初始缺陷对装配式铝合金房屋极限承载力影响分析

邰家醉

(中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430063)

初始缺陷对装配式铝合金房屋极限承载力影响分析

邰家醉

(中铁第四勘察设计院集团有限公司 湖北武汉 430063)

装配式铝合金房屋的极限承载力受初始缺陷的影响明显。文章分析了材料、制造、安装及使用情况等因素，发现初始几何缺陷为该类房屋的主要初始缺陷；随后进一步通过对比计算确定了几何初始缺陷的合理限值，并基此建立了装配式铝合金房屋的有限元数值模型，采用一致缺陷模态法分析了风荷载和雪荷载等控制工况下初始缺陷对装配式铝合金房屋结构承载力的影响程度。

装配式铝合金房屋；极限承载力；非线性分析；初始缺陷

0 引言

装配式铝合金房屋是一种新型可移动式拼装结构，该结构为军民两用产品，要求组装快捷、质量轻、机动性强。所有构件为标准化设计，根据需求定制生产，房屋可现场组装或工厂组装运至现场即可使用[1]，属于可重复使用的装配式房屋。结构由基础、房架、板块、附件等组成，采用刚性板材作为围护结构。组装步骤：夯实地面—固定地圈梁(地桩)—安装房架柱(插槽+螺栓连接)—安装墙板及门窗(插槽连接)—安装房架梁(与柱螺栓+托板连接)—安装屋面板(插槽连接)—附件安装及密封处理。屋架梁为三角折叠结构，展开时将横杆用螺栓两端紧固；地梁为钢材，柱、折叠梁、横杆及各类板件均为铝合金型材。

1 计算方法选择

装配式铝合金结构在设计时没有规范参考，仅参照《铝合金结构设计规范》[2]进行线弹性范围内理想状态的设计，装配式铝合金房屋如图1所示。

(a)正立面尺寸 (b) 侧立面尺寸图1 装配式铝合金房屋

该类结构在实际的生产、加工、运输过程中，结构不可避免地出现多种缺陷，特别在每一次拆装过程中都可能会造成初始缺陷的累积，缺陷对结构承载力的影响程度未知。对装配式房屋也没有规范规定的容许初始缺陷。目前广泛应用的考虑初始缺陷分析方法有假想水平力法[2]、缩减切向模量法[3]、随机缺陷模态法和一致缺陷模态法[4]，其中等效荷载法和缩减切向模量法是便于结构计算而实现简化的方法，在结构有限元高等分析中应用较多的是随机缺陷模态法和一致缺陷模态法。随机缺陷模态法工作量大[3]，多用于杆件较多的网壳、网架及复杂框架的缺陷分析。

对于传力明确的装配式铝合金结构，最低阶屈曲模态基本能反映结构在整个非线性过程中的变形趋势，亦可直接获得缺陷的最不利分布，所以本文选择一致缺陷模态法，分析结构整体在风荷载、雪荷载各自作用的工况下，不同大小的初始缺陷取值对整体结构承载能力的影响程度，给出结构构件使用中初始缺陷的控制范围。

2 初始缺陷值的确定

结构构件的初始缺陷有力学缺陷和几何缺陷。对于铝合金结构由生产制作引起的残余应力在挤压型材中普遍较小，可忽略不计[2]。装配式铝合金结构的构件之间均采用螺栓连接，没有焊接残余应力，故力学缺陷可不考虑。几何缺陷有初始偏心、初始弯曲、板件初始变形、截面尺寸偏差等。初始偏心和初始弯曲这两种几何缺陷对轴心受压构件的影响类似，可合并作为初始弯曲来考虑。装配式铝合金房屋的构件截面尺寸均较小，亦可合并用初始弯曲将截面尺寸的偏差考虑进去。而屋面及墙面板件是插入到结构骨架凹槽内，板与骨架之间不传递弯矩，只传递位移，故板的初始缺陷对结构的影响可以忽略不计。

本文根据装配式铝合金结构的特点，对结构构件取不同的初始缺陷值。在考虑材料非线性的前提下，进行不同初始缺陷取值下的结构极限承载能力分析，从而讨论构件初始缺陷的合理限值。

2.1 建模

采用ANSYS软件对装配式铝合金结构进行有限元分析。为更真实地反映模型，材料特性采用材性试验所得数据如表1所示[1]，与《铝合金结构设计规范》及《钢结构设计规范》取值略有不同。

