)格可能承受的下部索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的最大變形，索網(wǎng)結(jié)構(gòu)最大變形的連續(xù)施加使得試件短時(shí)間內(nèi)承受的變形幅度超過(guò)實(shí)際屋面變形幅度，在靜力變形幅度上試驗(yàn)可覆蓋屋面系統(tǒng)最危險(xiǎn)的情況.

2 ? 試驗(yàn)過(guò)程及現(xiàn)象

2.1 ? 試驗(yàn)過(guò)程

本試驗(yàn)的全過(guò)程如下：

1）在穩(wěn)定的鋼反力架柱頂設(shè)置千斤頂，千斤頂標(biāo)號(hào)如圖3（b）所示，g點(diǎn)為固定支點(diǎn)，不設(shè)千斤頂，豎向位移保持為0，其他8個(gè)區(qū)格點(diǎn)下方安裝. 千斤頂行程200 mm，在超出行程的加載點(diǎn)處墊鐵塊，調(diào)整各加載點(diǎn)處鐵塊高度，保證千斤頂可加載至表1中各工況的加載值，實(shí)現(xiàn)最不利工況下的連續(xù)加載.

2）試驗(yàn)板塊安裝完成后，按表1在試驗(yàn)區(qū)格的區(qū)格點(diǎn)a～i施加試驗(yàn)工況1的位移. 同步緩慢調(diào)節(jié)千斤頂?shù)奈灰浦帘碇袛?shù)值，并穩(wěn)定10 min.

3）按照《建筑幕墻》（GB 21086—2007）附錄D的要求和步驟，對(duì)試驗(yàn)板塊進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)淋水試驗(yàn). 選取中部10條接縫作為測(cè)試部位，用加有墨汁的水進(jìn)行噴淋. 對(duì)于每個(gè)測(cè)試部位，通過(guò)與水管相連的壓力閥控制噴嘴處的水壓為235 kPa，沿與試件表面垂直的方向?qū)?zhǔn)測(cè)試部位進(jìn)行噴水，連續(xù)往復(fù)噴水5 min. 在試件底板位置檢查任何可能的滲水. 對(duì)有滲水現(xiàn)象出現(xiàn)的部位，記錄其位置. 若未發(fā)現(xiàn)有任何漏水，則轉(zhuǎn)入下一個(gè)待測(cè)部位. 若10個(gè)測(cè)試部位測(cè)試結(jié)束后沒(méi)有發(fā)現(xiàn)滲水，則繼續(xù)進(jìn)行下一工況的測(cè)試.

4）將千斤頂?shù)奈灰仆秸{(diào)節(jié)至表1中工況2的位移值，穩(wěn)定10 min后進(jìn)行第2次噴淋試驗(yàn)，試驗(yàn)步驟同2）、3）.

5）按照順序依次完成1～8工況的最不利變形條件下的水密性試驗(yàn). 一旦發(fā)現(xiàn)金屬屋面在某一工況下滲漏，說(shuō)明屋面系統(tǒng)的水密性不符合要求，試驗(yàn)停止，拆卸屋面觀察滲水情況.

2.2 ? 試驗(yàn)現(xiàn)象

在1～8工況的索網(wǎng)結(jié)構(gòu)最大位移下進(jìn)行了金屬屋面系統(tǒng)在下部索網(wǎng)結(jié)構(gòu)最大位移加載條件下的水密性試驗(yàn)，在1～8工況下試件均未出現(xiàn)任何滲漏，且屋面系統(tǒng)未出現(xiàn)任何異常變形破壞，說(shuō)明在最不利變形狀態(tài)下試件保證正常工作且水密性良好. 為進(jìn)一步觀察是否有較小的滲漏現(xiàn)象，拆卸金屬屋面，檢查金屬屋面下的各層巖棉及薄膜，沒(méi)有出現(xiàn)墨水痕跡. 基于多次最不利位移加載條件下的金屬屋面系統(tǒng)水密性試驗(yàn)過(guò)程如圖5所示.

