直立鎖邊不銹鋼屋面系統(tǒng)溫度效應(yīng)試驗

吳小蕙，王彥峰，李嘉杰，王明明，汪大洋*

(1.廣東電網(wǎng)有限責(zé)任公司電網(wǎng)規(guī)劃研究中心，廣州 510080；2.廣州大學(xué)土木工程學(xué)院，廣州 510006)

隨著新材料、新工藝及新的生產(chǎn)技術(shù)的不斷涌現(xiàn)，為金屬屋面系統(tǒng)的技術(shù)改進(jìn)以及應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展帶來了前所未有的機(jī)遇。近年來被大量應(yīng)用于各類建筑物屋頂?shù)慕饘傥菝嫦到y(tǒng)[1-2]。結(jié)構(gòu)在溫度作用下，將產(chǎn)生溫度應(yīng)力和溫度變形[3]。長期的溫度作用必然會影響屋面系統(tǒng)的承載性能和抗風(fēng)揭能力，開展屋面系統(tǒng)在溫度效應(yīng)研究將具有重要意義。

目前對金屬屋面系統(tǒng)的研究主要集中于抗風(fēng)揭方面。金屬屋面系統(tǒng)構(gòu)造復(fù)雜，失效模式多樣[4-5]，分清結(jié)構(gòu)抗力的層次至關(guān)重要。高翔[6]、秦國鵬等[7]、常波等[8]等考慮支座和抗風(fēng)夾等因素對直立鎖邊金屬屋面進(jìn)行了抗風(fēng)揭性能試驗研究。Myuran等[9]提出了一種基于簡單方程的屋面板疲勞貫穿失效設(shè)計方法以及冷彎型鋼的靜疲勞拉拔能力方程。然而對于結(jié)構(gòu)的溫度效應(yīng)研究主要集中在橋梁[10]、路面[11]和太陽射電望遠(yuǎn)鏡[12]等方面，分別考慮溫度作用對橋梁應(yīng)變、路面溫度應(yīng)力和望遠(yuǎn)鏡設(shè)備精度的影響，而對于工程中常用的大跨金屬圍護(hù)系統(tǒng)在溫度作用下的力學(xué)性能和變形特性研究甚少。

可見，針對金屬屋面系統(tǒng)的溫度效應(yīng)的研究仍很缺乏。在實際工程中，關(guān)于屋面及其關(guān)鍵節(jié)點的溫度場效應(yīng)研究尚不清楚，對結(jié)構(gòu)的安全性存在極大的潛在危險。因此，現(xiàn)研究直立鎖邊不銹鋼屋面系統(tǒng)在溫度作用下的變形和應(yīng)力分布規(guī)律，重點分析屋面系統(tǒng)中板肋、支座和板面的內(nèi)力和變形特性，為實際工程的設(shè)計和應(yīng)用提供參考依據(jù)。

1 試驗簡介

1.1 測試試件

測試的對象為直立鎖邊不銹鋼屋面系統(tǒng)，屋面系統(tǒng)構(gòu)造從上往下主要為屋面板、保溫棉、熱塑性聚烯烴類(thermoplastic polyolefin，TPO)防水卷材、支座、鋼板和檁條等，如圖1所示。屋面板材料為445J2不銹鋼，長度為10 500 mm，寬度為2 038 mm，厚度為0.6 mm。檁條間距為600 mm，支座橫向間距400 mm。支座為可旋轉(zhuǎn)固定支座，主要為SUS304不銹鋼材料。屋面板和支座的具體參數(shù)如表1所示。

表1 試件材料參Table 1 Material parameters of specimen

圖1 測試試件Fig.1 Test specimen

1.2 測試內(nèi)容

測試系統(tǒng)包括保溫箱、試件安裝平臺、溫度控制系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，如圖2所示。其中，保溫箱由加熱管和溫度傳感器組成。溫度控制系統(tǒng)通過安裝溫度傳感器實時監(jiān)視和調(diào)節(jié)保溫箱溫度。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過在屋面板上布置應(yīng)變片和位移傳感器來實時監(jiān)測應(yīng)力和變形。

