小型全鋁裝配式房屋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

溫 楊 李柏林 劉 學(xué) 張春旭 馬 多 張宗鑠

遼寧忠旺集團(tuán)有限公司 遼寧遼陽 111003

1 設(shè)計(jì)背景

裝配式建筑指將預(yù)制的建筑構(gòu)件運(yùn)輸?shù)绞┕がF(xiàn)場(chǎng),在現(xiàn)場(chǎng)完成房屋構(gòu)件的裝配建造工作。與以往澆筑式建筑相比,裝配式建筑具有建造與裝修一體化可同步進(jìn)行,施工效率高,建造工期縮短等優(yōu)點(diǎn),適應(yīng)綠色建筑的發(fā)展要求[1]。歐美國家在裝配式建筑領(lǐng)域起步較早,發(fā)展較快[2-4]。其中,在美國國內(nèi),裝配式建筑占比較高,達(dá)到90%。德國作為住宅緊缺型國家,隨著產(chǎn)業(yè)化技術(shù)的進(jìn)一步提高,產(chǎn)業(yè)化建造水平已經(jīng)相當(dāng)成熟。我國在2022年發(fā)布《國務(wù)院辦公廳關(guān)于進(jìn)一步釋放消費(fèi)潛力促進(jìn)消費(fèi)持續(xù)恢復(fù)的意見》和《關(guān)于推進(jìn)以縣城為重要載體的城鎮(zhèn)化建設(shè)的意見》等政策意見,推動(dòng)綠色建筑規(guī)模化發(fā)展,大力發(fā)展裝配式建筑。行業(yè)預(yù)測(cè),到2025年,我國城鎮(zhèn)新建建筑全面建成綠色建筑,裝配式建筑占當(dāng)年城鎮(zhèn)新建建筑的比例達(dá)到30%。到2025年,我國新建裝配式建筑面積將達(dá)到16.51億m2,市場(chǎng)規(guī)模將達(dá)3.6萬億元。

鋁合金作為一種常見的有色金屬材料,具有強(qiáng)度高、易加工、耐腐蝕等特點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于工業(yè)電子、交通運(yùn)輸、建筑結(jié)構(gòu)等重要領(lǐng)域。在傳統(tǒng)建筑領(lǐng)域,混凝土、鋼材等建筑材料存在耐久性不佳、力學(xué)性能差、自身重力大等缺陷[5]。由此,近年來,鋁合金作為建筑領(lǐng)域的綠色材料,得到廣泛應(yīng)用[6]。鋁合金裝配式建筑具有樣式美觀、經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)明顯、工業(yè)化生產(chǎn)高效等優(yōu)點(diǎn)。筆者對(duì)小型全鋁裝配式房屋進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元分析。

2 材料

基于小型全鋁裝配式房屋對(duì)使用壽命及使用穩(wěn)定性的要求,確定以6005A-T6鋁合金擠壓材為主建造骨架和地面踏板,可以有效保證房屋結(jié)構(gòu)件的強(qiáng)度,提升房屋整體的抗變形能力。選擇3003-H14鋁合金軋制板材,在工藝上進(jìn)行粉末噴涂,作為小型全鋁裝配式房屋的蒙皮結(jié)構(gòu)。

6005A鋁合金屬鋁鎂硅系可熱處理鋁合金,具有優(yōu)良的擠壓性、焊接性、耐腐蝕性,綜合力學(xué)性能優(yōu)異,廣泛應(yīng)用于軌道交通車輛的制造[7-8]。

3003鋁合金是以錳為主要合金元素的一種變形鋁合金,具有良好的機(jī)械加工性能和焊接性能,塑性和強(qiáng)度較高,耐腐蝕性好。3003鋁合金是應(yīng)用較廣的防銹鋁,在建筑、食品包裝等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[9]。6005A鋁合金合金成分見表1,3003鋁合金合金成份見表2,6005A鋁合金室溫下力學(xué)性能見表3,3003鋁合金室溫下力學(xué)性能見表4[10-12]。

表1 6005A鋁合金化學(xué)成分

表2 3003鋁合金化學(xué)成分

表3 6005A鋁合金室溫下力學(xué)性能

表4 3003鋁合金室溫下力學(xué)性能

3 斷面

根據(jù)項(xiàng)目需求,所設(shè)計(jì)的小型全鋁裝配式房屋外形尺寸為6 800 mm×4 500 mm×3 000 mm。針對(duì)小型全鋁裝配式房屋的輕量化,開展了型材結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在滿足強(qiáng)度、疲勞性能要求的基礎(chǔ)上,對(duì)型材最大應(yīng)力和最大變形不敏感的非承重面進(jìn)行減薄,設(shè)計(jì)加強(qiáng)筋、懸臂結(jié)構(gòu),提高型材的強(qiáng)度,提升房屋的保溫、防水性能,并在型材端面設(shè)計(jì)插接結(jié)構(gòu),提升穩(wěn)固性,最終獲得輕量化效果與結(jié)構(gòu)強(qiáng)度俱佳的型材斷面結(jié)構(gòu)。立柱斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示,地板斷面結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖1 立柱斷面結(jié)構(gòu)

圖2 地板斷面結(jié)構(gòu)