2.3 ? 試驗(yàn)結(jié)論

通過(guò)多次最不利連續(xù)位移加載條件下的試驗(yàn)板塊的水密性試驗(yàn)，證明了試驗(yàn)板塊具有良好的變形性能，在承受大變形條件下依然保持優(yōu)良的水密性. 拆卸試驗(yàn)板塊，發(fā)現(xiàn)壓型金屬底板的長(zhǎng)圓孔未發(fā)生破壞，證明金屬底板與主檁條的最大滑移量小于±10 mm;發(fā)現(xiàn)鋁合金滑動(dòng)支座未發(fā)生破壞，證明支座沿次檁條最大滑移量小于±20 mm;發(fā)現(xiàn)屋面系統(tǒng)未發(fā)生漏水滲水現(xiàn)象，證明直立鎖邊板張開(kāi)角度不大于5°，滿足1.2.1中的性能指標(biāo)要求.

3 ? 直立鎖邊屋面系統(tǒng)的變形精細(xì)化模擬

在屋面結(jié)構(gòu)變形條件下，直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)通過(guò)系統(tǒng)構(gòu)件（支座、檁條、底板）間的錯(cuò)動(dòng)和滑移適應(yīng)結(jié)構(gòu)變形;同時(shí)直立鎖邊板之間的緊密咬合和反毛細(xì)構(gòu)造措施保證了在變形作用下金屬屋面系統(tǒng)的良好水密性. 索網(wǎng)屋面是柔性屋面結(jié)構(gòu)，剛性的直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)能否適應(yīng)大變形的要求，系統(tǒng)構(gòu)件的滑移和錯(cuò)動(dòng)能力，以及大變形下直立鎖邊板緊密咬合度是確保金屬屋面在大變形下仍具備良好水密性的關(guān)鍵.

水密性試驗(yàn)的試件構(gòu)造與實(shí)際安裝屋面一致，將屋面板結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行分解，考察實(shí)際的構(gòu)件特性，一一建立屋面結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的面板、檁條、支托等構(gòu)件間的約束關(guān)系.

3.1 ? 性能指標(biāo)和分析方法

直立鎖邊屋面系統(tǒng)的水密性由直立鎖邊縫的咬合度以及構(gòu)件間的滑移控制. 因此，在數(shù)值模擬中考察的主要參數(shù)以變形為主，構(gòu)件的錯(cuò)動(dòng)和滑移采用構(gòu)件間的相對(duì)滑移為性能指標(biāo)，直立鎖邊板的咬合度以直立鎖邊張開(kāi)角度為性能指標(biāo)，同時(shí)也考察直立鎖邊板面的應(yīng)力分布，直立鎖邊板面應(yīng)力應(yīng)小于其設(shè)計(jì)強(qiáng)度180 MPa. 數(shù)值分析的性能指標(biāo)與大變形下直立鎖邊屋面系統(tǒng)的水密性試驗(yàn)的性能要求相同.

對(duì)模型施加8個(gè)工況下的最不利位移，找到直立鎖邊板直立邊底部的最大相對(duì)滑移，以直立邊底部的最大相對(duì)滑移計(jì)算出直立邊的最大張開(kāi)角度. 通過(guò)精細(xì)化的直立鎖邊咬合邊的有限元模型，考察咬合邊在直立鎖邊板的最大張開(kāi)角度下反毛細(xì)構(gòu)造措施是否失效來(lái)評(píng)價(jià)直立鎖邊屋面系統(tǒng)是否具有大變形下的良好防水性能.

3.2 ? 整體模型建模

根據(jù)圖2中屋面系統(tǒng)的構(gòu)造和試驗(yàn)試件的各構(gòu)件特性，在3D3S軟件中建立直立鎖邊屋面系統(tǒng)的模型，導(dǎo)入通用有限元分析軟件ANSYS進(jìn)行計(jì)算，采用MATLAB進(jìn)行數(shù)據(jù)處理. 模型尺寸與試件尺寸相同，數(shù)值模擬模型包括鋁合金支座、屋面底板、馬座、主檁條、次檁條.

