連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)溫度循環(huán)作用下工作性能試驗研究與理論分析*

任 建， 苗吉軍， 李 健， 王甫來

(1 青島理工大學(xué)土木工程學(xué)院， 青島 266033；2 青島國際機場集團有限公司， 青島 266108)

0 引言

金屬屋面系統(tǒng)由于能靈活地適應(yīng)不規(guī)則復(fù)雜造型的建筑，被越來越廣泛地作為大跨度結(jié)構(gòu)的外圍護系統(tǒng)，目前以直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)應(yīng)用最為廣泛[1]，但金屬屋面系統(tǒng)在施工和使用過程中仍面臨溫度效應(yīng)、風(fēng)揭失效、屋面滲漏、火災(zāi)隱患等問題需要解決。目前對溫度效應(yīng)問題的研究相對較少，且在進行金屬屋面設(shè)計時普遍不考慮溫度應(yīng)力對屋面系統(tǒng)各構(gòu)件力學(xué)性能的影響，對結(jié)構(gòu)溫度效應(yīng)的分析基本都是定性分析或簡單的定量分析計算，結(jié)構(gòu)設(shè)計往往不夠經(jīng)濟合理，缺乏準(zhǔn)確的溫度效應(yīng)定量計算[2]。

連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)，作為繼直立鎖邊金屬屋面系統(tǒng)新的發(fā)展方向，日本等發(fā)達(dá)國家早在上世紀(jì)就將焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)成功應(yīng)用于大型公共建筑上[3]，如東京羽田國際機場、仁川機場、關(guān)西機場等。雖然近年來在國內(nèi)也有將不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)應(yīng)用于大型建筑的案例，如廣州國際會展中心、廣州亞運城綜合體育館、深圳大運會深圳灣體育中心等，但國內(nèi)采用焊接形式的不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)還未完全普及。

青島膠東國際機場T1航站樓采用0.5mm厚連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)，其面積約22萬m2，是目前世界上較大的焊接不銹鋼板屋面工程，其效果圖如圖1所示。屋面板材料為超純鐵素體不銹鋼，屋面板連接形式采用全焊接連接。

圖1 青島膠東國際機場T1航站樓效果圖

連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造如圖2所示，該屋面系統(tǒng)作為大跨度建筑物的外圍護結(jié)構(gòu)，長期受到太陽輻射和外界環(huán)境溫度等因素的影響，由此產(chǎn)生溫度變形。當(dāng)外界溫度發(fā)生改變時，金屬屋面板由于受到固定支座等其他約束的作用，變形將受到限制，并在結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生溫度應(yīng)力[4]。因此有必要對連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)在溫度循環(huán)作用下的工作性能進行研究。

1 試驗設(shè)計

1.1 試驗?zāi)康?/h3>

在實驗室標(biāo)準(zhǔn)條件下對連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)模型試件進行溫度循環(huán)試驗，主要研究連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面板(簡稱屋面板)及其支座連接件在循環(huán)交變溫度荷載作用下的內(nèi)力和變形規(guī)律，確定出試件的溫度場、溫度應(yīng)力的分布狀態(tài)以及在最不利溫度荷載作用下的結(jié)構(gòu)受力性能。

1.2 試件設(shè)計與制作

按照彈性理論方法[5]在橫向選取5跨屋面板，橫向長度為2 050mm；結(jié)合工程實際、試驗?zāi)康募霸囼炘O(shè)備等條件，縱向選取2跨幾字形襯檁，試件縱向長度為3 060mm；在豎直方向上選取次檁條及其以上構(gòu)造。模型試件計算簡圖如圖3所示。

圖3 模型試件計算簡圖

基于連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造設(shè)計[6]，制作如圖4所示的模型試件。試件嚴(yán)格按照實際航站樓屋蓋結(jié)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)約束方式進行制作，以保證各構(gòu)造層次連接的可靠性。

圖4 模型試件照片

1.3 試驗邊界條件

由于實際工程結(jié)構(gòu)中，次檁條與次檁托通過不銹鋼螺栓連接在一起，次檁托焊接于下部主檁條上，主檁條通過主檁托焊接于下部鋼結(jié)構(gòu)網(wǎng)架球節(jié)點上，檁條間的連接如圖5所示。