4 零部件

針對(duì)小型全鋁裝配式房屋的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求及使用環(huán)境需求,對(duì)骨架、地面踏板及巖棉夾芯板、內(nèi)外部鈑金、門窗及防盜護(hù)欄、踏步平臺(tái)五大零部件結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行設(shè)計(jì),確定各零部件的必要工藝要求。小型全鋁裝配式房屋結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 小型全鋁裝配式房屋結(jié)構(gòu)

5 防水保溫

針對(duì)防水保溫性能問題,對(duì)小型全鋁裝配式房屋室內(nèi)外鋁板的拼接進(jìn)行設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)一周U形槽斷面扣接結(jié)構(gòu),并采用密封膠,由此大大提升防水保溫性能。防水保溫設(shè)計(jì)如圖4所示。

圖4 防水保溫設(shè)計(jì)

6 墻體結(jié)構(gòu)

針對(duì)墻體結(jié)構(gòu)拼裝困難、拼裝速度慢、安裝精度差的問題,設(shè)計(jì)了一種復(fù)合模塊墻板。外墻板通過緊固件與巖棉夾芯板固定在一起,成為復(fù)合模塊墻板,與骨架相連。復(fù)合模塊墻板如圖5所示。

圖5 復(fù)合模塊墻板

7 門窗結(jié)構(gòu)

針對(duì)門窗及防盜護(hù)欄在安全性與美觀性方面的需求,進(jìn)行門窗結(jié)構(gòu)在強(qiáng)度及表面處理工藝方面的設(shè)計(jì),確定以鋁合金擠壓管材、鋁板材為主,輔以白色木紋轉(zhuǎn)印技術(shù),使表面性能、安全性、美觀性都大大提高。門窗結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 門窗結(jié)構(gòu)

8 連接

框架結(jié)構(gòu)需要承受較大的支撐力,并且具有防止應(yīng)力變形的關(guān)鍵作用。對(duì)此,確立以螺栓連接為主的連接方式,一方面保證工藝簡單性,解決角焊接難度大的問題,另一方面消除焊接熱影響區(qū)帶來的性能降低影響,整體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到保證?？蚣苈菟ㄟB接如圖7所示。

圖7 框架螺栓連接

9 有限元分析

房屋使用環(huán)境復(fù)雜,需要確保安全性及使用壽命。由此,需要對(duì)小型全鋁裝配式房屋進(jìn)行風(fēng)載、雪載、滿載三大工況下的有限元分析,得到不同工況下的受力情況。

9.1 風(fēng)載工況

風(fēng)載工況主要有三種工況條件,工況1為X方向0.000 65 MPa,工況2為-X方向0.000 65 MPa,工況3為Y方向0.000 65 MPa。風(fēng)載工況受力云圖如圖8所示,最大應(yīng)力為177.9 MPa。

圖8 風(fēng)載工況受力云圖

9.2 雪載工況

在屋頂上施加值為10-3N/mm2的-Z方向均布載荷,模擬極端條件下積雪高度為1 m時(shí)的壓力載荷。雪載工況受力云圖如圖9所示,最大應(yīng)力為76.7 MPa。

圖9 雪載工況受力云圖

9.3 滿載工況

滿載工況主要有三種工況條件,工況1為X方向0.6g加Z方向-g,工況2為Y方向0.4g加Z方向-g,工況3為Z方向-2g。滿載工況受力云圖如圖10所示,最大應(yīng)力為186.9 MPa。

圖10 滿載工況受力云圖

9.4 小結(jié)

風(fēng)載和滿載工況下,最大應(yīng)力為186.9 MPa,未超過6005A鋁合金的屈服強(qiáng)度(215 MPa)。雪載工況下,最大應(yīng)力為76.7 MPa,未超過3003鋁合金的屈服強(qiáng)度(125 MPa)。

由此可見,三種工況下的最大應(yīng)力均未超過材料的屈服強(qiáng)度,經(jīng)過輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的小型全鋁裝配式房屋能夠滿足強(qiáng)度要求。小型全鋁裝配式房屋樣件如圖11所示。

圖11 小型全鋁裝配式房屋樣件

10 結(jié)束語

筆者設(shè)計(jì)的小型全鋁裝配式房屋主要由骨架、地面踏板及巖棉夾芯板、內(nèi)外部鈑金、門窗及防盜護(hù)欄、踏步平臺(tái)五大零部件組成,設(shè)計(jì)所使用的材料為6005A-T6鋁合金和3003-H14鋁合金。

所設(shè)計(jì)的小型全鋁裝配式房屋在風(fēng)載、雪載、滿載三大工況下,最大應(yīng)力均未超過材料的屈服強(qiáng)度,表明設(shè)計(jì)方案安全可行。通過使用反饋,驗(yàn)證了設(shè)計(jì)滿足使用需求。

所設(shè)計(jì)的小型全鋁裝配式房屋符合當(dāng)下國內(nèi)實(shí)現(xiàn)行業(yè)綠色發(fā)展的需求,我國出臺(tái)的一系列相關(guān)政策必將進(jìn)一步加快裝配式建筑向綠色、環(huán)境友好型發(fā)展的步伐。