屋面主檁條、屋面次檁條、鋁合金支座采用梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬，屋面底板、馬座、屋面頂板采用板殼單元進(jìn)行模擬. 主次檁條和馬座采用Q345B型鋼材，壓型金屬底板和直立鎖邊板采用3004-H36型鋁合金，鋁合金支座采用6061-T6型鋁合金. 分析顯示材料處于線彈性階段，模型中的材料信息如表2所示.

整體有限元模型見(jiàn)圖6（a），圖6（b）為有限元模型的構(gòu)造詳圖，同時(shí)標(biāo)明了位移加載點(diǎn)、各部件的連接關(guān)系. 模型中主檁條設(shè)置為連續(xù)梁，主檁條兩端均設(shè)置簡(jiǎn)支支座;主檁條和壓型金屬底板設(shè)置主從約束允許相同的豎向變形，接觸面上可滑移;馬座和次檁條、壓型金屬底板之間有可靠連接保證共同作用;鋁合金滑動(dòng)支座通過(guò)設(shè)置主從約束與次檁條共同工作，釋放自由度允許其沿垂直次檁條方向滑移;直立鎖邊板與鋁合金滑動(dòng)支座之間允許轉(zhuǎn)動(dòng)但不允許滑移;直立鎖邊板之間是耦合的，但允許發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)和沿長(zhǎng)度方向的滑移. 本計(jì)算模型通過(guò)主從約束連接各部件沒(méi)有考慮摩擦效應(yīng)，認(rèn)為可滑移處均光滑，避免了接觸面滑移系數(shù)的確定，分析結(jié)果為實(shí)際情況上限值.

依次在模型下部與索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的索夾對(duì)應(yīng)的位置施加表1中8種最不利工況下的豎向位移，考慮幾何非線性進(jìn)行數(shù)值分析.

3.3 ? 數(shù)值模擬分析過(guò)程與結(jié)果

如3.1節(jié)所述，評(píng)價(jià)金屬屋面系統(tǒng)4項(xiàng)變形性能及板面應(yīng)力分布. 變形評(píng)價(jià)指標(biāo)包括壓型金屬板和主檁條相對(duì)滑移，鋁合金支座相對(duì)滑移，直立邊底部最大滑移量，直立邊底部最大張開(kāi)角度.

3.3.1 ? 壓型金屬板和主檁條相對(duì)滑移

圖7為各工況下壓型金屬板和主檁條相對(duì)滑移. 考察位置為圖7（a）所示的2組邊緣主檁條與壓型金屬板連接處節(jié)點(diǎn)的相對(duì)滑移. 其中，第2、4工況和7、8工況的相對(duì)滑移十分接近，合并分析. 因起始點(diǎn)選為遠(yuǎn)離固定點(diǎn)，第1、5工況下靠近起始點(diǎn)位置處出現(xiàn)較大滑移，最大值分別為8.69 mm和6.96 mm，第7、8工況下滑移較小，最大值為3.86 mm和3.12 mm. 壓型金屬板與主檁條的最大滑移量8.69 mm<±10 mm的滑移限值，滿足變形要求.

3.3.2 ? 鋁合金支座相對(duì)次檁條的滑移

圖8所示為各工況下鋁合金支座相對(duì)次檁條的滑移，選取位置為圖8（a）所示的6組次檁條與鋁合金支座對(duì)應(yīng)的節(jié)點(diǎn). 工況1、2、3、4以及工況7、8的滑移十分接近，合并分析. 提取1～8工況下6組支座的最大滑移量如圖8（c）所示，最大滑移量出現(xiàn)在第5工況下第4組支座，滑移量為16.03 mm. 由于第4組支座在各工況下都有較大滑移，如圖8（d）所示詳細(xì)分析第4組每個(gè)支座的滑移情況. 各個(gè)鋁合金支座沿垂直次檁條方向均有未超限值的較大滑移，各鋁合金支座間的相對(duì)滑移變化量不大. 鋁合金支座與次檁條的最大滑移量16.03 mm <±20 mm的滑移限值，滿足變形要求.