圖2 試驗裝置Fig.2 Testing device

在屋面系統(tǒng)的板肋(SR)、支座(SP)和板面(SS)布置應(yīng)變片，如圖3所示。每個測點布置兩個應(yīng)變片分別測量橫向(奇數(shù))和縱向應(yīng)力(偶數(shù))。并通過布置位移傳感器來測量屋面板的水平和豎向位移，如圖4所示。其中，HD是來測量屋面板的縱向水平位移，STD是測量板底部的豎向位移，SRD是測量板肋的豎向位移。

圖3 應(yīng)變片布置Fig.3 Strain gauges arrangement

圖4 位移傳感器布置Fig.4 Displacement sensors arrangement

溫度場作用下，夏季構(gòu)件截面的非線性溫度梯度達(dá)到20 ℃，年變化范圍可以達(dá)到80 ℃[13]。靜力加載溫度梯度為20 ℃，最大溫差為90 ℃，加載示意圖，如圖5所示。開展3組(S1～S3)溫度加載測試，考慮不同的邊界約束條件下的屋面系統(tǒng)溫度效應(yīng)。試件沿著兩個長邊方向均被規(guī)定，改變兩個短邊方向的約束方式，分別為兩端自由(S1)、一端固定(S2)和兩端固定(S3)三種約束方式。

圖5 加載示意圖Fig.5 Loading diagram

2 結(jié)果分析

2.1 位移分析

S1屋面板位移時程曲線如圖6所示。可知，屋面板的水平和豎向位移隨溫度的升高而增加。屋面各單板的縱向水平位移HD1～HD6最大縱向水平位移為4.77、4.84、4.92、5.07、4.60、5.76 mm。屋面板的豎向位移有正值有負(fù)值呈現(xiàn)一定的波浪式變形，且均小于1 mm，可見屋面板的縱向水平位移要明顯大于豎向位移。

圖6 S1屋面板位移時程曲線Fig.6 Roof slab displacement time history curve of S1

不同約束條件下屋面板位移時程曲線和S1相似，每一溫度等級下的最大屋面板位移如圖7所示?？芍?，工況S1～S3的最大水平位移分別為5.76、9.19、0.11 mm，最大豎向位移分別為1.39、1.79、2.08 mm。對比可知，隨著約束條件改變屋面板位移發(fā)生明顯變化。建筑屋面上的壓型金屬板構(gòu)件，在受到環(huán)境溫度變化的影響，它的尺寸將發(fā)生變化，變化量計算公式為

圖7 不同約束下屋面板位移Fig.7 Displacement of roof slab under different constraints

ΔL=LαΔT

(1)

式(1)中：ΔL為材料長度變化值；L為材料長度；α為材料熱膨脹系數(shù)；ΔT為材料溫度變化值。

由式(1)可知，試件水平位移理論值為 9.5 mm。試驗中試件最大縱向水平位移為9.19 mm?？梢?，溫度作用下屋面板的縱向水平位移的理論值要略大于實驗值約3.4%。分析可知，理論值計算是材料端部在一端固定一端自由的約束條件下，而試驗中的約束條件更強(qiáng)，故而溫度變形要小于理論值。

2.2 應(yīng)力分析

溫度加載下屋面板各部分應(yīng)力也隨著溫度增加而逐漸變大，S1應(yīng)力時程曲線如圖8～圖10所示。由圖8可知，當(dāng)溫度達(dá)到40、60、80、100、120 ℃時，板肋最大應(yīng)力出現(xiàn)在SR3位置，分別為15.9、30.8、33.5、72.3、110.1 MPa。進(jìn)一步分析可知，X-1跨的最大板肋應(yīng)力要大于X-2跨。

圖8 S1板肋應(yīng)力時程曲線Fig.8 Slab rib stress time history curve of S1

由圖9可知，沿著X-1跨支座橫向應(yīng)力逐漸減小，縱向應(yīng)力在SP4處出現(xiàn)突變。沿著X-2跨支座橫向和縱向應(yīng)力均呈增加趨勢。對比分析可知，支座的最大應(yīng)力出現(xiàn)在SP12位置處為32.1 MPa，約為屈服強(qiáng)度的10.7%。Y-1跨和Y-2跨中支座的縱向應(yīng)力要大于橫向應(yīng)力，可見，在位置處支座主要受剪切應(yīng)力，Y-3跨則相反，支座主要受拉。