表1 材料特性表

铝合金材料的σ～ε曲线与形式为ε=ε(σ)的经典的非线性Remberg-Osgood模型实际性质最为接近，表达式为：

(1)

有限元模型屋架及中柱均选用BEAM189单元，屋面板和墙板经选用SHELL63单元，与屋架节点连接及柱与地圈梁节点连接选用COMBIN14单元。因结构构件为铝合金型材，非标准截面，需自定义截面形状(共13种截面)。板与骨架的重合结点耦合其垂直于板面方向的自由度和平面内的部分自由度。山墙中柱柱底节点施加X向、Y向、Z向约束，其余柱底施加X向、Y向、Z向、ROTX、ROTY、ROTZ约束。划分网格时单元边长取为200mm。三角形房架下弦与梁相交处简化为铰接节点。装配式铝合金柱脚节点介于刚接与铰接之间的半刚性连接。半刚性连接对结构的影响主要为结构刚度降低、整体变形累加、引起整体的内力重分布，整体极限承载力降低。因此有限元模型应考虑半刚性连接的影响。参考节点试验数据[1]，建模时取梁柱节点的初始刚度取为12 012N·m/rad，中柱柱底弹簧刚度为1 310N·m/rad。构件初始缺陷的引入应考虑最不利影响及使用工况，柱缺陷按柱顶初始变形，梁缺陷按跨中初始变形作为初始缺陷引入。通过截面形状及材料属性的指定并划分网格，施加节点约束等步骤建立装配式铝合金结构整体模型，如图2所示。

图2 有限元模型

2.2 荷载计算

对风、雪荷载的计算参考《建筑结构荷载规范》[5]，将雪荷载按厚度(20cm、40cm、60cm)折算成竖向荷载，将风荷载按照风荷载体型系数施加到结构构件上。文献[6]中列出了对风力的等级划分风级为9级、10级、11级的风速ν分别为23.5m/s、28.4m/s、32.3m/s。将风压和风速的换算公式：

(2)

其中W0为风压，v为风速。

计算结构整体雪荷载及风荷载的数值如表2所示。

表2 结构不同位置荷载施加值

2.3 初始缺陷值的计算

当作用雪荷载时，由于山墙屋架支撑较多(设置斜拉支撑)，抗侧性较好，房架柱和三角形屋架的初始缺陷对其影响不大，所以不作为取得对结构最不利的初始缺陷。

在进行结构极限承载能力分析时，仅对中间三榀屋架柱和三角形屋架构件引入初始缺陷，即分别对上述结构杆件施加L/1000、L/750、L/500和L/250的初始位移值。当风荷载作用时，在房架柱顶端施加顺风向的初始位移作为初始缺陷，屋架构件施加与变形相同方向的位移作为初始缺陷，对结构最为不利。这两种情况又分别施加L/1000、L/750、L/500和L/300的初始位移值作为初始缺陷。考虑材料非线性后对这些取不同初始缺陷的结构进行极限承载能力分析，得到雪荷载及风荷载作用下理想结构的极限承载力的数据如表3～表4所示。

表3 雪荷载下理想结构与不同程度缺陷时结构极限承载力

表4 风荷载下理想结构与不同程度缺陷时结构极限承载力

由表3～表4可知，当初始缺陷取L/500时，对极限承载能力的降低程度(相对于理想状态)与采用普通钢结构和冷弯薄壁型钢结构对结构构件的容许初始弯曲值时相当，又能保证重复利用的装配式结构的构件初始缺陷值较大的要求。故，建议装配式铝合金结构的柱容许初始弯曲为构件长度的1/500。

3 初始缺陷对极限承载力影响

因重复装配、机动运输等特殊要求，装配式铝合金结构初始缺陷会比永久建筑的要大，如未校正，结构的整体缺陷亦会逐渐累加。常用的一致缺陷模态法可能并不能完全考虑该类结构整体缺陷。特征值屈曲分析表明，与足尺实验结果对比，因未考虑结构的整体缺陷，用一致缺陷模态法施加至整个结构的初始缺陷对结构构件的初始缺陷均考虑过小，因此在一致缺陷模态法的基础上做改进，重新加上构件的初始缺陷。装配式铝合金结构构件的初始缺陷按L/500来取，然后与一致缺陷模态法结合共同模拟整个结构的初始缺陷。