3.3.3 ? 直立鎖邊底部的相對(duì)滑移

圖9所示為各工況下直立鎖邊底部的相對(duì)滑移，考察位置為圖9（a）所示的15組直立邊底部節(jié)點(diǎn)，其中2、3、4工況，5、6工況，7、8工況下相對(duì)滑移值十分接近，合并分析，第2～6條和12～14條直立邊底部的滑移量接近于0，不予示意. 提取1～8工況下各直立邊的最大滑移量如圖9（c）所示，第1工況下直立邊底部出現(xiàn)相對(duì)滑移最大，最大滑移出現(xiàn)在第8條直立邊，兩條直立邊底部的相對(duì)滑移量為2.47 mm;7、8工況下相對(duì)滑移較小，最大滑移量為0.82 mm. 由于第8條直立邊相對(duì)其余直立邊具有較大的相對(duì)滑移，如圖9（d）所示詳細(xì)分析第8條直立邊各節(jié)點(diǎn)的滑移情況. 各個(gè)工況下，第8條直立邊的最大滑移出現(xiàn)在起始點(diǎn)處或直立邊中點(diǎn)附近，第1工況下計(jì)算起始點(diǎn)位置處直立邊出現(xiàn)了最大滑移.

3.3.4 ? 直立鎖邊底部最大張開(kāi)角度

底部最大張開(kāi)角度如圖10所示. 已知直立邊高度h = 65 mm，直立邊底部最大滑移量x，根據(jù)幾何關(guān)系θ = 2arctan（0.5x/h）計(jì)算出直立邊底部最大張開(kāi)角度. 直立邊底部的相對(duì)滑移和直立邊底部張開(kāi)角度具有相同的變化趨勢(shì). 第1工況下有最大張開(kāi)角度2.18°，其余各工況張開(kāi)角度較小，為1°左右. 最大張開(kāi)角度2.18°小于保持水密性的最大角度5°，說(shuō)明屋面系統(tǒng)在正常使用極限狀態(tài)下直立邊仍保持較好的咬合.

在8種最不利變形條件下，試件直立邊屋面板和底板的最大Von Mises應(yīng)力為第5工況下90.4 MPa，出現(xiàn)在次檁條和直立鎖邊板邊緣應(yīng)力集中處. 絕大部分區(qū)域的應(yīng)力值小于20 MPa，低于其材料的設(shè)計(jì)強(qiáng)度180 MPa，整個(gè)屋面系統(tǒng)均處于彈性階段.

3.3.5 ? 直立鎖邊板咬合邊精細(xì)化模擬

圖11（a）為咬合邊頂部在水流噴淋下水的流動(dòng)方向. 內(nèi)外卷邊咬合處的縫隙易出現(xiàn)毛細(xì)現(xiàn)象，導(dǎo)致外部水進(jìn)入直立鎖邊板內(nèi)側(cè)，向卷邊咬合處內(nèi)部進(jìn)一步擴(kuò)展. 反毛細(xì)構(gòu)造的設(shè)置使毛細(xì)水無(wú)法繼續(xù)向卷邊咬合處內(nèi)部進(jìn)一步擴(kuò)展，保證直立鎖邊板的水密性能. 取一個(gè)支座及其兩側(cè)屋面板為研究對(duì)象，沿支座正截面垂直屋面板的方向剖切，研究此模型在最大張開(kāi)角度下卷邊咬合處反毛細(xì)構(gòu)造措施是否仍可發(fā)揮作用. 由于直立鎖邊板的咬合邊在剖切平面外的錯(cuò)動(dòng)滑移幾乎不影響直立鎖邊板咬合處的變形性能，僅考慮咬合邊在平面內(nèi)的變形特性建立咬合邊處的平面二維模型研究其變形，分析其咬合邊的毛細(xì)構(gòu)造措施在咬合邊平面內(nèi)的錯(cuò)動(dòng)和滑移下是否可保證正常工作，按照咬合處的細(xì)部構(gòu)造考慮材料的非線性進(jìn)行模擬. 直立鎖邊板為3004-H36鋁合金，鋁合金支座為6061-T6鋁合金，鋁合金材料采用二折線本構(gòu)模型模擬，材料性質(zhì)見(jiàn)表3，彈性模量、泊松比、密度同表2. 直立鎖邊板采用殼單元模擬，兩塊直立鎖邊板的內(nèi)外卷邊間以及直立鎖邊板的內(nèi)卷邊和支座間均為接觸關(guān)系，摩擦系數(shù)取0.1[17]. 鋁合金支座固定，直立鎖邊板約束垂直板面方向位移，采用位移加載對(duì)兩直立鎖邊板底部沿板面方向各施加x方向位移1.235 mm模擬直立邊最大張開(kāi)角度2.18°下，底部滑移量為2.47 mm的情況. 卷邊咬合處細(xì)部構(gòu)造和尺寸如圖11（b）所示，整體有限元模型的荷載、邊界條件、尺寸如圖11（c）所示.