圖9 S1支座應(yīng)力時程曲線Fig.9 Support stress time history curve of S1

由圖10可知，沿著X-1跨的板面橫向應(yīng)力均大于縱向應(yīng)力，且在SS3處出現(xiàn)明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)在，且支座處的板面應(yīng)力一般要大于非支座處。綜上所述，板面最大應(yīng)力出現(xiàn)在SS3處和板肋最大應(yīng)力(SR3)出現(xiàn)位置相同，為153.1 MPa，約占材料屈服的62.5%。

圖10 S1板面應(yīng)力時程曲線Fig.10 Slab surface stress time history curve of S1

不同約束條件下屋面系統(tǒng)板肋、支座和板面應(yīng)力最大值均出現(xiàn)在SR3、SP12和SS3位置處，不同溫度下最大應(yīng)力如圖11所示。可知，隨著工況 S1～S3中屋面板的約束強(qiáng)度不斷增強(qiáng)，屋面系統(tǒng)的各部分應(yīng)力存在明顯差異。由圖11(a)可知，工況S1板肋、支座和板面最大應(yīng)力分別177.2、45.2、162.3 MPa。工況S2各部分最大應(yīng)力分別為182.4、50.8、176.1 MPa，工況S3各部分最大應(yīng)力分別為150.4、29.8、230.1 MPa。

由圖11(b)可知，工況S2的板肋、支座和板面最大應(yīng)力均要大于工況S1，分別增加了2.9%、12.4%、8.5%。分析可知，工況S2為一端固定的約束條件，溫度作用下屋面板向一個方向發(fā)生變形，故板面和支座的應(yīng)力增長較大。

由圖11(c)可知，工況S3板面應(yīng)力最大達(dá)到材料屈服強(qiáng)度的93.9%，較工況S1和S2分別增加了41.7%、30.6%。可見，隨著約束的增強(qiáng)板面應(yīng)力增加趨勢更加明顯。但工況S3的板肋和支座應(yīng)力有所減少，因為屋面板兩端均被約束，屋面板沿著縱向不能發(fā)生變形。板肋應(yīng)力將有所下降，進(jìn)行影響支座的受力，屋面板主要沿著豎向發(fā)生變形。

圖11 不同約束下最大應(yīng)力Fig.11 Maximum stress under different constraints

3 結(jié)論

針對溫度作用下直立鎖邊不銹鋼屋面系統(tǒng)的力學(xué)性能和變形特性開展溫度加載試驗研究。主要結(jié)論如下。

(1)直立鎖邊不銹鋼屋面系統(tǒng)在溫度作用下存在明顯的應(yīng)力集中和熱膨脹現(xiàn)象。屋面系統(tǒng)的溫度應(yīng)力和溫度變形顯著，溫度每增加1 ℃，應(yīng)力最大增加1.9 MPa，屋面板水平位移明顯大于豎向位移，最大水平位移為9.19 mm。

(2)板肋、支座和板面的應(yīng)力隨溫度逐漸增加，最大應(yīng)力分別為182.4、50.8和230.1 MPa。X-1跨的應(yīng)力要大于X-2跨，且支座處的板面和板肋應(yīng)力要大于非支座處。

(3)屋面系統(tǒng)各部分應(yīng)力隨著約束邊界的增加變化顯著。工況S2的板肋、支座和板面最大應(yīng)力均要大于工況S1，分別增加了2.9%、12.4%、8.5%。工況S3板面應(yīng)力增加最大，較工況S1和S2分別增加了41.7%、30.6%。

(4)屋面板的水平和豎向位移隨溫度逐漸增加。屋面板水平位移在一端固定(S2)約束條件下的最大，屋面板豎向位移在兩端固定(S3)約束條件下最大。