圖5 主、次檁條與下部結(jié)構(gòu)的連接

在制作試件時僅取次檁條及其以上部位，因此有必要對次檁條施加等效力學(xué)邊界條件，以代替次檁條與下部結(jié)構(gòu)之間的連接。試驗時采用結(jié)構(gòu)膠把次檁條粘結(jié)于試驗箱底部鋼板上，次檁條的粘結(jié)如圖6所示。

圖6 試驗時次檁條與試驗箱底部的粘結(jié)

1.4 試驗加載裝置

本試驗在青島理工大學(xué)動力實驗中心進行，試驗加載裝置為工程熱物理試驗系統(tǒng)，如圖7所示。該系統(tǒng)主要用于模擬實際工程結(jié)構(gòu)所處的特殊環(huán)境條件，如凍融循環(huán)、干濕循環(huán)、降雨等。

圖7 工程熱物理試驗系統(tǒng)

1.5 測量內(nèi)容及測點布置

主要測量內(nèi)容：屋面板的表面溫度、雙向應(yīng)變、雙向位移；固定支座的雙向應(yīng)變；鍍鋁鋅平鋼板和鍍鋅幾字形襯檁的表面溫度。模型試件屋面板的溫度、雙向溫度應(yīng)變及位移測點布置如圖8所示，其中字母A為雙向溫度應(yīng)變測點，字母T為溫度測點，字母W為位移測點。

圖8 連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面板溫度、溫度應(yīng)變及位移測點布置

1.6 試驗加載制度

為模擬實際工程結(jié)構(gòu)所處的溫度條件，本試驗依據(jù)美國標(biāo)準(zhǔn)AAMA501.5—2007[7]和JG/T 397—2012[8]，并結(jié)合本項目試驗情況及膠州地區(qū)氣溫條件[9]，制定試驗用加載制度，其單個循環(huán)周期內(nèi)的熱循環(huán)曲線如圖9所示。試驗條件如下：1)試驗初始溫度為24℃，高溫設(shè)定值為80℃，低溫設(shè)定值為-20℃；2)高、低溫保持時間均為2h，冷熱循環(huán)次數(shù)為9次，試驗總時間為72h。

圖9 單個循環(huán)周期內(nèi)的熱循環(huán)曲線

試驗步驟如下：1)模型試件按照試驗方案固定就位，為了不改變熱量的傳遞路徑，在試件的四周用保溫巖棉進行密封處理，保證僅露出最上層的屋面板受溫度荷載作用，試件的傳感器布置如圖10所示；應(yīng)變、位移傳感器及鉑電阻溫度傳感器與靜態(tài)應(yīng)變測試分析系統(tǒng)進行連接調(diào)試，如圖11所示。2)啟動工程熱物理試驗系統(tǒng)，調(diào)整箱內(nèi)初始溫度為24℃，并維持此溫度至少1h。3)切換并啟動本試驗加載制度，對試驗過程進行數(shù)據(jù)采集，各參數(shù)采樣頻率均為60s/次。4)試驗過程中仔細(xì)觀察、記錄試驗現(xiàn)象，注意數(shù)據(jù)的意外波動和變化情況。5)試驗結(jié)束后處理和分析數(shù)據(jù)。

圖10 試件的傳感器布置

圖11 傳感器與數(shù)據(jù)采集儀的連接

2 試驗現(xiàn)象與結(jié)果分析

在試驗過程中多次通過玻璃窗觀察屋面板變形情況，未發(fā)現(xiàn)屋面板產(chǎn)生明顯變形。試驗結(jié)束后在拆除試件的同時，屋面板及下部各層鋼板表面均未出現(xiàn)明顯塑性變形現(xiàn)象，固定支座與下部構(gòu)造之間及各層鋼板之間均未出現(xiàn)自攻螺釘?shù)乃擅摤F(xiàn)象，試件的耐候性能良好。