在直立鎖邊板底邊最大相對(duì)滑移的加載條件下，有限元模型的變形和應(yīng)力情況如圖12所示. 反毛細(xì)構(gòu)造處以及反毛細(xì)構(gòu)造附近的支座和卷邊、卷邊和卷邊的接觸部位應(yīng)力相對(duì)較大，為65.4 MPa和71.3 MPa，仍處于彈性變形階段. 分析可見(jiàn)，在正常使用極限狀態(tài)下咬合處的內(nèi)外卷邊仍緊密咬合在一起，具有較好的咬合能力，反毛細(xì)構(gòu)造措施仍可發(fā)揮作用，直立鎖邊板防水性良好.

繼續(xù)施加位移，直立鎖邊張開(kāi)角度達(dá)到限值，支座和內(nèi)卷邊、內(nèi)外卷邊接觸部位的材料達(dá)到極限抗拉強(qiáng)度. 計(jì)算表明極限狀態(tài)下，底邊滑移量為5.64 mm，張開(kāi)角度4.96°，是正常使用極限狀態(tài)下的張開(kāi)角度2.18°的2.3倍. 此時(shí)直立鎖邊板底邊間的極限相對(duì)滑移和應(yīng)力情況如圖13所示，咬合部位產(chǎn)生了一定的變形，但是內(nèi)外卷邊仍保持接觸，反毛細(xì)構(gòu)造措施仍可發(fā)揮作用;極限狀態(tài)下接觸位置達(dá)到抗拉強(qiáng)度極限，直立鎖邊板在極限滑移下也具有良好水密性.

對(duì)咬合邊的精細(xì)化有限元模擬分析表明，直立鎖邊板的極限張開(kāi)角度遠(yuǎn)大于其正常使用極限狀態(tài)下的張開(kāi)角度，直立鎖邊板咬合處的失效時(shí)直立鎖邊板的強(qiáng)度達(dá)到極限狀態(tài). 在材料不發(fā)生破壞的情況下，咬合處的反毛細(xì)構(gòu)造措施可以發(fā)揮作用，保證直立鎖邊屋面系統(tǒng)的水密性.

3.3.6 ? 數(shù)值模擬結(jié)果

數(shù)值模擬結(jié)果如表4所示. 整體模型的分析沒(méi)有考慮接觸面的摩擦，將邊界條件理想化，變形結(jié)果為實(shí)際情況的上限值. 數(shù)值模擬得到的上限值可以偏于安全地反映實(shí)際屋面系統(tǒng)的變形情況. 將此數(shù)值分析的結(jié)果與水密性試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)在下部索網(wǎng)結(jié)構(gòu)最大變形狀態(tài)下，上部屋面系統(tǒng)的壓型金屬板與主檁條的滑移、鋁合金支座和次檁條的滑移、直立邊底部對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的滑移滿足試驗(yàn)試件中各構(gòu)件的構(gòu)造和性能要求. 在正常使用的極限狀態(tài)下，直立邊處的張開(kāi)角度最大為2.18°，為張開(kāi)角度限值5°的43.6%. 直立鎖邊板咬合失效發(fā)生在直立鎖邊板的強(qiáng)度破壞后，直立鎖邊板具有良好的咬合性能，數(shù)值模擬的分析結(jié)果與水密性實(shí)驗(yàn)的結(jié)果對(duì)比具有一致性. 數(shù)值模擬證明了屋面系統(tǒng)有適應(yīng)索網(wǎng)結(jié)構(gòu)大變形的變形性能，也證實(shí)了屋面系統(tǒng)在最不利變形狀態(tài)下具有良好水密性.