对理想模型及有初始缺陷的结构整体模型(考虑板的作用)施加20cm雪荷载，进行静力分析、特征值屈曲分析、非线性屈曲分析，整理结构理想状态和一致缺陷模态法的非线性模型，与足尺试验数据相对比。计算表明，在雪荷载作用下结构的水平位移较小，在此不作分析。计算得到20cm雪荷载作用下中屋架的竖向位移曲线如图3所示，一致缺陷模态法与试验数据差距明显，由一阶屈曲模态的变形曲线可以看出一致缺陷模态法对结构构件的初始缺陷考虑较小，故采用改进的一致缺陷模态法对中间三榀屋架的构件中引入初始缺陷L/500，各测点竖向位移测点与试验值吻合较好。

图3 雪荷载下跨中最大竖向位移

对理想结构及有初始缺陷结构整体模型施加九级风荷载，经静力分析、特征值屈曲分析及非线性屈曲分析，得到中屋架水平位移曲线图4。

由图4可见，采用改进的一致缺陷模态法能较好地同足尺试验值相吻合。在风荷载作用下结构的竖向位移较小，在此不作进一步分析。

采用一致缺陷模态法和改进的一致缺陷模态法得到结构在雪荷载、风荷载作用下结构极限承载力的数值如表5所示。

图4 风荷载下柱顶最大水平位移

N

在雪荷载作用下，从理想模型与有初始缺陷的结构模型对比可知，由于结构初始缺陷的影响，将使装配式铝合金整体结构在承受雪荷载作用时的极限承载力下降8.2%。

在风荷载作用下，从理想模型与有初始缺陷的模型对比可知，由于初始缺陷的影响，结构在承受风荷载作用时的极限承载力下降24%。

4 结论

通过初始缺陷对装配式铝合金结构极限承载力影响计算分析得到以下结论：

(1)在装配式铝合金结构极限承载力分析及研究中，几何非线性特性明显，且缺陷对结构的影响显著，应计算其影响；

(2)对于梁-柱-板这类装配式结构，运用一致缺陷模态法来研究缺陷对结构的影响合理且方便；

(3)对装配式铝合金结构这类结构，构件的初始弯曲应控制在L/500，当超过此限值时对结构的承载能力有较大影响。故，在装配式房屋结构分拆后再次装配使用前，应当先检验结构构件的初始弯曲是否满足该要求，如不满足应校正后再装配使用。

[1] 向往，晃新强，孙艳军.轻型铝合金活动房屋足尺试验研究报告[R].2006.

[2] GB50429-2007 铝合金结构设计规范[S].北京：中国计划出版社，2007.

[3] 周奎，宋启根.钢结构几何缺陷的直接分析方法[J].建筑钢结构进展，2007,9(1)：57-62.

[4] 熊仲明，韦俊，曹欣，等.46.5m大跨度弧形钢拱结构的稳定及其缺陷影响分析[J].工程力学，2009，26(11):172-178.

[5] GB50009-2012 建筑结构荷载规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

[6] 张相庭.工程结构风荷载理论和抗风计算手册[M].上海：同济大学出版社，1990.

Analysis on Ultimate Bearing Capacities of Aluminum Alloy Prefabricated Structures with initial imperfections

TAIJiazui

(China Railway SIYUAN Survey & Design Group Co.，Ltd， Wuhan 430063)

Ultimate bearing capacities of aluminum alloy prefabricated structures were highly influenced by initial imperfections. Material, fabrication, and employment of such structures were analyzed in this paper, and it is found that initial geometric imperfection was the most important initial imperfection affecting bearing strength of such structures. Furthermore, values of initial geometric imperfection were determined based on calculations. On this foundation, finite element model of aluminum alloy prefabricated structures were established, and based on consistent imperfect buckling analysis method, effects on bearing strength for controlled working cases of wind load and snow load were analyzed.

Aluminum alloy prefabricated structures; Ultimate bearing capacity; Nonlinear analysis; Initial imperfections

邰家醉(1983.6- )男，一级注册结构工程师。

E-mail:taijiazui@163.com

2017-02-15

TU3

A

1004-6135(2017)06-0076-04