2.1 溫度結(jié)果分析

圖12為單循環(huán)下沿試件厚度方向各層鋼板表面溫度隨試驗系統(tǒng)加載溫度的變化情況，對于升溫和降溫段選取9個循環(huán)下相同加載溫度點的平均值，而對于高、低溫保持段選取各循環(huán)下的最不利溫度值作為代表。

圖12 單循環(huán)下各層鋼板表面溫度變化

從圖12可知，當(dāng)加載溫度為80℃時，屋面板表面溫度為76.79℃，鍍鋁鋅平鋼板和鍍鋅幾字形襯檁表面溫度分別為70.36，57.89℃；當(dāng)加載溫度為-20℃時，屋面板表面溫度為-16.15℃，鍍鋁鋅平鋼板和鍍鋅幾字形襯檁表面溫度分別為-6.56，-1.78℃。

2.2 溫度應(yīng)力結(jié)果分析

本文規(guī)定沿模型試件短邊方向為X向，沿長邊方向為Y向。按照溫度應(yīng)變測點所在位置的不同，對試驗結(jié)果進行分類闡述。

2.2.1 屋面板跨中測點

圖13為屋面板跨中測點A5，A7，A8的雙向溫度應(yīng)力隨試驗系統(tǒng)加載溫度的變化趨勢，應(yīng)力值取各循環(huán)下相同加載溫度點的平均值，可知單循環(huán)下的平均溫度應(yīng)力值隨試驗系統(tǒng)加載溫度的變化趨勢與屋面板表面溫度的變化形式大致相同。當(dāng)加載溫度為80℃時，測點A7的X向溫度應(yīng)力最大，為68.72MPa；當(dāng)加載溫度為-20℃時，測點A7的Y向溫度應(yīng)力最大，為-65.47MPa。

圖13 單循環(huán)下屋面板平均溫度應(yīng)力變化

圖14為跨中測點在極端加載溫度下各循環(huán)的雙向溫度應(yīng)力極值變化，可知極端加載溫度下大多數(shù)測點的溫度應(yīng)力極值隨循環(huán)次數(shù)呈現(xiàn)平穩(wěn)變化，且同一測點各循環(huán)下應(yīng)力峰值最大相差不超過5MPa。

圖14 極端加載溫度下各循環(huán)的應(yīng)力極值

2.2.2 屋面板其余測點

為研究屋面板平面內(nèi)的溫度應(yīng)力分布，按照測點對稱性原則，將全部測點集中于試件右上方1/4區(qū)域內(nèi)，測點分布如圖15所示。

圖15 1/4屋面板區(qū)域測點分布

圖16為各測點在加載溫度為80℃時，9次循環(huán)下的屋面板X向、Y向溫度應(yīng)力極值分布，可知平面內(nèi)雙向溫度應(yīng)力極值分布較為不均勻。屋面板X向測點A7溫度應(yīng)力最大，為68.72MPa；屋面板Y向測點A3溫度應(yīng)力最大，為60.88MPa。

圖16 加載溫度80℃時各測點應(yīng)力極值分布

圖17為各測點在加載溫度為-20℃時，9次循環(huán)下的屋面板X向、Y向溫度應(yīng)力極值分布(圖中取數(shù)值的絕對值)，可知應(yīng)力極值呈現(xiàn)不均勻分布，屋面板X向測點A7溫度應(yīng)力最大，為62.90MPa；屋面板Y向測點A4溫度應(yīng)力最大，為71.98MPa。

圖17 加載溫度-20℃時各測點應(yīng)力極值分布

2.2.3 固定支座測點

圖18為固定支座處測點A17，A18在單循環(huán)下的平均溫度應(yīng)力隨加載溫度的變化曲線，可知應(yīng)力的變化形式與屋面板跨中測點近似一致。

圖18 單循環(huán)下測點A17,A18平均溫度應(yīng)力變化

圖19為測點A17，A18在各循環(huán)中處于極端溫度荷載作用下的雙向溫度應(yīng)力極值變化情況，可知各循環(huán)下測點A17,A18溫度應(yīng)力極值變化較為平穩(wěn)。當(dāng)加載溫度為80℃時，測點A18在X向溫度應(yīng)力最大，為88.29MPa；當(dāng)加載溫度為-20℃時，測點A17在X向溫度應(yīng)力最大，為-78.26MPa。