4 ? 結(jié)論與建議

本文依托蘇州工業(yè)園區(qū)體育中心游泳館直立鎖邊屋面系統(tǒng)的水密性要求，通過(guò)試驗(yàn)和數(shù)值模擬研究了直立鎖邊屋面系統(tǒng)經(jīng)歷下部索網(wǎng)結(jié)構(gòu)大變形作用后的水密性，討論了直立鎖邊屋面系統(tǒng)和柔性索網(wǎng)結(jié)構(gòu)的變形相容性，試驗(yàn)和分析得到如下結(jié)論：

1）多次最不利位移加載條件下的水密性試驗(yàn)表明，在下部柔性結(jié)構(gòu)大變形條件下，直立鎖邊屋面系統(tǒng)的細(xì)部構(gòu)造的變形能力滿足要求，保證了金屬屋面系統(tǒng)的水密性.

2）本次試驗(yàn)的多次最不利變形證明，直立鎖邊屋面系統(tǒng)具備承受柔性索網(wǎng)反復(fù)大變形的能力，剛性的直立鎖邊屋面系統(tǒng)與柔性索網(wǎng)結(jié)構(gòu)具有良好的變形相容性，兩者可以共同正常工作.

3）本文整體模型的模擬假設(shè)接觸面光滑，得到的屋面系統(tǒng)的滑移和張角為實(shí)際結(jié)果的上限，數(shù)值模擬得到的上限值可以偏于安全地反映實(shí)際屋面系統(tǒng)的變形情況. 對(duì)細(xì)部構(gòu)造的數(shù)值模擬表明，直立鎖邊屋面系統(tǒng)細(xì)部防水構(gòu)造具有很大的變形能力儲(chǔ)備，防水構(gòu)造措施的失效發(fā)生在直立鎖邊板的強(qiáng)度破壞之后. 在柔性結(jié)構(gòu)大變形條件下，構(gòu)件間的滑移和錯(cuò)動(dòng)在構(gòu)件可滑移范圍內(nèi)，直立鎖邊的張開(kāi)角度小，可保證咬合度和反毛細(xì)構(gòu)造的有效性. 數(shù)值分析的結(jié)果驗(yàn)證了水密性試驗(yàn)的正確性，水密性試驗(yàn)的結(jié)果確保了數(shù)值分析的可靠性.

4）直立鎖邊屋面系統(tǒng)的數(shù)值模擬表明，在柔性結(jié)構(gòu)大變形條件下，直立鎖邊屋面系統(tǒng)的應(yīng)力在彈性范圍內(nèi). 只要細(xì)部構(gòu)造措施的耐久性可以保證，各種變形往復(fù)條件下屋面系統(tǒng)仍在彈性范圍，可保證直立鎖邊屋面系統(tǒng)的正常工作性能.

5）本次試驗(yàn)缺乏定量的數(shù)據(jù)結(jié)果，值得改進(jìn).?直立鎖邊屋面系統(tǒng)內(nèi)部空間小，在試件中放置測(cè)量?jī)x器測(cè)量屋面系統(tǒng)滑移、錯(cuò)動(dòng)和直立縫的張開(kāi)角度困難. 建議取消屋面系統(tǒng)的保溫隔熱等建筑措施，僅保留相關(guān)結(jié)構(gòu)構(gòu)造，以期獲得足夠空間布置測(cè)量?jī)x器來(lái)定量測(cè)量屋面系統(tǒng)的變形性能。

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