圖19 極端加載溫度下測點A17，A18各循環(huán)的應(yīng)力極值

2.3 位移結(jié)果分析

圖20為屋面板表面位移測點在各循環(huán)下的X向、Y向位移增量極值變化情況，圖中每個循環(huán)分別取極端加載溫度下(加載溫度為80℃和-20℃)的兩個位移增量極值，可知同一極端加載溫度下的兩個方向的位移增量極值變化較為平穩(wěn)。當(dāng)加載溫度為80℃時，屋面板X向表面位移增量最大值在測點W0，于第2個循環(huán)下達(dá)到最大值0.177mm；屋面板Y向表面位移增量最大值在測點W1，于第6，8個循環(huán)下達(dá)到最大值0.280mm。當(dāng)加載溫度為-20℃時，屋面板X向表面位移增量最大值在測點W0，于第7個循環(huán)下達(dá)到最大值0.208mm；屋面板Y向表面位移增量最大值在W1測點，于第6個循環(huán)下達(dá)到最大值0.235mm。

圖20 屋面板表面位移測點在各循環(huán)下的位移增量極值變化

3 有限元分析

使用ABAQUS/Standard模塊進行順序耦合熱應(yīng)力分析[10]，即在分析過程中模型的應(yīng)力應(yīng)變場取決于溫度場，但溫度場不受應(yīng)力應(yīng)變場的影響。通過對連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)模型試件進行有限元分析，研究其在循環(huán)溫度荷載作用下的結(jié)構(gòu)受力性能。

3.1 數(shù)值模擬

3.1.1 材料本構(gòu)

不銹鋼冷軋鋼帶拉伸本構(gòu)關(guān)系曲線如圖21所示。進行有限元分析時鋼材采用線彈性材料模型，類型為各向同性。

圖21 拉伸本構(gòu)關(guān)系曲線

3.1.2 幾何建模

由于連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)模型試件構(gòu)造層次多且復(fù)雜，若將所有部件考慮進來，勢必會造成模型規(guī)模過大、容易出現(xiàn)收斂問題，故在保證計算精度的前提下對試件原始模型進行合理簡化十分必要。

(1)結(jié)構(gòu)整體模型簡化

選取保溫巖棉以上部位(即幾字形襯檁及其上部構(gòu)造)進行結(jié)構(gòu)整體建模，同時根據(jù)研究需要，忽略防水卷材和隔音泡棉，采用界面約束進行等效。

(2)結(jié)構(gòu)局部部件簡化

對于屋面板忽略其表面的橫向淺壓紋，采用線彈性彈簧約束進行等效；對于鍍鋁鋅壓型鋼板和平鋼板，分別按照一塊整體面板進行建模，忽略鋼板之間的拼接。

3.1.3 單元類型及網(wǎng)格劃分

基于模型試件構(gòu)造特性，各部件均為單一各向同性材料且忽略橫向剪切變形的影響，采用三維殼單元進行計算。在進行傳熱分析時，針對結(jié)構(gòu)不同部位分別選用DS4單元和DS3單元進行模擬；在進行熱應(yīng)力分析時，針對結(jié)構(gòu)不同部位分別選用S4R單元和S3單元進行模擬。

采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格劃分技術(shù)和自由網(wǎng)格劃分技術(shù)對模型試件進行網(wǎng)格劃分，其整體有限元網(wǎng)格模型如圖22所示。

圖22 試件整體有限元網(wǎng)格模型

3.1.4 界面模擬及約束施加

在分析傳熱問題時，界面間定義的熱接觸屬性主要是間隙傳導(dǎo)和間隙輻射；在進行熱應(yīng)力分析時，切向行為上忽略界面間的摩擦，法向行為上采用硬接觸來描述模型的法向接觸狀態(tài)。

為模擬連續(xù)焊接的效果，對肋板間焊縫區(qū)域施加表面-表面的綁定約束；為模擬自攻螺釘在各層鋼板螺孔位置處的連接效果，在孔邊施加節(jié)點-節(jié)點的綁定約束；為模擬橫向淺壓紋的效果，在屋面板底面與平鋼板頂面/固定支座水平面之間建立線彈性彈簧形式的約束，通過創(chuàng)建一定密度的彈簧約束對，建立平面上兩節(jié)點間的有效剛度。

3.1.5 邊界條件

在傳熱分析時，設(shè)定屋面板的上表面與空氣環(huán)境之間的對流換熱和表面輻射；在熱應(yīng)力分析時，為對簡化后模型施加等效的力學(xué)邊界，在幾字形襯檁與襯檁支撐的連接部位處施加完全固定約束。

3.2 數(shù)值模擬結(jié)果分析

提取屋面板和固定支座在9個循環(huán)中處于極端加載溫度荷載作用下的部分最不利節(jié)點溫度云圖、應(yīng)力云圖及位移云圖分別見圖23～25。

圖23 屋面板與整體支座在極端加載溫度荷載作用下的最不利節(jié)點溫度云圖/℃

通過對模型試件進行順序耦合熱應(yīng)力分析，得到主要結(jié)論如下：

(1)屋面板在X向第2，3跨的邊緣肋板交界處取得節(jié)點溫度極值；選取溫度最高/低的固定支座，其溫度分布均沿支座長度方向近似呈條狀分布，且分布較為均勻。

圖24 屋面板與受力最大支座在極端加載溫度荷載作用下的應(yīng)力云圖/MPa

圖25 屋面板與位移最大支座在極端加載溫度荷載作用下的位移云圖/mm

(2)屋面板X向應(yīng)力最大值位于第3塊屋面板端部豎直肋板與水平面的交界處，Y向應(yīng)力最大值位于第5塊屋面板右側(cè)兩支座間的肋板上部；選取極端高溫/低溫下應(yīng)力最大的固定支座，在支座豎直面焊縫寬度中心位置處應(yīng)力值較大。

(3)屋面板X向上，各塊板面內(nèi)位移較大值主要分布于Y向第1，2，5，6跨，位移較大區(qū)域沿屋面板Y向近似呈梭形分布。屋面板Y向位移沿X向呈條帶狀分布，位移值從屋面板Y向中間位置向兩端逐漸增大。選取變形最大的支座，可知屋面板X向在極端高溫時豎直面內(nèi)位移分布較為均勻，水平面內(nèi)位移沿Y向近似呈條帶狀均勻分布。在極端低溫下，屋面板Y向位移在水平面內(nèi)均勻性較好，而在豎直面上位移沿支座長度方向呈條帶狀分布，位移值從底部向上逐漸增大。

4 數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果對比分析

以屋面板的跨中測點和X向位移測點為例，選取9個循環(huán)下處于極端加載溫度荷載作用下的模擬極值與試驗極值進行對比，分別見圖26,27。由圖26,27對比結(jié)果可知，數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果誤差值較小，在一定程度上可滿足計算精度的需要。

圖26 跨中測點應(yīng)力結(jié)果對比

圖27 測點X向位移結(jié)果對比

5 結(jié)論

(1)在試驗過程中及試驗后拆除試件時，屋面板及固定支座均未產(chǎn)生較大變形，說明該連續(xù)焊接不銹鋼金屬屋面系統(tǒng)經(jīng)歷一定次數(shù)的溫度循環(huán)作用后可保持良好的工作性能。

(2)對模型試件進行溫度循環(huán)作用下的順序耦合熱應(yīng)力分析，研究了多種部件的變形與受力性能，通過數(shù)值模擬結(jié)果與試驗結(jié)果的對比，驗證了屋蓋模型結(jié)構(gòu)模擬分析的正確性和適應(yīng)性。

致謝：青島國際機場集團有限公司對青島新機場課題集成開發(fā)及航站樓鋼結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測評估項目(B2-2018-0179)提供的經(jīng)費支持。